煤直接液化減頂不凝氣并入加熱爐燃燒方案研究

杜海勝 楊 東 王喜武

（中國神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司，內蒙古自治區鄂爾多斯市，017209）

神華煤炭直接液化項目采用神華集團自主知識產權的煤炭直接液化工藝技術。煤炭直接液化裝置（以下稱 “煤液化裝置”）是煤液化項目核心裝置，承擔著將煤炭與循環溶劑油混合成的油煤漿，在一定壓力、溫度及催化劑的作用下，直接與氫氣反應，轉化為液體油品的工藝過程。從2008年年底首次開車運行以來，單次運行超過7000h 以上，實現了長周期穩定運行。煤液化裝置反應后物料固液分離采用減壓蒸餾的技術，減壓塔真空度正常控制在2kPa（表壓）左右，控制減壓塔底固體含量約占總質量的50%來操作，減壓塔頂產生的不凝氣稱為 “減頂不凝氣”，以下簡稱 “不凝氣”。

由于不凝氣實際組成與設計的偏差，以及不凝氣帶液嚴重，至開工以來，一般情況下，都是走現場高點放空。當下雨打雷時容易將排放氣點燃，存在很大的安全隱患。所以，當打雷時須及時改為走低壓放空系統，如脫液不及時，容易造成低壓放空系統凍凝，這樣，既浪費了能源，污染了環境，又容易造成減壓塔的真空度波動，影響減底物料成型，增加生產運行中的工作量。

1 不凝氣組成分析

減頂不凝氣組成的設計值來自石油化工行業積累的數據，與煤液化工業化裝置實際運行組成的值存在很大偏差。實際生產中，不凝氣氣體中氫氣占主要組成，導致大量的不凝氣不能被冷凝下來，標準工況下不凝氣量達1300m3／h，比標準工況設計值452m3／h高848m3／h。主要原因是，氫氣在煤液化產物與石油系油品中的溶解度不同，反應產物中溶解了大量的氫氣。減頂不凝氣組成的設計值、實際值的分析數據見表1。

表1 減頂不凝氣組成的設計值與實際值對比

根據不凝氣組成分析結果可知，不凝氣為可燃氣體，可以作為加熱爐燃料進行燃燒，起到節能的效果。但是，不凝氣的壓力遠低于現用燃料氣壓而難以并入加熱爐，因此需要對加熱爐燃燒器進行改造。現用加熱爐燃料氣組成如下：H2，63.01；O2+Ar，0.18；N2，0.67；CO，3.21；CO2，1.83；CH4，18.81；C2H4，0.1；C2H6，8.59；C3H8，1.3；C3H6，0.08；i-C4H10，0.02；n-C4H10，0.28；i-C5H12，0.39；n-C5H12，0.78；C6+，0.58。從燃料氣組成可以看出，加熱爐現用燃料氣組成中含有1／2 以上的氫氣組分，其次為甲烷組分，與不凝氣組分相似。不凝氣與加熱爐現用燃料氣性質對比表2。從表2中可以看出，不凝氣的密度、熱值、壓力和溫度都沒有現用燃料氣高，其中現用燃料氣的壓力是不凝氣壓力的4.8倍。

表2 不凝氣與加熱爐現用燃料氣性質對比

2 不凝氣利用方案研究

針對以上對不凝氣和現用燃料氣的組成和性質分析，如不采取一定的措施，是不能將減頂不凝氣并入減壓爐進行燃燒利用的。經過對相關設計院和加熱爐燃燒器廠家調研發現，洛陽某石化機械有限公司擁有一種引射技術，高低壓瓦斯氣可以同時在一個燃燒器中燃燒，高壓瓦斯作為引射介質，把沒有壓力的不凝氣引入燃燒器氣槍，與高壓瓦斯混合后噴出進行燃燒，這樣可以節省燃料。更換引射瓦斯槍后，在公稱負荷下，每臺圓形燃燒器發熱量保持不變。同時，瓦斯槍安裝、檢修方便。

