楊學偉
(同煤廣發(fā)化學工業(yè)有限公司,山西 大同 037000)
變換工序是新型煤化工工藝中不可或缺的一道工序,其工藝位置設置在氣化工序之后,主要作用是促進富產氫氣,降低合成氣中CO的含量[1]。目前,對CO變換工藝技術的研究已超過130年,且未來變換工藝技術還將得到進一步的優(yōu)化、提升和發(fā)展[2]。
本文以某公司造氣工藝技術改造項目中CO變換工藝為研究對象,對變換工段進行了必要的優(yōu)化改造,以滿足后續(xù)甲醇生產需要。
2016年,某10萬t/a合成油示范工程實施造氣工藝技術改造項目,為滿足甲醇生產對原料合成氣的要求,采用寬溫耐硫部分變換工藝及先進的HT-L航天爐粉煤加壓氣化技術,并通過旁路配氣等手段,使出變換系統(tǒng)的變換氣組分滿足后續(xù)工藝對CO含量的要求。
原氣化系統(tǒng)為灰熔聚流化床造氣工藝及灰熔聚粉煤加壓氣化技術。據監(jiān)測,此工藝煤氣、煤氣中有效氣(H2+CO)量及變換氣量較低[出氣化界區(qū)粗煤氣中CO(干基)體積分數(shù)為30%],進出口甲烷及變換氣中氨、粉塵等有害物質含量較高,不能很好地使出變換系統(tǒng)的變換氣組分滿足生產甲醇的要求。
甲醇合成反應需要控制合成新鮮氣中的氫碳體積比,要求出變換工段的變換氣中CO體積分數(shù)降低至20%左右。為了提高出氣化界區(qū)粗煤氣中CO(干基)體積分數(shù),同時降低出變換工段的變換氣中CO體積分數(shù),保證變換率,需對原變換系統(tǒng)進行相應改造。
為了使出變換系統(tǒng)的變換氣組分滿足生產甲醇的要求,本優(yōu)化改造項目首先采用先進的HT-L航天爐粉煤加壓氣化技術代替原技術,取消了原有變換裝置的變換爐、進料混合器等[3]。同時,為了節(jié)約投資,降低項目改造成本,本項目決定要盡可能多地利用原裝置中的設備。具體優(yōu)化改造如下:
本項目的工藝優(yōu)化主要包括以下三點:1號變換爐上段增加粗煤氣進口旁路管線;2號變換爐增加工藝副線;增加高壓CO2管線對變換爐進行降溫。工藝技術優(yōu)化后具體工藝流程如第109頁圖1所示。
創(chuàng)新一:1號變換爐上段增加粗煤氣進口旁路管線,如圖1中序號①。具體作用為,當系統(tǒng)負荷低時,由于熱交換強度降低,爐內下段床層形成積熱,溫度會漲至450 ℃,也就是會造成“飛熱”現(xiàn)象,同時,還會造成爐內反應過深及甲烷化反應發(fā)生增加等問題。此時,如果打開進口旁路后,可通過調控旁路
圖1 變換爐操作優(yōu)化工藝技術流程
粗煤氣進氣量,帶走爐內部分熱量,有效控制床層溫度在400 ℃以內,預防爐內“飛溫”現(xiàn)象,同時解決變換反應過深問題,以及降低爐內甲烷化反應幾率。
創(chuàng)新二:2號變換爐增加工藝副線,如圖1中序號②。具體作用有兩個方面:防止變換反應過深,進而導致不滿足后續(xù)甲醇生產要求;防止粗煤氣中有機硫未經高溫反應,影響后序低溫甲醇洗。因為如果不進行此優(yōu)化操作,粗煤氣全部進入兩臺變換爐進行變換,會導致變換反應過深,不滿足后序甲醇生產;如果通過調整系統(tǒng)副線閥AV-611004,增加副線過氣量,來防止出口變換氣中CO體積分數(shù)過低,但又易造成有機硫帶入到后序低溫甲醇洗系統(tǒng)。因此,通過調整2號變換爐副線開度,不僅可以保證煤氣全部進1號變換爐進行反應,降低變換氣中的有機硫含量,還可控制2號變換爐的進氣量,防止出現(xiàn)變換反應過深,不滿足后序甲醇生產的要求。
創(chuàng)新三:增加高壓CO2管線對變換爐進行降溫,如圖1中序號③。由于CO2是很好的惰性氣體,利于變換物理降溫,可控制反應速度,同時,CO2可被后序低溫甲醇洗系統(tǒng)吸收脫除,副產CO2產品氣,因此,增加壓力6.5 MPa、溫度120 ℃的高壓CO2管線對變換爐進行降溫。
