煤制气项目水平衡及原水中断优化调整措施.pdf

Large Scale Nitrogenous Fertilizer Industry2023 年 6 月第 46 卷第 3 期Jun.2023Vol.46 No.31基本概况国内某煤制气项目选用 4 台粉煤锅炉、3 台汽轮发电机组，3 套空分装置（两开一备），22 台碎煤加压气化炉，分为 A、B 两系列，然后依次经变换、低温甲醇洗、甲烷化、干燥、天然气压缩装置向天然气管网输送天然气；同时设有煤气水分离装置（6 个系列）、酚氨回收装置（3 个系列）对气化废水进行预处理，回收重芳烃、多元烃、混合酚，并向污水处理装置提供稀酚水。为了满足生产需求，保证系统冷量供给，设有净水站、脱盐水站、空分循环水站、热电循环水站、气化循环水站、净化循环水站，其中净水站与脱盐水站分别向全厂提供生产水、脱盐水，空分循环水站向空分、脱盐水站提供循环冷却水，热电循环水站向热电及气化、变换装置提供循环冷却水，气化循环水站向煤气水分离、酚氨回收装置提供循环冷却水，净化循环水站向净化、甲烷化装置提供循环冷却水。为了实现污水零排放，还设有污水处理、生化污水回用、含盐污水回用、多效蒸发等有机、无机废水处理装置。生产中水的来源主要有以下方面。1）取水口位于项目 10km 外的河流，为保障全厂供水，设有供水装置，装置分设一、二、三级泵站，每级泵站均设有泵前水池，每级泵站设有工作泵 2 台，调节泵 2 台，每台工作泵设计输水量 3240 m3 h，调节泵输水量 1080m3 h，入厂区前设有高位蓄水池，水池高 4.1m，最多可存水 40000m3，正常煤制气项目水平衡及原水中断优化调整措施张福亭，梁进仓，张明，张雷（伊犁新天煤化工有限责任公司，新疆伊宁 835000）摘要：介绍了煤制天然气项目生产过程中水的主要来源与消耗，并根据生产工艺特点对生产过程中产生的不同水质的水采取不同处理措施，进行回收利用，实现“高水高用，低水低用，阶梯使用”，减少水资源的浪费。通过全厂水平衡分析，依据水的来源与消耗，对原水中断后生产装置的运行调整提供理论依据，当原水中断时，根据其恢复时间采取最佳的优化调整方案，合理平衡生产，尽最大可能保证化工主系统的安全稳定运行，做好科学调度、合理分配、优化生产、减少损失，实现原水中断影响最小化，安全生产最大化。关键词：原水来源脱盐水制备原水中断循环水消耗节水措施收稿日期：2022-09-27；收到修改稿日期：2023-02-12。作者简介：张福亭，男，1986 年出生，大专学历，工程师，2010 年毕业于克拉玛依职业技术学院精细化学品生产技术专业，现在伊犁新天煤化工有限责任公司生产运行部从事生产调度工作。联系电话：[phone]；E-mail：。生产时存水一般不低于 25000m3，而高位蓄水池向净水站送水量约 1620m3 h。2）气头选用碎煤加压气化工艺，根据煤在气化炉内反应特性不同由下而上依次分为灰层、燃烧层、气化层、干馏层、干燥层，在干燥层煤的表面水分和吸附水分被蒸发随粗煤气出气化炉，粗煤气中的水蒸气经洗涤、冷却、冷凝、分离变成煤气水，然后经煤气水分离、酚回收、污水处理、污水回用等装置处理后，产生可回用的回用水补入系统。气化炉耗煤 666t h，原煤中水含量约 25%，可向系统补水约167m3 h。3）购进的生产辅助性物料，如 32%烧碱溶液、31%盐酸中的水分随酸、碱一起进入生产系统（水量较小暂不考虑）。2不同水质的产生及用途全厂根据水的形态及水质不同，分为原水、脱盐水、锅炉水、水蒸气、冷凝液、排污水、生产废水、煤气水、原料酚水、稀酚水、浓盐水、回用水。在生产过程中依据水质与用途不同采取了不同的处理工艺，实1902023 年第 46 卷现阶梯用水、循环用水，实现节约用水的目的，不同的水质在系统中产生、使用及转换见图 1。图 1不同水质在系统内简易转换流程2.1生产水的制取及用途净水站采用“混凝+沉淀+过滤”工艺制备生产水，来自高位蓄水池的原水（约 1620m3 h）与回用水（约 200m3 h）混合后经管道混合器进入配水井，在进入配水井前、后分别投加入絮凝剂、助凝剂，然后经栅条反应器进入斜管沉淀池，最后经“V”型滤池过滤后送入清水池，产生合格的生产水。