焦炉煤气分级利用技术研究与应用.pdf

88技术应用与研究引言2020年初以来，受疫情及国际油价双重影响，国内大宗化工产品需求降低，价格陷入低谷，对陕焦公司生产经营产生了较大影响，甲醇价格更是创下近十年来新低。鉴于公司甲醇、合成氨产量均较小、配套的锅炉、空分、转化等装置工艺流程长、综合成本高，而产品的市场竞争力又不强，因此焦炉煤气的价值并没有充分利用。同时，在“双碳”背景下，公司能耗和煤耗指标受到影响，燃煤锅炉运行成本高昂。因此，公司经过调研，决定将焦炉煤气进行分级利用，关闭甲醇生产线，全部焦炉煤气提氢后用于合成氨，提高合成氨生产能力达到设计产能，富碳气用于发电和供热，支撑后续一批耗电、蒸汽量较大的其他产业，以较低成本的电和蒸汽降低其生产成本，以达到煤气价值最大化。项目建设对企业完成产业升级、提高生产技术水平、节能减排、完善产业链，深度发展以焦化为龙头的煤焦电化一体化绿色循环化模式，具有重要意义。一、工艺流程1.膜分离提氢工艺流程简述现有装置中来自精脱硫后煤气，膜分离提氢工艺流程可以分为两个基本过程，一是精脱硫后煤气（以下简称原料气）的预处理过程，二是膜分离过程。原料气预处理包括过滤、预热及预放空。原料气首先进入聚结式过滤器，聚结式过滤器有气液分离和过滤净化的功能，聚结式过滤器下部是用于气液分离的分离段，可初步脱除原料气在精脱硫过程中夹带的水和颗粒物，聚结式过滤器的上部是由若干聚结式滤芯组成的过滤段，原料气在过滤段进一步净化，可通过聚结作用高效脱除极其细小的气液相组分，过滤精度达到0.1m，过滤后的气体露点低于饱和气体露点。经过过滤净化后的干燥气体有利于膜分离器性能的发挥和延长膜组件的使用寿命。经过过滤器净化后的气体进入加热器，在加热器内通过低压蒸汽对精脱硫后煤气进行加热，精脱硫后煤气经过加热器加热至5060，加热后的气体温度远离露点温度，在膜内不会出现液相凝结影响膜的性能和寿命，同时合适的温度条件也有利于膜的性能的发挥。经过过滤加热后的洁净原料气进入膜分离撬块进行分离，膜分离器撬块由多组膜分离器组成，每台膜分离器包括一台膜分离器压力外壳和一个膜芯件构成，膜芯件是用于氢气分离的核心部件，芯件由数以万计的中空纤维丝组成，装填在膜外壳内。原料气从膜分离器下端原料气口进入，在膜丝内外两侧压差作用下，氢气等气体优先透过纤维丝表面，扩散进入到纤维丝内侧。从而在纤维丝内侧得到H2气富集（富氢气）的高浓度渗透气从膜分离器底部输出，经富氢气压缩机加压后送（原）PSA（5A分子筛）提纯氢，非渗透气（富甲烷气）外送，经压缩机加压后送发电系统。2.富氢气增压工艺流程简述富氢气增压系统由活塞式气体压缩机、冷却器及水分离器构成，该工序是将膜分离富氢气（渗透气23500Nm3/h）经两级压缩由0.6MPa加压至3.2MPa(G)，经冷却至40、分离掉油水后，送往PSA（原）提氢工序。3.PSA（原）提氢工艺流程简述从富氢气增压机来23500Nm3/h焦炉气，温度40，压力3.2MPa，进PSA原预提氢装置，该装置工序采用10-2-6工艺，即装置由10个吸附塔组成，其中2个吸附塔始终处于进料吸附状态，其工艺过程由吸附、六次均压降压、顺放、逆放、冲洗、六次均压升压和产品最终升压等步骤组成。冲洗再生气由两部分组成，初级冲洗气来自本装置顺放气，二级冲洗气来自原合成氨装置PSA（二级）的解吸气。十个吸附塔交替进行以上的吸附、再生操作（始终有两个吸附塔处于吸附状态）即可实现氢气的预提浓。4.合成氨工艺流程简述该部分为利用原装置工艺，其流程为：从预提氢来焦炉煤气分级利用技术研究与应用王勇阴创张鹏陕西陕焦化工有限公司【摘要】在多重因素影响下，公司经过调研，决定将焦炉煤气进行分级利用，关闭甲醇生产线，全部焦炉煤气提氢后用于合成氨，提高合成氨生产能力达到设计产能，富碳气用于发电和供热，支撑后续一批耗电、蒸汽量较大的其他产业，以较低成本的电和蒸汽降低其生产成本，以达到煤气价值最大化。