中煤龍化化工公司煤氣、甲醇和天然氣裝置實際產(chǎn)能評估及運行評價

劉 偉，解 強

（1.中國中煤能源集團有限公司，北京100120；2.中國礦業(yè)大學，北京100083）

中煤集團龍化化工公司前身是哈爾濱氣化廠，是國家八五期間的重點工程項目；其具有世界先進水平的德國魯奇公司PKM加壓氣化技術，林德公司低溫甲醇洗煤氣凈化技術，超級克勞斯硫回收技術，甲醇合成采用杭州林達公司甲醇合成塔，Davy公司催化劑。目前，其具有3套甲醇合成裝置，分別是6萬t·a-1，8萬t·a-1及2006年至2009年新建的34萬t·a-1裝置；后于2010年新建天然氣提取裝置，產(chǎn)能為1.02億Nm3·a-1。

該項目從建成伊始，主要由于原料煤指標達不到設計要求，原設計文件要求煤的灰分低于26%，而實際運行的原料煤灰分一直在34%左右，因此，煤氣產(chǎn)能一直沒有達到設計標準。經(jīng)過多年運行后，又進行了較多的工藝改造及新建裝置工作，且原有工藝流程長，各裝置相互影響復雜，若按照現(xiàn)有實際的供煤情況，若造氣分廠5臺氣化爐4開1備365天滿負荷運行時，選煤分廠約85%的負荷，空分分廠約43%的負荷，凈化分廠約65%的負荷即可滿足粗煤氣的生產(chǎn)及其加工處理能力。在造氣裝置滿負荷生產(chǎn)的情況下，若年產(chǎn)6000萬Nm3的天然氣，則剩余煤氣量只能生產(chǎn)甲醇約25.3萬t·a-1；此時，天然氣裝置能力利用率約為60%，甲醇裝置能力利用率約為60%。所以目前非常有必要從全廠角度對各裝置的實際產(chǎn)能及運行狀態(tài)進行詳細評價，并對影響全廠穩(wěn)定運行的一些因素進行分析，從而用于指導該企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營決策。

1 造氣裝置概況

造氣分廠5臺氣化爐為原民主德國引進的PKM煤氣發(fā)生爐，雙層筒體立式結構，III類中壓反應容器。氣化爐高度10640mm，外徑?4000mm，內(nèi)殼體?3700×?3636×7985mm。夾套內(nèi)為冷卻水和蒸汽，溫度280℃。氣化爐設計壓力3.0MPa，工作壓力2.8MPa，氣化爐內(nèi)殼體為不銹鋼復合板，原設計向火面有耐火磚。原料為碎煤、蒸汽和氧氣混合物，不同區(qū)域工作溫度約在200~1100℃之間，產(chǎn)品為粗煤氣。單臺氣化爐設計生產(chǎn)能力為35000Nm3·h-1粗煤氣（氧負荷6000Nm3·h-1），1993年投產(chǎn)后始終沒能達產(chǎn)，部分原因是爐內(nèi)掛壁、工況惡化、氣化爐出口溫度高且波動大、布煤器燒壞；后經(jīng)多次改造，布煤器，由原來的傘狀內(nèi)部集氣改為鐘罩型外部集氣；爐柵布氣孔封堵，爐柵布氣孔由3層改為4層布氣；耐火磚扒掉等改造后可以達到設計生產(chǎn)能力。但由于原料煤灰分較高，設計入爐原料煤灰分為26%，實際入爐原料煤灰分為33%~35%左右），實際生產(chǎn)始終沒能實現(xiàn)設計生產(chǎn)能力。

回收車間的液態(tài)產(chǎn)品分離裝置是接收造氣、凈化來料，經(jīng)過減壓閃蒸和重力沉降將其分離，并為造氣、凈化提供洗滌煤氣的酚水，剩余的酚水進入到酚回收裝置。酚回收裝置將酚水中的氨、酚進行脫除后送到生化裝置，氨氣經(jīng)三級冷凝去氨回收裝置。氨回收裝置經(jīng)過精餾得到液氨。

