煤制天然气装置扩产改造途径探讨.pdf

櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋櫋殹殹殹殹其他 收稿日期 作者简介王亚龙（），男，山东菏泽人，工程师，主要从事煤制天然气装置技改研究与甲烷化生产工艺管理工作櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅。见，应在冷箱顶入口处加设粗网格或装上珠光砂倒入装置；装填珠光砂的过程中，冷箱内各容器与管道均充气保持压力在 ，并监测仪表管路和温度计电缆是否有受损；空分装置重启后的 内，经常检查珠光砂的沉降情况，并及时补装，使珠光砂在冷箱内始终处于满实状态。结束语空分装置冷箱大修费时费力，耗资较大，需制定好安全措施、检修计划。扒砂前珠光砂要加温彻底，从冷箱顶部到底部分层逐步扒砂；大修外委施工中，业主须多次进入冷箱内查看施工质量，监督检修安全，发现问题及时与施工单位协商解决，每步施工验收均要认真对待，以保证系统重启后冷箱的安全、高效运行。建议空分装置冷箱运行 后进行一次计划性扒砂检修，以利及时发现冷箱内管道或设备隐患，从而确保空分装置的安全、稳定运行。煤制天然气装置扩产改造途径探讨王亚龙（伊犁新天煤化工有限责任公司，新疆 伊宁 ）摘要伊犁新天煤化工有限责任公司 煤制天然气装置 年投产以来整体运行稳定，年 月天然气（）产量已达设计值。基于煤制天然气装置气化、净化（低温甲醇洗）、甲烷化等系统的生产能力均有较大的提升空间，为发挥出装置的生产潜力、提高整套装置的能源转化效率，提升企业的经济效益与抗风险能力，年 月按计划实施了持续 周的高负荷（负荷）运行试验，以验证各生产系统的扩产能力。试验结果表明，煤制天然气装置具备整体扩产基础，空分装置、变换系统无需改造，但备煤系统、气化系统、煤气水分离与酚氨回收系统、变换冷却系统、净化系统、甲烷化系统、脱盐水站、污水处理装置、热电装置等需新增少量设备或进行优化改造。关键词煤制天然气装置；工艺流程；扩产改造；负荷试验；运行问题；优化改造 中图分类号 文献标志码 文章编号 （）引言伊犁新天煤化工有限责任公司（简称新天煤化）煤制天然气装置自 年投产以来，运行稳定，产品质量符合要求，年 月天然气（）产量已达设计值，主要排放指标达到或优于设计指标（符合国家及当地排放指标要求）。经过多年的运行，总结发现，碎煤加压气化炉出口粗煤气中甲烷含量及有效气总量较设计值均有较大幅度提高 原设计天然气产量 （标态，下同）、气化系统氧气用量 ，而实际上气化系统氧气用量 时天然气产量即可达到设计值，由此推断煤制天然气装置气化、净化（低温甲醇洗）、甲烷化等系统的生产能力均有较大的提升空间。对此，基于新天煤化煤制天然气装置高负荷（负荷）运行试验结果，研判制约系统扩产的瓶颈问题，并结合实际生产情况与理论计算提出优化改造方案。以下对有关情况作一介绍，期望可为业内提供一些参考与借鉴。煤制天然气装置工艺系统简介新天煤化煤制天然气装置分为 、两个生产系列，气化系统采用赛鼎工程有限公司开发的碎煤加压气化炉 台气化炉，分为 、第 期 年 月中氮肥 三个系列（系列 气化炉，系列 气化炉，系列 气化炉），日常生产中气化炉 台运行、台备用、台检修、变换系统采用宽温耐硫部分变换工艺、低温甲醇洗系统采用林德十一塔流程（所需冷量由混合制冷系统提供）、甲烷化系统采用戴维镍基催化剂高一氧化碳甲烷化工艺；天然气（）干燥采用成都赛普瑞兴三甘醇干燥工艺，干燥系统出口天然气经离心式压缩机加压后外送至西气东输管网。