【关键词】焦炉煤气分级利用技术；研究；应用【DOI】10.12316/j.issn.1674-0831.2023.15.03089技术应用与研究的富氢气进PSA（5A分子筛）提氢装置，该装置采用10-2-6工艺，该装置的产品气为纯氢气（纯度：99.9%），经与空分制氮来的氮气混合后进甲烷化装置，经甲烷化装置将气体中残余的COCO2O2控制在10ppm以下，送氢氮气循环气联合压缩机，经两级压缩，加压到14.2MPa后送氨合成工序，产品液氨送氨罐储存销售。从氨合成冷交换器来的循环气进联合压缩机循环段，加压到14.75MPa后进合成热交换器循环使用。PSA（5A分子筛）提氢出来的解析气，送出界外去燃气总管做焦化回炉燃气使用。由于此次技改后，氨合成系统制冷能力不足，新上一台 4 号螺杆压缩机，可以与原1、2、3号螺杆压缩机并联使用，其工艺流程为：第一，由氨合成工段2#氨冷蒸发的-15气氨，经管道进入第一气液分离器分离掉夹带的液氨，再进入螺杆氨压缩机1、3、4号进行压缩，压缩至压力1.6MPa，温度 115后进入蒸发式冷凝器进行降温冷却，冷却后液氨进入冰机储槽。第二，由氨合成工段1#氨冷蒸发的0气氨，经管道进入第二气液分离器分离掉夹带的液氨，再进入螺杆氨压缩机2、3、4号进行压缩，压缩至压力1.6MPa，温度 115后进入蒸发式冷凝器进行降温冷却，冷却后液氨进入冰机储槽。冰机储槽液氨去合成氨冷器循环使用。二、全厂自控水平及主要控制方案本项目为重大危险化工生产装置，工艺流程复杂，连续化生产，工艺介质大都具有易燃、易爆，中毒危害的特征，因而应遵循“技术先进、经济合理、运行可靠、操作方便”的原则，根据工艺装置的生产规模、流程特点、产品质量、工艺操作要求，选用控制系统和检测仪表，以保证各装置高效、连续、稳定运行以及异常情况下的安全联锁，保证设备及人身安全。本次技改生产装置和公用工程装置，采用与原合成氨装置相同的集散型控制系统（DCS），以保证其具有丰富的功能和良好的操作性能以及可靠性本次技改的安全联锁应采用独立的安全仪表系统（SIS）实现。本项目所有区域内有毒有害及易燃易爆场所设置必要的有毒、可燃气体检测、报警、控制系统，并将检测信号引入中央控制室采用独立设备进行监视、控制。设置火灾报警系统（FGS），FGS系统主要用来对技改区域进行早期的火焰监测、控制。在技改区域建筑物及工艺装置区设置火灾报警检测装置，包括：感温/感烟探测器、可燃气体浓度探测器、低温探测器、火焰探测器及手动报警按钮等。并通过声光报警指示发生危险的区域。采用工业电视监控系统（CCTV）用于对技改区域内生产及保安监测点进行直观图像观察。1.控制水平及控制方案本项目生产装置和公用工程装置，采用与原合成氨装置相同的集散型控制系统（DCS），以保证其具有丰富的功能和良好的操作性能以及可靠性。本项目的安全联锁采用独立的安全仪表系统（SIS）实现。原有的合成氨装置的紧急停车系统和安全联锁系统由独立设置的紧急停车系统（ESD）实现。2.仪表类型第一，控制系统（DCS）选用国内著名厂商的产品，这些产品在同类型或类似的装置中具有使用业绩。第二，配置较完善且满足精度要求的能源消耗、产品计量等检测仪表。第三，该装置为爆炸危险场所，安装在火灾和爆炸危险场合的电动仪表符合危险区域防爆等级的要求。优先采取本安防爆型仪表，当无法实现本安防爆时，采用隔爆型仪表；安全仪表系统为使工作可靠，减少系统环节，选用隔爆型仪表。第四，安装在现场的仪表为全天候型，满足现场使用环境条件，并符合相应防护等级要求。第五，仪表接液部件的材质附合工艺介质要求。第六，机组的检测仪表和控制系统一般由设备制造厂成套提供，所提供的仪表和控制系统具有将重要的工艺参数引入DCS控制系统进行监控的能力。3.仪表选择现场检测用变送器选用先进、可靠、性能优良的带HART协议的智能型电子仪表；位于爆炸危险区内的仪表选型为相应的本安型或隔爆型仪表产品。所有现场仪表是全天候的，具有相应防护、耐气候及耐大气腐蚀的能力，最低相当于IP65的要求，安装于井内有可能被水淹没的仪表防护级别选用IP68。