1.1 影響造氣穩(wěn)定運行的原因

目前，影響造氣裝置長周期穩(wěn)定運行的原因主要有：（1）入爐原料煤中灰分較高，設計值為26%，實際入爐約34%，排灰能力逼近極限，并且易造成結渣堵塞空心軸使排灰困難，從而影響了煤氣產(chǎn)量和運行的穩(wěn)定性。入爐原料煤粒度要求均勻，臨界粒度煤含量不應超20%，實際入爐煤的臨界粒度煤含量超過了20%，增加了爐子的操作難度，造成爐子運行不穩(wěn)定；（2）由于扒掉了氣化爐內(nèi)壁的耐火磚，內(nèi)壁易出現(xiàn)裂紋，更換內(nèi)套檢修量大，從而影響爐子的運行率；（3）由于煤氣廢水中塵油含量較多極易造成管線、塔板、換熱器堵塞現(xiàn)象嚴重致使操作控制困難，檢修任務較繁重，也會影響到爐子的運行率。

1.2 造氣裝置生產(chǎn)能力評估及2014年度產(chǎn)量預算

1.2.1 2014年檢修時間計劃 根據(jù)造氣分廠對氣化爐計劃檢修的時間安排，以及非計劃停車的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，2014年全年預計需花費檢修時間總計365臺天。主要包含以下幾個方面：（1）2014年預計更換兩臺爐內(nèi)套：約80×2=160臺天；（2）另外3臺爐局部換板或裂紋處理：約30+20+20=70臺天；（3）5臺爐中小修：清喉管、清空心軸、廢鍋管束更換、刮板機檢修、錐閥更換等：約20×5=100臺天；（4）由于各種突發(fā)故障、全廠大修等原因造成的停車約5× 7=35臺天。氣化爐裝置能夠實現(xiàn)全年四開一備運行，即5×365-365=1460臺天。全年計劃檢修考慮到每年的全廠停車大修時間，為確保全年運行1460臺天，預計將會有60d左右要運行5臺爐子，其余日子基本上確保4臺爐子運行，實現(xiàn)平穩(wěn)高負荷運行。1.2.2粗煤氣全年生產(chǎn)能力估算 在34%灰含量的原料煤情況下，單臺爐氧負荷為4500Nm3·h-1左右。每小時約產(chǎn)4500Nm3·h×4臺×5.5=99000Nm3粗煤氣，每天產(chǎn)99000Nm3·h-1×24h=2376000Nm3粗煤氣，全年產(chǎn)2376000Nm3×365d=867240000 Nm3粗煤氣。粗煤氣成分見表1。

表1 粗煤氣成分表Tab.1 Crude gas composition

2 甲醇和天然氣裝置概況

中煤龍化化工公司甲醇分廠現(xiàn)有的六萬、八萬、三十四萬及天然氣4套裝置，目前，處于運行狀態(tài)的有八萬、三十四萬和天然氣裝置，人工提取天然氣裝置的原料分為兩部分：（1）來自34萬t甲醇裝置吹除氣，流量26400Nm3·h-1，壓力7.0MPa；（2）來自8萬t甲醇裝置吹除氣，流量18000Nm3·h-1，壓力4.4MPa。天然氣提取裝置產(chǎn)能1.02億Nm3·a-1，目前，按合同要求每年計劃產(chǎn)6000萬Nm3·a-1。

表2 25萬t和8萬t甲醇尾氣組分表Tab.2 Off-gas composition of 25*104 ton and 8*104 ton methanol installations

2.1 甲醇和天然氣產(chǎn)能評估

造氣裝置的粗煤氣產(chǎn)量決定了精甲醇和天然氣的總產(chǎn)量，若全年實現(xiàn)粗煤氣產(chǎn)量為867240000Nm3，其中包含了的有效組分為：CH4為867240000×11.06% =95916744Nm3，全年合同要求外供天然氣60000000Nm3；那么要有35916744Nm3甲烷要通過部分氧化轉化成甲醇合成原料氣，按照每噸甲醇消耗甲烷930Nm3計，可轉產(chǎn)精甲醇約為3.862萬t。（H2+CO）總計約867240000×（36.23%+21.84%）=503606268Nm3，按照2350Nm3（H2+CO）生產(chǎn)1t精甲醇計，約可生產(chǎn)21.43萬t精甲醇，總計約年產(chǎn)25.3t精甲醇。