2.1 方案研究及核算

2010年煤液化裝置采用引射技術，對減壓加熱爐 （公稱負荷為1.0 MW）兩個爐膛、共16個圓形燃燒器進行試驗改造，即把不凝氣引入圓形燃燒器中與高壓瓦斯氣進行燃燒，改造后燃燒效果可保證燃燒器火焰形狀、顏色、高度等燃燒特性不發生大的改變，加熱爐能夠安全、高效運行。由于實際運行的不凝氣量高于原設計值，同時要考慮減頂抽真空后壓力的要求，原改造的16臺燃燒器無法將所有的不凝氣并入，還有富余，多余不凝氣走現場放空。

根據對燃料氣消耗的標定結果，大約節約了標準工況下燃料氣500 m3／h。后經標定，將所有不凝氣全量配燒后，還可以節約標準工況下燃料氣250m3／h。根據標準工況條件下高壓燃料氣熱值與不凝氣熱值進行平衡計算，得出標準工況條件下不凝氣量為：

6000 kcal／m3×750m3／h÷3422 kcal／m3=1315m3／h；

減壓加熱爐每臺燃燒器配入標準工況條件下不凝氣的量為：

6000kcal／m3×500 m3／h÷3422kcal／m3÷16臺=54.79m3／h；

除了減壓爐配入的不凝氣外，富余的不凝氣還可以配入燃燒器的臺數為：

6000kcal／m3×250 m3／h÷3422 kcal／m3÷54.79m3／h=8臺。

根據以上計算可知，需在現有基礎上再增加8臺低壓燒嘴，才能將減頂不凝氣全部由現場高點直排，改入加熱爐燃燒。

2.2 改造流程設計

經過以上核算，還需8 臺燃燒器才能滿足要求。而氫氣加熱爐共有9臺燃燒器，全部改造后，可將多余的不凝氣并入就近的氫氣加熱爐進行燃燒，在將來負荷調整時，也可以將富余的不凝氣全部并入。其改造流程設計如下：

減頂不凝氣先經過分液罐分液，分液后的減頂不凝氣分兩路分別配入減壓加熱爐和氫氣加熱爐內，然后再分別配入各自的燃燒器中進行燃燒。減頂不凝氣配入加熱爐燃燒流程示意如圖1所示，不凝氣接入燃燒器示意如圖2所示。

圖1 減頂不凝氣配入加熱爐燃燒流程示意圖

3 配燒方案

在低壓火嘴點燃后，保持減壓塔頂不凝氣壓力大于20 kPa，不凝氣進低壓火嘴前壓力大于10kPa，防止回火造成事故。如果壓力偏低，關閉部分低壓火嘴手閥，保持壓力大于10kPa。根據以上對壓力的要求，確定不凝氣配入燃燒器的臺數為：減壓加熱爐16臺，氫氣加熱爐5臺，其余燃燒器作為備用。在此過程中，密切關注減壓加熱爐和氫氣加熱爐的運行情況，以及上游設備的運行數據。低壓火嘴投用期間，注意加強脫液罐脫液。

圖2 不凝氣接入燃燒器示意圖

4 改造效果

改造后，在不凝氣并入減壓爐的同時，將多余的不凝氣體并入氫氣爐中燃燒，燃燒效果良好，能滿足加熱爐的運行要求；解決了減頂不凝氣現場排放的安全隱患，變廢為寶，有效降低了燃料氣的消耗。氫氣爐和減壓爐配燒不凝氣后的燃燒效果如圖3和圖4所示。

圖3 氫氣加熱爐并入減頂不凝氣燃燒效果圖

5 經濟效益分析

在裝置負荷為85%的情況下，根據加熱爐實際運行情況，在加熱爐達到相同熱負荷的情況下，配入減頂不凝氣后，減壓加熱爐和氫氣加熱爐分別可節約標準工況下的燃料氣500 m3／h 和300m3／h，裝置年運行時間按照7440h計算，每年節約標準工況下的燃料氣大約為5952km3，約合3571t；燃料氣以800元／t的價格計算，可節約成本285.68萬元／a。

圖4 減壓加熱爐并入減頂不凝氣燃燒效果圖

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