新天煤化煤气水分离有 个系列（六开无备）重力沉降分离系统，酚氨回收系统采用 个系列（三开无备）青岛科技大学二异丙基醚萃取脱酚及配套技术；污水处理采用隔油、气浮、两级生化、臭氧催化氧化、浸没式超滤、超滤、反渗透、多效蒸发后实现中水回用，高浓盐水经浓盐水结晶系统处理后实现污水零排放。新天煤化公用工程系统配套 台蒸发量 的高压自然循环固态排渣粉煤锅炉（三开一备）、台 抽凝式汽轮发电机组（两开一备）、套杭氧产氧量 的液氧内压缩空分装置（两开一备），并配套设置总降压变电所、三级取水泵站、原水净化站、脱盐水站、套循环水站（气化、净化、空分、热电循环水站）、酸碱站、输煤备煤系统、除氧站、全厂火炬系统、综合罐区、有机废气蓄热式热氧化（）装置、多元烃重芳烃深加工装置、灰渣场、综合仓库、机修仪修中心等公辅系统。高负荷试验运行问题及优化改造新天煤化在确保煤制天然气装置安全运行的基础上，于 年 月按计划实施了持续 周的高负荷试验，系统负荷（天然气产量）平均为 （折合 ），为设计负荷的 。高负荷（负荷）试验期间，实际验证了各生产系统的扩产能力。高负荷试验结果表明，煤制天然气装置具备整体扩产基础，但部分系统须经改造方可实现高负荷、稳定、长周期运行。空分装置煤制天然气装置 负荷运行时，天然气产量为 （折合 ），此时气化系统氧气用量为 ；单套空分装置设计产氧量为 ，开启 套空分装置即可满足生产要求。本次高负荷试验期间，天然气产量达到 （折合 ），氧气消耗量为 ，开启 套空分装置即可满足生产所需。套空分装置运行期间，其整体负荷为 ，系统负荷仍有提升空间，且低压氮气温度、氧气压力、氧气温度、氧气纯度、液氧中碳氢化合物含量等主要工艺指标均在许可范围内，空压机组汽轮机排汽压力以及汽轮机、空压机、膨胀机轴承温度和轴位移均满足要求。简 言 之，煤 制 天 然 气 装 置 负 荷 提 升 至 ，空分装置无需进行改造，且空分装置负荷仍有进一步提升的空间。备煤系统高负荷试验期间，输煤线（输送粉煤）最大输煤量为 ，小于设计输煤量 ；备煤线（混合输送块煤和粉煤）最大输煤量为 ，小于设计输煤量 ，满足扩产改造需求。由于备煤系统环式给煤机行走轮采用圆轮设计，卸煤车转速较快（频率 ），运行时向心力不足，仅靠行走轮卡槽和 个定位装置固定，易导致行走轮脱轨、卡死，造成环式给煤机故障停车，影响供煤。卸煤车设计采用单层橡胶密封，运行时末煤易从密封条与承煤盘之间甩出，造成撒煤，严重影响生产环境，且粉煤易进入销轴之间，不能清理，影响齿轮与销轴啮合，同时存有末煤自燃风险。犁煤车采用矩形卸料器，卸料时煤炭与筒壁挤压，使块煤破碎，降低了块煤利用率。上述问题在高负荷试验期间尤为突出。对此，考虑进行如下改造：环式给煤机可考虑更换为新型锥型行走轮，以确保给煤机在轨道上运行平稳；卸煤车现有密封升级改造为两道橡胶密封，以减少撒煤及粉煤进入销轴之间；将原煤块由自由下落改为经螺旋溜槽下落，溜槽上端与犁煤车下部出料口齐平，以降低煤炭转运过程中的破碎率，提高块煤利用率。气化系统 气化炉氧负荷及氧气管线煤制天然气装置高负荷试验期间，单台气化炉氧负荷基本稳定在 左右，小于原设计院核算的最大氧负荷（），满足扩产改造后高负荷运行需求；经核算，气化厂房氧气总管、单炉氧气管线介质（最高压力 中 氮 肥第 期 、温度约）流速均小于 ，符合 深度冷冻法生产氧气及相关气体安全技术规程（）及 氧气站设计规范（）中关于氧气管道流速的相关标准要求。气化系统氧气管道流速核算见表 。表 气化系统氧气管道流速核算项目公称直径规格 内径 流量 氧气流速 三系列总管 系列管道 系列管道 单炉管道 煤锁气方面正常生产中，气化系统为回收气化炉煤锁泄放气，需将煤锁气输送至 台 煤锁气气柜，满负荷下气柜正常运行时其料位控制在 。