清水池最大可储水 16000m3，生产水外送量 1820m3 h，主要用于脱盐水站、热电循环水补水、空分水冷塔洗涤冷却水、热电脱硫装置补水，而公用工程及冲洗水、气化渣池补水等其他间断用水暂不考虑。净水站水源及各装置用水量见表 1。表 1净水站水源及各装置用水量m3 h项目名称流量生产水水源高位蓄水池1620回用水200合计1820生产水用户脱盐水站1150热电循环水380空分水冷塔240热电脱硫装置50合计18202.2脱盐水制备及用途脱盐水站根据水质不同，制水流程分为 3 种，工艺冷凝液制水、汽轮机冷凝液制水、生产水制水。其中工艺冷凝液采用“大流量过滤器+前置阳床+混床”生产工艺将蒸汽冷凝产生的工艺冷凝液和甲烷化反应生成的冷凝液制取脱盐水，制水率在 96%以上，制水量约 850m3 h；汽轮机冷凝液采用“大流量过滤器+混床”生产工艺将汽轮机冷凝产生的冷凝液制取脱盐水，制水率在 98%以上，制水量600m3 h。而生产水制取脱盐水采用“超滤+反渗透+脱碳塔+混床”生产工艺将生产水制成脱盐水，制水率 75%以上，制取脱盐水约 880m3 h。外送总脱盐水量 2330m3 h，外排废水量 270m3 h。脱盐水产量及用量见表 2。表 2脱盐水产量及用量m3 h项目名称流量脱盐水制水生产水（不含甲烷化反应产生的冷凝液）880工艺冷凝液（含甲烷化冷凝液）850汽轮机冷凝液600合计2330脱盐水用户变换除氧器700甲烷化除氧器400锅炉除氧器1100RTO 除氧器70氨水制备20低温甲醇洗洗涤水20其他用水20合计2330生产水制水与甲烷化反应产生的冷凝液制取的脱盐水主要用于氨预洗塔及尾气洗涤塔洗涤水、氨水制备。锅炉及废热锅炉的排污损失、工艺冷凝液及汽轮机冷凝液制水损失、蒸汽及冷凝液管网导淋排放、除氧器顶部排放蒸汽、气化炉入炉蒸汽（气化炉入炉蒸汽经后续装置冷凝后产生煤气水、稀酚水无法进入冷凝液管网回收利用制取脱盐水，所以需要生产水重新制脱盐水进行补充）无法以冷凝液形式返回脱盐水站。2.3稀酚水的产生与来源碎煤加压气化工艺在生产粗煤气的过程中，根据煤质不同入炉蒸汽分解率一般在 3040%，而未分解的蒸汽与煤中蒸发出的水分，随粗煤气一同出气化炉，经后续装置的洗涤、冷却转化为煤气水，进入煤气水分离装置通过重力沉降分离出重芳烃、多元烃，然后经酚回收装置的脱酸、脱氨塔汽提煤气水中的溶解气并制备氨水，由二异丁基醚萃取混合酚后191第 3 期张福亭等.煤制气项目水平衡及原水中断优化调整措施向污水处理输送稀酚水 650m3 h。2.4生产废水的回收利用回用装置分为生化污水回用和含盐污水回用。装置主要采用“隔油池+一级气浮+酸化水解+两级生化+固液分离+混凝沉淀+臭氧氧化+曝气生物滤池+活性焦吸附”处理工艺，脱除稀酚水与甲醇水分离塔的污水、甲烷化废热锅炉排污水等废水中的化学需氧量（COD）、氨氮及大量悬浮物，然后经“澄清+核桃壳过滤器+气水反冲洗滤池+超滤+反渗透”工艺除去水中的悬浮物及盐，制取合格的回用水送至回用水管网。含盐污水回用装置采用“澄清+气水反冲洗滤池+超滤+反渗透”工艺，脱除脱盐水站的超滤反洗水、反渗透浓盐水以及混、阳床再生废水、热电锅炉排污水、各循环水站排污水中的盐与悬浮物，制取合格的回用水送回用水管网。生化污水回用和含盐污水回用装置的超滤反洗水送至污水处理装置，而反渗透的浓盐水则送至多效蒸发装置，将杂盐与水进行分离，分离后的水送至回用水池，杂盐送至危废填埋场进行填埋。生产过程中一部分脱盐水站的废水去热电排污降温池，给锅炉排污降温，然后送至脱盐水站，甲烷化排污与就近的低温甲醇洗污水共用一根管线一起进入生化污水。各装置废水产生量及回用水使用情况见表 3。表 3各装置废水产生量及回用水使用情况m3 h项目名称流量含盐污水回用处理水量脱盐水站排水270热电锅炉排污40循环水总排污量220合计530生化污水回用处理水量稀酚水650低温甲醇洗污水20甲烷化废锅排污20合计690回用水用量空分循环水补水240净化循环水补水430气化循环水补水340净水站补入水200合计1210注：废水处理后得到回用水量 1210m3 h，处理过程中约损耗10m3 h。