影響煤直接液化裝置反應溫度的主要因素

陳行泉

中國神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司煤液化生產中心 內蒙古 鄂爾多斯017209

引言

反應溫度是影響煤液化加氫深度的主要參數。神華煤直接液化裝置由兩臺串聯式全返混沸騰床反應器組成，其中大部分加氫反應（約70%～80%）在第一反應器內進行，第二反應器加氫反應深度相對較小。

一、裝置介紹

神華煤直接液化裝置由油煤漿制備部分、反應部分、常減壓分餾部分和公用工程系統組成。煤液化裝置首先將原料煤、補充硫、催化劑和加氫穩定裝置來供氫溶劑制備成油煤漿；反應部分是將油煤漿和氫氣在高溫、高壓以及催化劑作用下進行反應生成液化油；常減壓分餾部分是將該液化油和未反應的煤、灰分和催化劑等固體進行分離；分離后的液化油去加氫穩定裝置，含50%固體的減壓塔底油渣送出界區去油渣成型裝置處理。

二、主要因素

影響神華煤直接液化裝置反應溫度的主要因素包括催化劑添加量、煤漿濃度、煤漿溫度、硫化氫含量、氫分壓、進料負荷、氣液比、燃料氣熱值。

1．催化劑添加量

煤直接液化裝置催化劑采用神華自主研制的863合成催化劑，這是一種水溶性的鐵基催化劑，載體為煤粉，由催化劑制備單元提供生產。催化劑的有效成分在氫氣和硫化氫的高溫狀態下，會生成反應所需的活性催化劑。如果催化劑添加量不足，將會降低化學反應速率，減少反應熱，無法維持反應溫度。通過以下方法可維持正常生產。

第一種方法是外引罐區催化劑煤漿。假如罐區催化劑煤漿濃度為25%，外引催化劑煤漿因溫度較低（約為120℃），會降低催化劑煤漿溫度，增加煤漿爐負荷。因此，需外引一部分催化劑煤漿，約30t/h，并適當提高反應器入口溫度，維持反應溫度。

第二種方法是調整催化劑的添加比例。

催化劑煤粉的添加量是根據煤粉量與催化劑中的鐵離子含量進行調整的，按設計要求催化劑煤粉中鐵離子含量與下煤量對應的比例為1∶100。催化劑中的鐵離子含量占催化劑煤粉總重量的6%左右。如催化劑煤粉只供應25t/h進行計算（鐵含量：25t/h×6%=1.5t/h，下煤量：1.5t/h×100=150t/h，按滿負荷下煤250t/h，實際負荷：150t/h÷250t/h=60%），可對應60%負荷的煤粉下料。低負荷運行當中，煤漿濃度偏稀，總進料負荷可維持在60%以上。

2．煤漿濃度

煤漿濃度越稀越有利于煤熱解自由基碎片的分散和穩定。但為了提高反應器的空間利用率，煤漿濃度應盡可能地提高[1]。煤漿濃度提高后，煤漿加熱爐的爐管壓降會增大，物料在爐管內的流速降低，在加熱爐熱負荷不變的情況下，爐管壁溫度將上升，與煤漿較稀時的情況相比，加熱爐傳熱系數降低。煤漿加熱爐管壁正常操作溫度要求≤450℃，可能會有超溫點，可通過降低燃料氣用量進行調節。此外，煤漿濃度提高后，反應器里的反應熱增加，有利于溫升提高，這時第一反應器入口溫度可適當降低，對裝置節約能耗具有重要意義。煤漿濃度過高會造成煤漿加熱爐的爐管壓降過大（爐管壓差要求≤0.25MPa），也會影響煤漿罐攪拌器的運行，所以只可適當提高。

3．煤漿溫度

煤漿加熱爐管壁溫度要求≤450℃，爐膛溫度＜720℃，氫氣爐管壁溫度要求≤620℃。煤漿溫度低可能導致以上參數超過正常指標，煤漿加熱爐管壁長時間超溫，會使個別點結焦，加熱爐運行風險加劇。影響煤漿溫度過低的主要原因有以下幾點。一是回煉污油量過大。由于回煉污油溫度低，回煉過多會降低煤漿罐溫度，對此應調整回煉量。二是煤漿罐伴熱蒸汽量不足。如果在開大溫控調節閥后溫度仍然比較低，可檢查疏水器是否不通。三是煤粉溫度過低。此時，應檢查粉倉伴熱是否有不熱的進行處理。