高负荷试验期间，气化炉煤锁加煤频率有所增加，煤锁泄放频次随之增加（煤锁泄压后方可加煤），多台煤锁同时泄放可能性增大。经测算，若 台煤锁同时泄放排气，在泄放速度最快的 内，气柜料位需上涨至 方可容纳全部煤锁泄放气；实际生产中，为防止气柜料位过高而损坏设备，气柜料位达 时气柜入口阀将自动关闭，这将导致 台煤锁同时泄放排气时部分煤锁泄放气无法进入气柜而需送至火炬处理，造成资源浪费及环境污染。对此，考虑新增台 气柜（现场情况满足增设气柜的要求），将新增气柜的煤锁气管线与原有 台气柜煤锁气管线联通，当 台气化炉煤锁同时向气柜泄压时，气柜料位上涨最大幅度为 ，即气柜最高料位为 ，可满足气柜安全、稳定运行要求。超过 台气化炉煤锁同时泄放的概率较小，且可通过优化操作予以应对，气柜方面无需考虑进一步的扩容措施。此外，气化系统煤锁气压缩机出口设有 台总容积 的缓冲罐，高负荷试验期间，由于其缓冲容积不足，导致煤锁二次充压无法充至气化炉压力，仍需使用气化炉自身所产煤气进行充压，易造成气化炉压力波动、气化炉出口粗煤气带出物量增大等，影响气化炉及下游系统的稳定运行。对此，考虑增设 台 的煤锁气缓冲罐（现场情况满足增设缓冲罐的要求），将煤锁气压缩机出口缓冲罐总容积增至 ，在煤锁二次充压过程中直接充至气化炉压力，避免再用气化炉自身所产煤气充压。煤气水分离与酚氨回收系统高负荷试验期间，煤气水分离系统单系列进料平均负荷为 ，运行稳定，各项指标均在许可范围内；酚氨回收系统处理原料酚水量平均为 ，小于设计最大处理量 ，整体上可满足对煤气水的处理要求。但由于循环水换热器结垢及其换热面积不足等方面的原因，脱氨水冷却不到位，造成萃取塔平均温度在，远高于设计温度 ，影响萃取效果 ；脱氨塔顶输出粗氨气冷却不到位，二级分液罐操作温度平均在 ，远高于设计温度（），造成粗氨气中杂质无法冷凝去除，影响后续系统处理负荷和氨水纯度 。此外，冷凝液槽副产的工艺乏汽（、）因温度、压力不满足水塔使用要求，长期经水冷器冷凝后返回冷凝液槽送出，无法冷凝的多余乏汽就地放空，造成资源浪费；同时，全厂 工艺冷凝液（实际温度 ）、工艺冷凝液（实际温度 ）直接送至脱盐水站冷凝液箱，经水冷器降温后方可用于脱盐水制备，其低位热能未得到回收利用。对此，在适当时机或煤制天然气装置扩产改造期间，考虑新增 （有机朗肯循环）发电系统将脱氨水、粗氨气、工艺乏汽、全厂 工艺冷凝液（实际温度 ）、工艺冷凝液（实际温度 ）接入有机工质换热器，替代原有水冷器冷却流程，在保证介质温度符合生产要求的同时回收低位热能用于发电，保障煤制天然气装置的稳定、高负荷运行，并提高能源利用效率。变换冷却系统实际生产中，热电装置每台锅炉实际蒸发量较原设计值低约 ，锅炉蒸发量小于全厂脱盐水供给量，变换冷却系统中间冷却器壳程出口的高温脱盐水（）无法全部进入热电装置，多余的高温脱盐水需经循环水冷却器冷却后返回脱盐水管网；变换冷却系统中间冷却器壳程出口脱盐水温度为 ，高于气化系统除氧站要求的，在送至气化系统除氧站之前，需加入冷脱盐水进行降温，增大了脱盐水用量。高负荷试验期间，此种情况进一步加剧，变换冷却系统中间冷却器壳程出口高温脱盐水量进一第 期王亚龙：煤制天然气装置扩产改造途径探讨步增大，其降温所需冷量进一步增加，超出后续循环水冷却器的换热能力，影响变换系统的稳定、高负荷运行；同样，变换冷却系统中间冷却器壳程出口脱盐水量也会进一步增加，受制于脱盐水站的供水能力，所需降温水（冷脱盐水）无法保证，影响气化系统除氧站的正常运行。