3生产过程中各装置耗水情况3.1循环水耗水在煤制天然气的过程中，存在气化反应、变换反应、甲烷化反应等反应热，甲醇再生、液氨制备、三甘醇再生等过程中释放热量（再生后的甲醇吸收 CO2时需要先用循环水降温、在液氨制备的过程中氨气溶于水释放的热量需要循环水冷却、三甘醇再生后吸收水分前需要降温），机组压缩热以及锅炉提供蒸汽热，这些能量经综合回收利用后，仍有一些低级别的热量无法回收利用，为维持系统的正常运行，又必须进行冷却降温，一般均采用循环冷却水为系统进行冷却降温。循环水冷却系统中，水的冷却主要通过接触传热和蒸发传热方式。接触传热是热水与空气对流换热，降低水温。蒸发传热为不饱和空气使部分水蒸发，带走循环水中热量，蒸发量越大，冷却效果越好，蒸发损失水即为循环水耗水。水的蒸发导致循环水中的各种矿物质和离子不断浓缩，为了控制循环水系统平衡及水质，需要补充新鲜水，排出部分循环水。本项目中的净化循环水使用回用水补水；热电循环水使用生产水补水；气化循环水即可使用生产水也可使用回用水进行补水；空分循环水分为两路补水：一路为回用水可直接作为循环水补水，补入循环集水池；另一路则为空分水冷塔及空冷塔洗涤降温用的生产水，洗涤降温后直接排入循环水回水管网进入循环水系统。各循环水补水量、排水量、损耗量统计见表 4。表 4各循环水补水量、排水量、损耗量统计m3 h项目补水量排水量损耗量空分循环水48080400热电循环水38050330气化循环水34040300净化循环水43050380合计163022014103.2化工系统主生产工艺耗水1）气化炉内反应耗水。在碎煤加压气化炉内 燃 烧 层 的 碳 与 氧 反 应（C+O2=CO2，C+O2=CO）生成大量 CO2和少量 CO，氧气完全消耗后，碳与CO2反应（C+CO2=2CO）生成 CO，碳与水蒸气反应（C+H2O=CO+H2，C+2H2O=CO2+2H2）生 成 CO、CO2和 H2，同时在气化层内还存在甲烷化反应和变换反应。在气化炉内碳与水蒸气反应需要消耗大量水。2）变换反应耗水。为满足甲烷化合成装置对净化气中 H2与 CO 比值为 3:1 的生产需求，变换装置在催化剂作用下，粗煤气中的部分 CO 与水蒸气发生变换反应生成 H2和 CO2，消耗水蒸气。3）甲烷化反应生成水。甲烷化合成装置在1922023 年第 46 卷镍基催化剂作用下，净煤气中的 CO、CO2与氢气发 生 甲 烷 化 反 应 生 成 CH4（CO+3H2=CH4+H2O，CO2+4H2=CH4+2H2O）。在反应过程中生成大量的水蒸气，水蒸气经后续设备冷凝、降温并入蒸汽冷凝液管网。若将气化、变换、低温甲醇洗、混合制冷、甲烷化、煤气水、酚回收等装置看做整体进行考虑，在正常生产过程中主生产工艺外来水为气化炉入炉蒸汽量、气化炉入炉煤含水量、低温甲醇洗洗涤用水量；外排水量为稀酚水和甲烷化化反应生成冷凝液量；化工系统在生产过程中耗水量约 272m3 h。具体数据见表 5。表 5化工主装置进水量、外排水量统计t h项目流量系统进水量气化入炉蒸汽量810入炉煤中含水量167低温甲醇洗洗涤用水量20合计997系统外排水外送稀酚水量650甲烷化冷凝液产生量75合计725化工系统生产过程中耗水量2723.3热电脱硫装置耗水热电脱硫装置采用氨 硫酸铵法实施烟气脱硫，锅炉引风机出来的原烟气在脱硫吸收塔内经氨水洗涤脱除烟气中的 SO2。在此过程中，水的消耗包括以下几方面：氨与 SO2反应生成硫酸铵的过程中水作为反应物，存在反应耗水；烟气入脱硫吸收温度为 154、湿度为 8.71%，出烟囱烟气温度为53、湿度为 14.6%，存在蒸发耗水，每小时还需要外系统补水约 60t h。而出烟囱烟气中水汽主要来源于：锅炉煤中所含的水蒸发及煤中氢燃烧生成水；烟气脱硝反应生成水；一次风、二次风等入炉前空气中含水；用于 SO2吸收的氨水中含水约10m3 h；生产水向系统内补水 50m3 h。3.4其他水耗损失现场“跑、冒、滴、漏”耗水损失；渣池、事故水池、生化池等漏天水池蒸发损失；除氧器、引射器、冷凝液收集罐等常排蒸气；氨水、重芳烃、多元烃、轻烃等副产品中的含水损失；气化炉渣及污水杂盐、污泥中的含水损失；空分水冷塔污氮气、低温甲醇洗 CO2产品气及尾气等排放气带出水分。