則預計全年甲醇產(chǎn)量為25.3萬t，天然氣產(chǎn)量6000萬m3，折合甲醇量總計為31.75萬t。

2.2 甲醇裝置和天然氣裝置運行狀態(tài)評估

造氣裝置提供的粗煤氣中，天然氣的含量為9591萬Nm3，而合同要求外供的天然氣為6000萬Nm3，在實際生產(chǎn)過程中，隨季節(jié)不同，各個月份所需供給的天然氣并不相同，冬季供給負荷大，夏季供給負荷小，春秋隨著輸氣管線壓力的變化也需隨時調整天然氣的供應量，所以天然氣部分氧化轉化裝置經(jīng)常在全開、不開、低負荷運行等3種狀態(tài)下運行，從而對增加了裝置能耗并復雜了操作管理。2.2.1部分氧化全開實際生產(chǎn)數(shù)據(jù) 2012年7月份部分氧化裝置高負荷運行，此階段粗煤氣產(chǎn)量為132000Nm3·h-1，34萬甲醇合成裝置能生產(chǎn)粗甲醇34.4t·h-1，8萬t甲醇合成裝置能生產(chǎn)8.7t·h-1，總共能得到約43t·h-1粗甲醇，按含水8%計，可生產(chǎn)精甲醇39.5t·h-1。同時生產(chǎn)天然氣5000Nm3·h-1，即每天可得到948t精甲醇和12萬Nm3天然氣。12萬Nm3天然氣按930Nm3折1t精甲醇計，可折算成129t精甲醇。此間當量精甲醇產(chǎn)量約為1077t·a-1。

2.2.2 部分氧化停車實際生產(chǎn)數(shù)據(jù) 2012年12月中旬，為了滿足天然氣生產(chǎn)需求，部分氧化裝置停車，甲醇合成裝置引凈煤氣進行生產(chǎn)，部分氧化實際停車。這階段煤氣產(chǎn)量為140000Nm3·h-1，34萬甲醇合成裝置能生產(chǎn)粗甲醇18.5t·h-1，8萬t甲醇合成裝置能生產(chǎn)7.8t·h-1，總共能得到約26.3t·h-1粗甲醇，按含水8%計，可生產(chǎn)精甲醇24.2t·h-1。同時生產(chǎn)天然氣12500Nm3·h-1，即每天可得到581t精甲醇和30萬Nm3天然氣。30萬Nm3天然氣按930Nm3折一噸精甲醇計，可折算成332.6t精甲醇。此間當量精甲醇產(chǎn)量約為913.6t·d-1。

2.2.3 部分氧化低負荷運行實際生產(chǎn)數(shù)據(jù) 2013年2月中旬，部分氧化裝置開車，但是由于天然氣需求量的限制，投入一部分氧進行生產(chǎn)。這階段煤氣產(chǎn)量為130000 Nm3·h-1，34萬甲醇合成裝置能生產(chǎn)粗甲醇23.5t·h-1，8萬t甲醇合成裝置能生產(chǎn)8.77t·h-1，總共能得到約32.27t·h-1粗甲醇，按含水8%計，可生產(chǎn)精甲醇29.7t·h-1。同時生產(chǎn)天然氣10000Nm3·h-1，即每天可得到712t精甲醇和24萬Nm3天然氣。24萬Nm3天然氣按930Nm3折一噸精甲醇計，可折算成258.1t精甲醇。此間當量精甲醇產(chǎn)量約為970.1t·d-1。

2013年4月以后，部分氧化裝置逐漸將O2量恢復正常，34萬t·a-1甲醇裝置回到正常生產(chǎn)狀態(tài)。也就是又回到了部分氧化全開狀態(tài)下運行。

2.2.4 甲醇和天然氣產(chǎn)品的產(chǎn)量調節(jié) 原項目設計是凈煤氣通過部分氧化裝置將原料凈煤氣中的甲烷轉換成CO和H2，用于甲醇的生產(chǎn)，但由于部分氧化裝置耗氧、耗燃料氣，能耗高，生產(chǎn)出的甲醇成本高，所以公司為了降低能耗，降低甲醇成本，提高企業(yè)利潤，在實現(xiàn)考慮部分氧化裝置完全停止運行的情況下，設計實施了天然氣提取項目。