对此，在适当时机或煤制天然气装置扩产改造期间，考虑新增 发电系统将变换冷却系统中间冷却器、中间冷却器出口高温脱盐水接入有机工质换热器，循环的有机工质被余热介质（高温脱盐水）加热，在蒸发器蒸发汽化，气相有机工质进入汽轮机或螺杆机膨胀做功，带动发电机发电，其工艺流程简单，布局紧凑 ，可替代原有脱盐水冷却流程，在保证系统稳定、高负荷运行的同时回收低位热能。变换系统高负荷试验期间，变换系统主变炉阻力降由原来的 升至 ，其提升程度在变换系统可接受的范围内，对变换催化剂的使用寿命影响不大；变换系统余热回收器出口温度仅由 提高至 ，管侧压力降由 提高至 ，其提升程度均在可接受的范围内。简言之，变换系统主要设备、工艺无需改造。净化系统高负荷试验期间，低温甲醇洗系统各项工艺指标基本正常，洗涤塔及氨冷器满足运行要求，系统出口净化气硫含量合格；混合制冷系统混合制冷最大供氨量为 ，低于设计值 ，满足扩产改造需求。高负荷试验期间，低温甲醇洗系统负荷达到 以上时，贫甲醇泵最小回流阀已全部关闭；系统负荷达到 以上时，虽然贫甲醇泵电机未达到额定电流，但贫甲醇流量波动较大，且流量达到 后再开大调节阀流量示数不再增加（最大量程为 ）。为保证净化气指标合格，需采取适当加大用氨量、增加气提氮气用量及降低甲醇循环量的措施尽量降低贫甲醇温度，并在系统可承受范围内适当提高系统操作压力。高负荷试验期间，贫甲醇总硫含量最高达 （满负荷正常生产时最高为 ），远高于业内控制指标 ，净化气硫含量超标风险较大 。对此，考虑在原萃取槽后再增设 台萃取槽，延长物料在萃取室的停留时间，促使贫甲醇中更多的硫分进入轻烃副产品中 ，进而降低系统内贫甲醇总硫含量。高负荷试验期间，产品气去 装置处理量平均为 ，高于设计流量 ，装置运行的安全、环保风险较大。对此，考虑增设 套富硫甲醇二次闪蒸及废气回收系统，通过对富硫甲醇进行二次闪蒸，进一步脱除可燃组分 ，以降低 产品气流量及热值，保证送 装置的 产品气处理量在可接受范围内。净化系统现有火炬总高 ，原设计火炬排放气最大流速马赫数为 。高负荷试验期间，排放气流量增大至 ，核算排放气最大流速马赫数达到 ，超出 石油化工可燃性气体排放系统设计规范（）中有关火炬稳定燃烧的流速马赫数在 范围内的要求。对此，计划将现有火炬头由 扩至 ，以使排放气最大流速马赫数由 降至 ，满足火炬稳定运行的要求。经核算，火炬塔架承重及尺寸均满足改造要求。甲烷化系统高负荷试验期间，甲烷化系统最大进气量为 ，小于设计最大进气量 ；主甲烷化反应器催化剂床层最高温度为 ，小于设计床层温度 ，满足扩产改造需求；天然气干燥系统吸收塔压差在正常范围内，干燥系统出口天然气露点合格，天然气甲烷含量和热值等符合产品质量要求；天然气压缩机组汽轮机高压蒸汽进汽量 ，低于设计最大进汽量 ，满足扩产改造要求。高负荷试验期间，由于天然气压缩机段间及后冷却器设计余量不足，导致天然气压缩机段间冷却器出口天然气温度平均达 ，高于设计温度 ；后冷却器出口天然气温度平均达 （夏季会更高），高于设计温度 。对此，考虑更换天然气压缩机段间冷却器与后冷却器并适当增大其换热面积，提高设备换热效率及系统运行的可靠性。水处理装置高负荷试验期间，净水站平均供水量为 ，净水站设计最大供水量为 ，满足高负荷运行需求；多效蒸发系统和 套循环水站运行正常，均满足扩产改造需求。中 氮 肥第 期脱盐水站现有 台设计容积为 的脱盐水箱，正常生产中液位控制在 ，最低液位控制在 ，单台脱盐水箱实际有效容积为 。