项目所在地区冬天气温低，现场仪表管线和变送器采取伴热保温防冻措施，安装在保温箱中。用于安全仪表或可靠性要求高的场合，检测仪表采用“三取二”冗余设置。本着技术先进、性能可靠，操作维护方便，经济合理等原则，关键设备如分析仪、调节阀等选用国内外著名品牌外，其余采用国内著名企业或合资企业的优质产品。（1）温度仪表集中检测控制的温度元件选用铠装热电阻或热电偶。就地温度仪表选用双金属温度计。所有温度计均采90技术应用与研究用温度计套管，材质与工艺管道或设备同级。（2）压力仪表集中检测控制的压力（差压）测量采用智能型压力（差压）变送器，对于腐蚀介质可采用隔膜密封型压力（差压）变送器。就地压力测量根据工艺介质情况选用不锈钢弹簧管压力表、隔膜式压力表及耐震压力表；在潮湿及存在腐蚀性气体的场所选用耐腐压力表。（3）流量仪表集中流量测量，选用标准孔板、平衡式流量计配差压变送器、金属管转子流量计。原料、产品等计量精度要求高的场合，选用质量流量计；公用工程消耗计量选用电磁流量变送器或超声流量计。就地流量仪表选用金属管转子流量计。（4）液位检测仪表液位检测仪表，选用磁翻板液位计+液位变送器、双法兰差压变送器、智能型差压变送器、磁致伸缩液位计、雷达液位计等。就地液位显示选用磁翻板液位计。液位计满足耐腐蚀及全天候使用要求；满足防爆及温度组别要求。（5）调节阀工艺系统调节阀、控制阀选用气动调节阀、切断阀；配套采用智能型防爆电/气阀门定位器，防爆型两位三通电磁阀。调节阀选用国内外著名品牌或著名企业或合资企业的优质产品。（6）分析仪表根据工艺操作对生产过程中成分分析的不同要求采用不同的在线分析仪，包括工业气相色谱仪（PGC）、微量水分析仪、热导式分析仪、红外分析仪等。装置区为甲类火灾、2区爆炸危险场所；爆炸危险区域，选防爆型分析仪表。并配套分析小屋或防爆分析仪表柜。该装置中存在有毒及易燃易爆气体，故在装置区及罐区均设置有毒及可燃气体检测报警系统，以保证装置和人身安全。三、工艺路线与工艺技术1.分级利用工艺路线研究本项目在原有焦炉煤气制甲醇，弛放气合成氨的工艺路线基础上进行升级改造，煤气自加氢脱硫后直接进入膜分离提氢装置，后经富氢气提压装置增压，并利用原有PSA（5A分子筛）提氢、原有深冷空分装置的氮气、氮气脱氧增压、优化原有合成氨装置，提高合成氨生产能力和降低消耗，生产合成氨。提氢后的富甲烷气（非渗透气）外送发电、PSA提氢解析气外送焦化作回炉燃气等主要生产装置。2.分级利用工艺技术选择通过对多种工艺技术比较选择，依据工艺特点及下游工序对气体的要求，并结合陕焦公司现场实际设备工艺情况，充分考虑建设周期、投资、H2回收率、装置占地面积等方面的综合因素，该项目选用膜分离气体分离方法。新增一套膜分离装置，进行预提氢（一级），再利用原合成氨装置PSA工序（二级）组合成气体分离装置。通过两级分离，最终将焦炉煤气中的H2（纯度：99.9%）提取出来。3.现有装置利用及技术改造该项目充分利用原有的焦炉煤气储运、压缩、加氢精脱硫、氨合成、公用工程等生产装置，包括本次技术改造装置区内的所有生产设施、公用工程设施、辅助工程设施、环保设施、消防、安全、道路等。并对已经运行七年多的合成氨系统一并进行了优化改造，更换氨合成冷交为700换热面积200m2以上，更换闪蒸槽为1600，新上一台常压低温液氨全容储罐。四、应用情况及推广应用前景膜分离法是20世纪90年代开始在工业上采用的气体分离方法，膜分离技术应用于气体分离近年发展的成果，具有以下特点：第一，流程短、操作维护简单、装置占地较小；第二，工艺技术先进、用于气体分离时产品气压降小、渗透气和非渗透气压力损失相对少、设备结构简单、安装方便；第三，建设周期比深冷及变压吸附分离法短,投资省、能耗低、经济效益好。但该法不足之处在于：第一，产品气纯度远比深冷分离法、变压吸附法低。