4．硫化氫含量

系統硫化氫含量過低，催化劑未完全硫化，造成活性降低，煤液化化學反應速率降低，反應放出的熱量少，反應溫度低。硫化氫含量過高，雖然催化劑被完全硫化，有較高的活性，但會增加液硫的消耗，引起酸性氣中硫含量過高，從而造成脫硫裝置失效，部分酸性氣放空，造成環境污染。煤液化反應所需的系統硫化氫含量為1000ppm至1500ppm。在生產運行中要勤測硫化氫含量，根據所測結果及時調整高、低壓注硫量，保證系統硫化氫在正常范圍內。

5．氫分壓

氫分壓越高越有利于煤的液化反應。但壓力的提高會使氫氣壓縮和煤漿加壓消耗的能量也增加，因此需綜合各方面的因素考慮。在系統總壓不變的情況下，要使氫分壓提高，主要是提高系統氫的含量，也就是提高系統氫純度。可以通過以下方法提高系統氫純度。

提高新氫補入量。在系統總壓不變的情況下，提高新氫使用量，在低負荷狀態下可使系統內的氫氣含量增多，氫氣純度相應地提高。在高負荷狀態下，同樣總壓不變，提高新氫補入量后，膜分離系統氣體回收去脫硫裝置和輕烴回收裝置的尾氣排放量會增加不少，因這兩套裝置處理膜分離尾氣的能力有限，會導致部分膜分離尾氣無法回收不得不放空，所以通過提高新氫補入量的方法只適用于系統低負荷時。

當制氫出現故障，新氫量減少時，為維持系統總壓不降，循環氫量將會減少。系統氫純度降低，氫分壓降低。為維持正常反應溫度，反應器內氣液比不能過低，只能根據新氫量減少的情況和氣液比降低的情況降低進料量，以維持正常的反應溫度。

此外，膜分離系統膜部分損壞致使整體膜的提純效果下降，造成氫純度降低。這種情況下，需對膜分離單根膜逐個進行切除試驗，找到影響提純效果差的膜并進行更換。

6．進料負荷

在不同的進料負荷狀態下，物料在反應器內的停留時間也會有所不同。進料量低，物料在反應器內的停留時間就長，時間長則物料反應得就會比較充分，反之則物料不能完全反應[2]。裝置經過多次標定和數據整理發現，現煤液化裝置87%負荷產生的經濟性相對較高。

7．氣液比

氣液比通常用氣體標準狀態下的體積流量（Nm3/h）與煤漿體積流量（m3/h）之比來表示。當氣液比提高時，液相的較小分子將更多地進入氣相，而氣體在反應器內的停留時間遠低于液相停留時間，這樣就減少了小分子的液化油繼續發生裂化反應的可能性，卻增加了液相中大分子的瀝青烯和前瀝青烯在反應器內的停留時間，從而提高了它們的轉化率。氣液比的提高會增加液相的返混程度，這對反應有利。但提高氣液比也會產生負面影響，即氣液比提高會使反應器內氣含率增加，使液相所占空間減少，這樣就使液相停留時間縮短，反而對反應不利。此外，提高氣液比還會增加循環壓縮機的負荷，增加能量消耗。

煤液化反應的氣液比最佳值，應在700Nm3/t～1000Nm3/t范圍內。目前煤液化裝置受系統負荷、補充氫量、膜分離提純效果等多種因素影響，氣液比大概在400Nm3/t～500Nm3/t范圍內[3]。

8．燃料氣熱值

燃料氣熱值的變化直接體現在加熱爐溫度的變化上。熱值低，燃料氣用量大，加熱爐的溫度卻燒上不去，這樣就會導致反應器的入口溫度達不到需求，第一反應器的平均溫度降低。反應溫度低，反應生成的氣體烴類物質排放也會相應地減少，去輕烴回收裝置量的減少將導致燃料氣熱值更低，這將是一個惡性循環。要維持燃料氣量的穩定，就要維持正常的反應溫度。一旦反應溫度因操作不當或其他原因影響到燃料氣的熱值，應及時通知調度，在燃料氣中摻入瓦斯，提高熱值迅速恢復反應溫度。

三、結語

煤液化工藝各項因素變化對煤液化反應溫度的影響是一個復雜的過程，有時是幾種因素同時作用。對此，相關工作人員要認真分析，利用掌握的知識和經驗進行綜合判斷，盡快查找原因進行調整，以維持反應器溫度的穩定，使煤液化生產平穩運行，從而產生良好的經濟效益。