经测算，煤制天然气装置扩产改造后，脱盐水最大流量可达 ，脱盐水站故障时，台脱盐水箱可以承受的缓冲时间只有 ，据以往的故障处理时间测算，其缓冲时间太短，脱盐水箱需扩容。对此，考虑新增 台 脱盐水箱（现场情况满足增设脱盐水箱的要求），以使脱盐水站故障处理缓冲时间延长至 。高负荷试验期间，污水处理装置负荷达 ，浸没式超滤系统保持 套清洗处理、套正常运行，平均进水量为 ，已接近设计进水量 。据实际生产经验，若遇污水水质波动等特殊工况，需同时清洗处理 套浸没式超滤系统，此时 套在运浸没式超滤系统设计进水量只有 ，不能满足污水处理装置运行所需。对此，计划在浸没式超滤系统备用膜池增加 套膜组件及配套设备，以适应扩产改造需求，保证系统长期稳定运行。热电装置高负荷试验期间，热电装置正常发电量不能满足全厂用电需求，需从附近变电站（外电网）下网补充，新天煤化热电装置发电成本约 元（），而下网电价为 元（），导致生产成本较高。其主要原因为粉煤锅炉设计煤种热值为 ，实际煤种热值只有 左右，偏差较大导致锅炉蒸发量不足，造成发电量、供热量不能满足生产所需，加之近年来热电装置 台粉煤锅炉大部分时间处于台在运、台检修的状态 台锅炉运行时系统用热没有调整余量，此种情况下若 台在运锅炉出现异常状况，整套煤制天然气装置必须大幅度减负荷，紧急情况下调整不当甚至会导致全厂生产系统停车。台锅炉运行时，新天煤化全厂小时下网电量大致在 ，而近几年来国家电网公司长期限制下网电量，冬季管控非常严格（一般小时下网电量限制在 以内），只能通过停运部分大机组来平衡用电量；此外，正常生产期间，下网电量达高峰时，若外电网发生故障也会导致全厂停车。对此，可考虑新建 台 高压自然循环固态排渣粉煤锅炉，提高热电装置锅炉蒸发量和发电量，汽轮机、发电机无需新增，一方面可保证煤制天然气装置的安全、稳定、经济运行，另一方面可满足扩产改造需求。结语新天煤化根据煤制天然气装置长期的运行经验，结合高负荷试验情况，研判出了各生产系统扩产改造需求（空分装置、变换系统无需进行改造）及其改造途径，主要扩产改造内容包括：备煤系统环式给煤机优化改造；气化系统新增 台 煤锁气气柜、台 煤锁气缓冲罐；新增 发电系统回收变换冷却系统脱盐水及煤气水分离与酚氨回收系统脱氨水、粗氨气、工艺乏汽、工艺冷凝液余热；低温甲醇洗系统增设 台萃取槽、增设 套富硫甲醇二次闪蒸及废气回收系统、改造净化火炬火炬头；甲烷化系统更换天然气压缩机段间冷却器及后冷却器并适当增大其换热面积；脱盐水站新增 台 脱盐水箱，污水处理装置浸没式超滤系统备用膜池增加 套膜组件及配套设备；热电装置新增台粉煤锅炉。通过上述改造，可保证煤制天然气装置在 负荷下安全、稳定、优质运行。新天煤化煤制天然气装置扩产改造计划投资约 亿元，预计整体实施工期为 ，目前项目可行性研究报告已编制完成，计划 年上半年完成设计及设备、施工招标，年下半年正式开工建设，并利用 年、年大修机会完成原生产系统与扩产改造项目的设备接口施工，确保所有改造项目可在 年底投运。参考文献 吕冉甲基（异）丙基甲酮萃取高浓煤化工含酚废水中酚类物质液液相平衡研究及过程模拟 广州：华南理工大学，刘永健，王波，夏俊兵，等煤制天然气酚氨回收工艺分析与探讨 化工进展，（）：谢正武，齐欣低品位余热资源利用方式的探讨 节能与环保，（）：郝文浩，白延佳低温甲醇洗净化气和尾气中总硫超标的原因及解决措施 化工管理，（）：郭建民，李永亭煤制天然气低温甲醇洗工艺改进与优化探讨 煤化工，（）：，孙青宝低温甲醇洗原始开车硫化氢超标的分析与处理 山东化工，（）：第 期王亚龙：煤制天然气装置扩产改造途径探讨