综上所述，结合水的来源与消耗情况，根据水质不同产生及用途不同，使用不同处理工艺可以实现水质间的相互转化，若将生产中各种水的来源与消耗看做一个整体，系统外来水与系统外排水见表 6，系统内的主要补水为原水，主要消耗为循环水蒸发。表 6系统外来水与系统外排水m3 h项目流量系统外来水原水供水1620气化原煤中含水167合计1787系统外排水循环水总耗水量1410氨水制备用水20脱硫耗生产水量50主工艺生产耗水272其他耗水35合计17874原水供应中断时用水顺序及操作调整在生产过程中原水向系统补水为 1620m3 h，各循环水站耗水为 1410m3 h，所以当原水出现供应中断时，各循环水站若不能及时补水，将严重影响整个系统的安全运行。为减轻原水供应不足或中断对生产的影响，当原水供应不足或中断时应科学调度、合理分配、优化生产，最大程度的保证系统安全生产，减少生产损失。及时查找供水中断原因及供水恢复时间，若短时间内可以恢复供水，则根据高位蓄水池储水情况计算原水可用时间，调整清水池、循环水吸水池、脱盐水池、回用水池储水量减少原水用量；降低事故水池、事故调解水池、煤气水大罐储水量，增加回用制水量。正常生产各水池储水量见表7。表 7正常生产各水池储水量项目水位 m可用水量 m3正常水位最低运行水位高位蓄水池3.5026250清水池2.71.27500空分循环水吸水池4.03.32300热电循环水吸水池4.03.31800气化循环水吸水池4.03.31700净化循环水吸水池4.03.31700脱盐水箱153.55750合计可用水量47000由表 7 可知，正常生产时各水池储水可用水量为 47000m3，煤气水装置设有 6 个 10000m3的大水193第 3 期张福亭等.煤制气项目水平衡及原水中断优化调整措施罐，正常时大罐液位为 45%，最低运行液位为 40%，大罐富余水量为 3000m3，因酚回收设计负荷为750m3 h，实际运行为 650m3 h，30h 内经酚回收与污水处理后可增加回用水 3000m3，与各水池可用水量综合后系统可用水为 50000m3。由表 6 可知，系统耗水量为 1787m3 h，消耗原水 1620m3 h。所以当原水中断时，系统在不做调整情况下可运行31h。若检修时间超过 31h，主要处理思路是根据检修时长调整系统负荷和装置运行，减少空分、热电、气化、净化循环水耗水量，减少主生产工艺耗水、热电脱硫装置耗水，降低断、缺水影响。因空分循环水主要供空分装置使用，当空分装置一系列停车时，循环水耗水量按 200m3 h 计算；热电循环水主要供发电机组使用，当发电机组全停时，暂不考虑热电循环水耗水；净化循环水供甲烷化、净化装置使用，其循环水耗量与系统负荷成正比，当系统负荷降至 50%时，净化循环水耗水量减半考虑；气化循环水供酚回收装置使用，当煤气水大罐液位处于最低液位时，耗水量与系统负荷成比例关系，脱硫耗水与锅炉运行数量有关；主工艺耗水随系统负荷进行变化。根据缺、断水时间系统依次进行以下调整：1）若检修时间超过 31h，则调整热电发电机组降低发电负荷，可减少热电循环水耗水 330m3 h，系统可运行时间 38.7h。2）检修时间超过 38.7h，除调整热电发电机组外，可停空分一个系列，将化工双系列负荷降至50%，调整后空分循环水耗水量可减少 200m3 h、热电循环水耗水量可减少 330m3 h、净化循环水耗水量可减少 190m3 h、化工主反应耗水量可减少 130m3 h、原煤中供水减少 80m3 h。化工系统减负荷酚回收装置处理水量减少 300m3 h，可通过降低大罐液位以满足酚回收的运行负荷，因煤气水大罐富余水量为 3000m3，仅能维持酚回收正常运行10h，10h 后酚回收装置减负荷，气化循环水耗水量可减少 150m3 h。综上所述调整后系统水量可维持运行 90h。3）检修时间超过 90h，除调整热电发电机组，停空分一个系列外，同时热电停 2 台锅炉，化工主装置单系列 50%负荷运行，调整后可减少空分循环水耗水 200m3 h、热电循环水耗水 330m3 h、减少净化循环水耗水 285m3 h 和反应耗水 70m3 h、原煤中供水减少 125m3 h、脱硫与氨水制备耗水减少40m3 h。