本項目的設備優(yōu)化主要包括以下兩點:1號和2號變換爐內催化劑支撐由篩板改為瓷球;在洗氨裝置內增加噴嘴,霧化洗滌水,降低變換氣中氨含量。具體如下:
1) 催化劑支撐優(yōu)化。變換爐內支撐原設計為篩板支撐,經工藝操作和運行發(fā)現(xiàn),篩板支撐存在設備結構不合理,易因工藝條件劇烈變化產生破裂,導致催化劑漏入集氣器,隨變換氣進入2號變換爐,導致2號變換爐壓差升高,直接影響到系統(tǒng)運行。而將1號爐上、下兩層與2號爐上層分別更換為Φ25 mm與Φ10 mm瓷球,可以彌補催化劑篩板支撐的缺點,解決設備結構不合理引起催化劑粉化的問題,從而促進系統(tǒng)正常運行。變換爐內催化劑支撐由篩板改為瓷球,具體如圖2所示。
圖2 變換爐內催化劑支撐優(yōu)化后效果圖
2) 在洗氨裝置內增加噴嘴。粗煤氣中存在一定量的氨,隨變換氣直接進入低溫甲醇洗系統(tǒng),影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行。而如果常規(guī)的洗氨塔等設備,雖然可以去除氨,防止低溫甲醇洗系統(tǒng)發(fā)生氨累積,但投資較高。為此,在變換裝置第一分離器前的一段管線上增加噴嘴混合器,霧化洗滌水,經氣液分離后冷凝液送汽提塔氣提,不僅可以大幅降低變換氣中的氨含量,還可降低投資,實現(xiàn)運行效果與經濟效益的雙贏。
通過本次工藝技術優(yōu)化及設備技術優(yōu)化,變換系統(tǒng)改造前后100%負荷下系統(tǒng)氣量、進出口甲烷、變換氣中有害物質對比結果如表1所示。
表1 變換系統(tǒng)改造前、后各指標對比
由表1可知,系統(tǒng)改造后有如下優(yōu)點:
1) 系統(tǒng)氣量。系統(tǒng)改造后,煤氣、煤氣中有效氣(H2+CO)量及變換氣量明顯增加,不僅大幅度提高了合成反應的合成氣量,提高了了甲醇產能,還增加了變換氣中可以利用的CO2量。
2) 進、出口甲烷對比。系統(tǒng)改造后,變換系統(tǒng)100%負荷下進、出口甲烷明顯降低,大幅度提高了碳轉化率,進一步釋放了甲醇合成產能,降低了甲醇生產成本。
3) 變換氣中有害物質對比。系統(tǒng)改造后,由于在分離器前加裝了噴嘴洗氨裝置,變換氣中氨含量由10 mg/m3降低為4 mg/m3,有效地脫除了變換氣中氨,降低了變換氣中氨含量;系統(tǒng)改造后,煤氣經過水激冷,又經變換入口降溫分離后,粉塵含量由0.96 mg/m3降低為0.01 mg/m3,大大降低了粉塵含量,改善了低溫甲醇洗的甲醇品質;系統(tǒng)改造后,水含量由0.26 t/h變?yōu)?.28 t/h,略有升高,可能是因為,改造前、后變換氣的溫度均為30 ℃,夾帶水皆被分離,但改造后系統(tǒng)在洗氨裝置內增加噴嘴,霧化洗滌水,故略有升高,但總體而言,變化不明顯,影響不大。
本次改造利用了原系統(tǒng)中舊的換熱設備及變換爐,降低了投資成本。變換系統(tǒng)自2017年1月開車,通過優(yōu)化工藝操作和運行參數(shù),滿負荷穩(wěn)定運行,日產甲醇最高達1 237 t。目前,2號變換爐工藝副線開度控制在30%左右,變換催化劑已使用2年時間,催化劑活性穩(wěn)定,且沒有出現(xiàn)有機硫和煤粉的攜帶問題,以及因催化劑粉化造成的系統(tǒng)壓差高的現(xiàn)象。
綜上所述,本次項目通過對工藝、設備等進行一系列優(yōu)化創(chuàng)新改造,大幅提高了合成反應的合成氣量,降低了變換氣中甲烷含量以及氨、粉塵等有害物質含量,為甲醇合成系統(tǒng)提供了合格的變換氣,為后序系統(tǒng)生產合格的甲醇奠定了基礎,最重要的是變換后系統(tǒng)還實現(xiàn)了長周期、滿負荷的穩(wěn)定運行。