變換反應熱綜合利用技術的研究與應用

馬偉(內蒙古黃陶勒蓋煤炭有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017313)

0 引言

世林化工30萬噸/年煤制甲醇項目是巴彥高勒煤炭資源配套轉化項目，對保障巴彥高勒煤礦正常生產經營具有重要作用。由于原氣化裝置技術不成熟，存在設計缺陷，導致生產不能正常穩定開展，嚴重影響了企業的經濟運行質量。為此開始進行技術改造。煤制甲醇裝置中，來自氣化系統的粗合成氣經變換系統的兩級變換反應，將H2和CO比例達到甲醇合成反應的要求。由于，變換反應屬放熱反應，經一次變換反應后的粗合成氣(即“一變變換氣”)溫度超出了二次變換反應的溫度要求，需通過熱交換降溫。

1 改造背景及目的

氣化爐能夠副產17t/h中壓飽和蒸汽。原工藝流程是利用氣化爐副產的蒸汽，通過蒸汽過熱器與一變變換氣進行換熱，使其滿足進行二次變換反應的溫度要求。由于，技改前裝置負荷較低且運行不穩定，原工藝流程基本能夠實現換熱目標，但該股蒸汽供應有限，影響換熱效果的情況已有所顯現。技改后，裝置負荷將大幅提升，需要換熱的一變變換氣量將較過去增加近20%，按原工藝流程，必須從鍋爐補充蒸汽，否則僅靠氣化爐副產蒸汽必然無法達到換熱效果。改造前后的一變變換氣換熱工藝流程見圖1、圖2所示。

圖2 航天氣化系統的一變變換氣換熱工藝流程示意圖

世林化工現有無錫光華鍋爐股份公司生產的3臺75t/h煤粉鍋爐，原設計為二開一備，因燃燒器存在缺陷，單臺鍋爐實際產汽能力均不足70t/h，為維持生產必須三臺鍋爐一起開，進入采暖季，則需要關停余熱發電機組才能保證蒸汽平衡。此次技改后，單臺鍋爐產汽量達到70t/h以上，但由于甲醇生產能力的提高，蒸汽總產量應達到220t/h，才能實現平衡，鍋爐及氣化、甲醇等系統生產的蒸汽僅能勉強維持平衡。若技改后，仍按原工藝流程，由鍋爐補充中壓飽和蒸汽，對一變變換氣換熱，必然使蒸汽供應更加緊張，甚至造成蒸汽失衡，影響甲醇正常生產。

2 改造方案

按照改變一變變換氣換熱方式，避免鍋爐中壓飽和蒸汽的補充，且能夠副產蒸汽，增加蒸汽生產來源的思路，對采用蒸汽發生器替代蒸汽過熱器進行理論測算。

2.1 基礎數據

進蒸汽過熱器的一變變換氣參數為：42939.5kg/h(3541.6m3/h，2158.6kmol/h)，溫度447.9℃，壓力3.63MPa，密度12.12kg/m3。

出蒸汽過熱器的一變變換氣參數為：42939.5kg/h(3264.1m3/h，2158.6kmol/h)，溫度389.1℃，壓力3.61MPa，密度13.16kg/m3。

進蒸汽過熱器的中壓飽和蒸汽參數為：102000kg/h(4442.8m3/h，5662kmol/h)，溫度267℃，壓力5.1MPa，密度22.96kg/m3。

出蒸汽過熱器的中壓過熱蒸汽參數為：102000kg/h(4442.8m3/h，5662kmol/h)，溫度286℃，壓力5.07MPa，密度22.96kg/m3。

2.2 計算數據

經查蒸汽熱焓表，中壓飽和蒸汽焓值H1=2795kJ/kg，中壓過熱蒸汽焓值H2=2876kJ/kg。

蒸汽焓升△H=H2-H1=81kJ/kg

蒸汽過熱器的總換熱量Q=△H×M=81×102000=8.26×106kJ/h

世林化工中壓鍋爐水(預熱后的脫鹽水)參數為150℃7.4MPa，假設蒸汽發生器和原蒸汽過熱器的傳熱效率相同，生產227℃ 2.5MPa中壓飽和蒸汽，則蒸發量焓升：△H=2802 -636=2166kJ/kg。

利用蒸汽發生器可生產蒸汽量為：

按排污水系數0.04計算，生產3809kg/h蒸汽，需中壓鍋爐水3961kg/h。

正常運行情況下，三臺鍋爐共消耗脫鹽水200t/h。由于脫鹽水在除氧、預熱、增壓等過程中基本不會出現損耗，因此脫鹽水站的生產能力尚有20t/h的余量。改造項目消耗中壓鍋爐水3.96t/h，因此脫鹽水站現有生產能力能夠滿足本項目需要。

3 結論

通過對改造，可以做到一下三點：(1)優化調整換熱方式。原工藝流程以氣化副產蒸汽為換熱介質，通過蒸汽過熱器對一變變換氣降溫，生產的中壓過熱蒸汽用做空分系統動力蒸汽。本項目以脫鹽水為換熱介質，通過蒸汽發生器對一變變換氣降溫，生產的中壓飽和蒸汽經減壓，作為甲醇系統供熱蒸汽。氣化副產蒸汽經減壓，一并作為甲醇系統供熱蒸汽。(2)緩解蒸汽供應緊張局面。更換氣化爐后，按原工藝流程，需通過鍋爐補充蒸汽，才能滿足一變變換氣降溫要求。本項目實施后不僅不需要增加鍋爐負擔，還能副產中壓飽和蒸汽，能夠明顯緩解全廠蒸汽供應緊張的局面。(3)簡化控制流程。更換氣化爐后，若按原工藝流程實現一變變換氣降溫，需對氣化爐粗合成氣溫度、流量、壓力以及氣化爐汽包副產蒸汽的溫度、流量、壓力等參數進行換算，并結合一變變換氣溫度、流量、壓力，調節來自鍋爐蒸汽的流量、壓力等參數，邏輯控制復雜，操作難度大。本項目實施后，只需要參照一變變換氣溫度、流量等參數，調節脫鹽水的流量即可達到降溫要求，控制造作難度大幅降低。