系统调整后，化工系统产生的煤气水量减少，煤气水大罐富余水量仅能维持酚回收装置运行5h，随后停运 2 个系列，5h 后气化循环水耗水量可减少 225m3 h，在此运行状态下系统储水量可维持运行 141.5h。4）若供水系统检修超过 141.5h 不能恢复，则化工装置全部停车，维持 1 台锅炉 1 套空分装置运行。最后仍不能恢复供水，直至全厂停车，停止所有用水。5原水中断后其他调整措施为了减少生产过程中对水资源的浪费，实现合理用水，根据不同的水质采用不同的使用方式，遵循“高水高用，低水低用，清污分流，阶梯使用”的原则，从而实现合理用水，达到降低耗水目低。1）生产装置现场采用“双地沟”模式，实现“清污分流”，当生产异常时，将排放水质较差的污水排入污水地沟，送至事故水池。对水质相对较好的水（如生产水、脱盐水、锅炉水等）和雨水、雪水等排入末端水池，将事故水池、末端水池等有关的储水设施液位降至最低，减少系统外的补水。2）因循环水耗水量较大，为减少循环水消耗，应优化各生产装置工况，减少循环水用量，避免循环水换热器换热后出现过冷现象，同时将循环水温调至指标高限。在系统调整负荷时，相关循环水站应及时调整循环水风机运行数量，减少蒸发耗水，从而减少补水。3）为防止煤气水、酚回收、污水处理以及回用装置等相关废水处理装置因高负荷运行出现工况紊乱，导致回用水产生量降低，进一步加剧系统缺水问题，应增强断水期间装置运行的稳定性、可靠性。6结束语通过对整个装置的进水与耗水进行分析，说明水质不同的水经不同处理工艺可以实现相互转化、循环利用，当原水中断时，根据进耗水分析和原水恢复时间进行阶梯处理、科学调度、合理分配、优化生产，实现事故影响最小化，安全生产最大化。WATER BALANCE OF SNG PROJECT AND OPERATION ADJUSTMENT 1942023 年第 46 卷DURING RAW WATER SUPPLY DISRUPTION Zhang Futing，Liang Jincang，Zhang Ming，Zhang Lei（Ili Xintian Coal Chemical Co.，Ltd.，Yining 835000）Abstract：Themainsourceofrawwateranditsconsumptioninacoal-to-naturalgasprojectwereintroduced.Accordingtothecharacteristicsoftheprocess,waterwithdifferentqualitygeneratedfromtheprocesswasrecoveredforreutilizationaftertakingdifferenttreatmentmeasuresinordertoachievethegoalof“cascadeusageofhighqualityforhighuse，lowqualityforlowuse”andtoreducethewasteofwaterresource.Byanalyzingtheplant-widewaterbalance，watersupplysourceandconsumption，aportfolioofwatersupplyregulationincaseofrawwaterdisruptionwaspresented.Whenrawwatersupplywasoff，thetimeofrestorewastakenintoconsiderationtotaketheoptimaladjustingplantobalancetheproductionandsafeguardthemainchemicalsystematitslargestextendtoachievescientificcoordination，reasonabledistribution,productionoptimization，andthereductionofloss，whichreducedtheimpactofrawwaterdisruptiontoitsminimum，andenhancedthesafetyproductiontoitsmaximum.Key