第二，膜寿命的问题，由于气源中，不可避免的会由于各种原因，而夹带有机物、液体、灰尘，而在膜中必然会累积起来，并引起膜的溶胀、堵塞等问题，进而导致膜的出力下降，并最终报废；因而进膜前除尘、气液分离、有害杂质清除要求高，从而增加投资。第三，膜组件为易耗品，其更换成本非常高。且膜分离法在煤化工领域的应用时间较短，很多问题还没有暴露出来。本项目依据公司现状，充分利用公司原有装置，将膜分离法与变压吸附法结合起来，达到性能要求的同时，尽可能减少能耗与投资，获取最大收益，为膜分离法在煤化工行业的应用做出了大胆尝试，具有广泛的推广应用前景。参考文献：1邓永存，谭晓莉.煤热解分级利用技术现状与发展J.煤化工，2021，49(06):79-83.（下转第247页）247综述与采购，2022（22）：53-55.3宣洪福，董旻霞.采购管理数字化转型实践J.中国电力企业管理，2022（27）：58-59.4李红平.石油企业物资采购成本管理与控制策略探究J.中国物流与采购，2022(05):107-108.5王耀刚.石化企业物资的采购与管理研究J.中国物流与采购，2021(14):72.6雷成.互联网信息化在石油企业物资采购管理中的作用分析J.中国物流与采购，2020(11):44-45.7孙子晓.信息化技术在石油物资采购中的应用J.石化技术，2020，27(05):273+275.（上接第3页）（上接第84页）断辅助检测工作的完善，让检测工作更加富有价值。四、结论总而言之，无损检测技术在承压类特种设备检测检验中的应用具有十分关键的作用和价值，能够降低设备生产过程中出现质量问题的可能性，在进行设备应用的过程中，也能增加维护工作的科学性，防止设备应用产生安全方面的问题。因此，应当充分应用无损检测技术，发挥无损检测技术的科学性，使设备检测工作得到相应的发展。参考文献：1孙越.简析无损检测技术在特种设备检验中的运用J.工程技术(文摘版)，2016(7):00015-00015.2唐丽.简析无损检测技术在特种设备检验中的运用J.民营科技，2016(3):1.3彭武强，李昌盛，木贵军.无损检测技术在承压类特种设备检验检测中的应用J.科技创新与应用，2023，13(6):5.4董绍勇.探析无损检测技术在承压类特种设备检验中的应用J.科学与信息化，2022(13):82-84.2张波.膜分离和PSA技术在甲醇合成驰放气氢回收装置的应用及运行情况分析J.云南化工，2020，47(08):127-130.作者简介：王勇（1973），男，汉族，陕西渭南人，本科，工程师，研究方向：煤化工。（上接第90页）去除煤气中的焦油灰尘，再通过定期的反冲洗水对纤维进行冲洗再生，该技术投资成本低，主要为设备费用，且维护成本较低。该技术主要应用于煤气净化领域，因此可以在煤化工的煤气净化领域进行有效推广。2.存在的问题焦炭、活性炭吸附煤气净化技术，其运行方式为静态状态，运行过程中仅关注进出口压差值，当达到0.1MPa时便需要进行蒸汽热洗，当发现热洗也无法降低其压差时，则需对其活性炭和焦炭予以更换。静态运行，设备故障率低，而且更换周期为一年时间，运行周期也相对较长。但是Anhorn除雾除尘器煤气净化技术的运行方式为动态运行，其每小时都需要自动启泵对其反洗，其问题就是泵容易出现故障，再者就是自控系统也存在故障风险。其运行过程中主要观测其进出口压差，当压差运行大于500Pa时，且反洗也无法降低时，则需要用洗油对纤维床进行彻底清洗。同时在运行过程中发现反洗后，进出口压力数据波动较大，压差会出现负数，运行30min后压力数据才逐步恢复正常，对数据判断有一定的影响。参考文献：1周宇.煤化工水煤气净化装置的管理提升与优化改造J.化工设计通讯，2022，48(10):7-10.2辛宏伟，王生军.焦炉煤气净化装置洗萘工序的设计与研究J.化学工程与装备，2016(06):178-179.作者简介：阴创（1982），男，汉族，陕西铜川人，本科，工程师，研究方向：煤化工和环境工程。（上接第123页）