設計實施中考慮，原料凈煤氣直接進入甲醇合成的聯(lián)合壓縮機增壓后與循環(huán)氣混合后在聯(lián)合壓縮機的循環(huán)段增壓進入甲醇合成塔，出塔氣經(jīng)過甲醇冷凝器得到粗甲醇產(chǎn)品，未反應的氣體循環(huán)回到甲醇聯(lián)合壓縮機循環(huán)段入口，在回到聯(lián)合壓縮機循環(huán)段之前，34萬t合成塔出口抽出循環(huán)氣總量約的1/20的量作為吹除氣，作為膜分離提取天然氣的原料氣，將不返回到部分氧化裝置進行甲烷轉化。8萬t合成塔出口抽出循環(huán)氣總量的約1/10的量作為膜分離提取天然氣的原料氣。這兩股原料氣先經(jīng)過各自的第一級膜分離回收其中的氫氣返回甲醇合成做甲醇原料氣，剩下的含更高濃度甲烷的氣體，經(jīng)過一個射流噴射器用34萬t甲醇合成塔抽出的第一級膜分離（100#）出口的高壓富甲烷原料氣來帶從8萬t甲醇合成塔抽出的第一級膜分離（200#）出口的較低壓力的富甲烷原料氣，起到了均壓混合作用?；旌虾蟮母患淄樵蠚膺M入一個獨立設置的變換裝置把混合原料氣中的CO變換成H2和CO2，再進入一個MDEA脫除CO2裝置，然后進入300#膜分離，經(jīng)過二級膜分離提濃得到含甲烷92%以上的煤制天然氣可以作為民用或者工業(yè)用高熱值的天然氣，進一步脫水加壓可以作為車用燃料（CNG），提高企業(yè)經(jīng)濟競爭能力。

提取天然氣裝置為甲醇吹除氣人工提取煤基天然氣裝置，從34萬t甲醇馳放氣和8萬t甲醇馳放氣中分離回收富H2、天然氣。根據(jù)甲醇吹除氣的甲烷含量及全裝置的總物料平衡，本裝置的公稱規(guī)模天然氣產(chǎn)量為12838Nm3·h-1，總富H2產(chǎn)量31238Nm3·h-1，年開工時間按8000h計，全年天然氣產(chǎn)能為1.027億Nm3。為了提取天然氣，8萬t甲醇必須盡量開滿負荷。34萬t甲醇因為氣量、氣體組分遠遠偏離原設計工況，并且原料氣和循環(huán)氣中含有大量的甲烷，造成壓縮功耗大大增加，甲醇合成效率降低，故不能充分發(fā)揮生產(chǎn)能力。

因為34萬t甲醇項目中的部分氧化裝置能耗高，建設了天然氣提取裝置后可以停運部分氧化裝置，結果是，34萬t甲醇項目中部分氧化裝置和3萬空分裝置閑置，沒有投資效益。

實際上因為天然氣提取出來后不能被下游全部接收，只好把一部分未提取出來的甲烷再返回到部分氧化裝置轉化成甲醇合成氣，客觀上使得空分耗能、部分氧化耗能較高，34萬t甲醇合成壓縮仍然處于不合理的運行狀態(tài)，合成效率降低，綜合能耗大大增加，而甲醇產(chǎn)量沒有提高。總體上講，天然氣裝置的建設使得34萬t甲醇項目投資效益不能得到發(fā)揮，而8萬t甲醇合成必須基本開滿，總體上的能耗卻變得增加；下游天然氣需求量的變動性使得生產(chǎn)協(xié)調及配合變得較為復雜，若公司能在穩(wěn)定生產(chǎn)的前提下，制定出供應哈爾濱市每年固定的天然氣量，對于改善生產(chǎn)配合會有一定效果。

3 建議

建議龍化公司從準確核算甲醇成本及設備維護和折舊等方面入手，進行經(jīng)濟效益綜合分析，以廠、礦一盤棋的高度統(tǒng)籌考慮，尋找符合龍化公司最大經(jīng)濟效益訴求的原料綜合利用和分配平衡點以及產(chǎn)品生產(chǎn)比例平衡點。對比現(xiàn)有運營情況下，甲醇的生產(chǎn)成本和全系統(tǒng)滿負荷運行甲醇生產(chǎn)成本。重點研究全系統(tǒng)滿負荷運行狀態(tài)下的甲醇成本，以對自產(chǎn)煤炭的分配及利用提出合理方案，并考慮在外購原煤進行生產(chǎn)以達到滿負荷狀態(tài)運營以降低甲醇的生產(chǎn)成本；另外，應根據(jù)市場甲醇價格的變動情況，合理安排甲醇和天然氣的產(chǎn)量比例關系，而非以天然氣供應的變動情況調節(jié)甲醇生產(chǎn)，也將有利于提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。