words：rawwatersource；preparationofdemineralizedwater；rawwaterdisruption；consumptionofcirculatingwater；watersavingmeasuresEQUIPMENT AND PROCESS DEVELOPMENT OF VARIABLE HEAT EXCHANGE AREA ISOTHERMAL SHIFT REACTORSun Yan，Xu Jie，Xu Renchun（SINOPEC Ningbo Engineering Co.，Ltd.，Ningbo 315103）Abstract：Theregularisothermalshiftreactorcouldntperformwellduringheatingupintheterminalstageofthecatalyst.Soanewvariableheatexchangeareaisothermalshiftreactorwasdeveloped，aswellastheprocessflowwiththenewreactorformethanolsynthesisfromsyntheticgasofcoalgasification.Thispaperdescribedthecharacteristicsandtheadvantagesofthisprocess，andaimedatprovidingreferenceforprocessselectionofsimilarengineeringdesign.Key words：shiftprocess；isothermalshiftreactor；variableheatexchangeareaFu Hao（Zhongan United Coal Chemical Co.，Ltd.，Huainan 232090）Abstract：Highpressureboilerwaterinboilerfeedwatersystemmaintainsthecharacteristicsofhightemperature，highpressureandbeingeasytovaporize，whichoftenleadtofailureofmechanicalseal，evenseriousaccident.Weanalyzedthemainreasonsofmechanicalfailurefrommechanicalsealwashingsystem，themediumcompositionandthesealstructure，andpresentedrelatedpracticalmeasuresforimprovement.Key words：boilerfeedwaterpump；mechanicalseal；washingmode；leakagefailuredioxidestrippingureaunitsduringtheoperationformanyyears，putforwardsomeoptimizationmeasuresfortheprocesscorrosionpreventioncontrolofcarbondioxidestrippingureaunitsmadeofdifferentmaterials，andanalyzedthekeypointsofprocesscorrosionpreventionduringtheproductionprocess.Key words：carbondioxidestripping；ureaplant；leakage；anti-corrosion；controlmeasures（上接第 166 页）（上接第 169 页）（上接第 175 页）