煤制氫氨裝置燃料消耗高原因分析與處理

黃哲

（中國(guó)石化巴陵分公司，湖南岳陽(yáng)414003）

中國(guó)石化巴陵分公司煤制氫氨裝置采用殼牌粉煤氣化技術(shù)，以煤為主要生產(chǎn)原料，生產(chǎn)無(wú)水液氨和氫氣。煤氣化裝置設(shè)置一臺(tái)日投煤量為0.2萬(wàn)t級(jí)粉煤氣化爐，合成氨產(chǎn)能為43 萬(wàn)t/a，氫氣產(chǎn)能為5 萬(wàn)t/a。主要生產(chǎn)單元包括原料煤的混配、磨煤與干燥、粉煤氣化與粗煤氣的預(yù)處理、凈化、粗氫氣提純、氨合成以及配套的公用工程系統(tǒng)等。

隨著裝置產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整，外供氫氣量逐步增加、合成氨負(fù)荷下降，導(dǎo)致煤制氫氨裝置燃料消耗量呈逐年上升趨勢(shì)，裝置生產(chǎn)成本增加，一定程度上影響了裝置整體競(jìng)爭(zhēng)力。系統(tǒng)分析裝置各燃料氣用戶，針對(duì)性地提出了優(yōu)化控制措施，徹底解決了裝置燃料消耗高的問(wèn)題，提高了裝置經(jīng)濟(jì)性，提升了產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

1 燃料氣及相關(guān)管網(wǎng)流程

煤制氫氨裝置燃料氣包括外供的液化石油氣以及裝置副產(chǎn)的馳放氣，主要為煤氣化及火炬焚燒單元提供所需的燃料，其流程見(jiàn)圖1。

1.1 液化石油氣管網(wǎng)

煤制氫氨裝置所需燃料為液化石油氣，來(lái)自于內(nèi)部?jī)?chǔ)運(yùn)系統(tǒng)液化石油氣罐區(qū)，管輸進(jìn)入液化石油氣管網(wǎng)，再分別送入火炬界區(qū)的工藝、氨酸火炬的長(zhǎng)明燈、火炬頭燃燒場(chǎng)的伴燒氣管路、氣化磨煤干燥單元的長(zhǎng)明燈及伴燒氣管路。液化石油氣管路沿線均采用保溫加蒸汽伴熱措施，同時(shí)在進(jìn)入各界區(qū)后經(jīng)蒸汽氣化后送入各液化石油氣燒嘴，各單元設(shè)施管路均設(shè)置單獨(dú)的流量計(jì)量器具。

液化石油氣作為氣化磨煤干燥、火炬焚燒單元的主要燃料氣，控制入爐煤水分達(dá)標(biāo)、保障火炬長(zhǎng)明燈運(yùn)行正常以及燃燒場(chǎng)燃燒充分。磨煤及火炬焚燒單元均設(shè)有溫度補(bǔ)償線，當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定的控制溫度時(shí)，則自動(dòng)補(bǔ)加伴燒液化石油氣，達(dá)到提高火炬燃場(chǎng)及磨煤?jiǎn)卧h(huán)氣溫度的目的。

1.2 馳放氣管網(wǎng)

該裝置氨合成單元設(shè)有一套普利森馳放氣回收系統(tǒng)，非滲透氣作為馳放氣送入馳放氣管網(wǎng)，替代部分伴燒液化石油氣。

圖1 煤制氫氨裝置燃料氣流程

為控制氨合成塔中惰性氣體（甲烷及氬氣）含量穩(wěn)定，需要從合成塔循環(huán)氣中馳放掉一部分含氫（約65%）、甲烷等組分的合成氣。放出的合成氣先經(jīng)過(guò)一套普利森膜回收設(shè)施，將合成氣中氫氣回收至合成回路大系統(tǒng)內(nèi)，殼側(cè)非滲透氣送入馳放氣管網(wǎng)，用作磨煤干燥、火炬焚燒單元的伴燒補(bǔ)充氣，確保磨煤?jiǎn)卧霠t煤水分、火炬燃燒場(chǎng)溫度及環(huán)保需求。

氨合成塔通過(guò)馳放出循環(huán)氣中一部分氣體，達(dá)到控制合成塔入口合成氣中的惰氣含量即甲烷含量在6%～8%之間，馳放氣的流量與氨合成回路產(chǎn)氨負(fù)荷相匹配。

2 液化石油氣使用情況及存在的問(wèn)題

液化石油氣主要供給公用工程部分的火炬焚燒單元、氣化磨煤及干燥單元使用。公用工程部分火炬焚燒單元液化石油氣消耗包括工藝及氨酸火炬長(zhǎng)明燈、工藝及氨酸火炬伴燒，其中工藝及氨酸火炬長(zhǎng)明燈各一個(gè)，總耗氣量約14 kg/h。氨酸火炬燃燒場(chǎng)溫度主要通過(guò)馳放氣進(jìn)行伴燒，當(dāng)馳放氣流量不足時(shí)增加液化石油氣伴燒。受上游用戶放空氣量及伴燒馳放氣流量以及外界環(huán)境等影響，液化石油氣耗量波動(dòng)較大，一般為0 ～100 kg/h，短時(shí)間最大達(dá)300 kg/h以上。工藝火炬日常生產(chǎn)期間無(wú)放空氣，伴燒氣無(wú)消耗。

磨煤及干燥單元液化石油氣消耗主要為惰氣爐長(zhǎng)明燈與伴燒。正常生產(chǎn)期間投用一盞長(zhǎng)明燈，長(zhǎng)明燈耗氣約10 kg/h，消耗量較穩(wěn)定。惰氣爐設(shè)置一路液化石油氣伴燒及一路馳放氣伴燒，正常液化石油氣消耗量為50 ～500 kg/h。惰氣爐伴燒液化石油氣消耗量受煤種水分、環(huán)境溫度及馳放氣總量影響，波動(dòng)較頻繁。

2017年8月至2018年4月，裝置在運(yùn)行過(guò)程中受諸多因素影響，造成液化石油氣月度消耗偏離年度消耗定值（10.000 kg/m3），最高達(dá)26.031 kg/m3，裝置消耗明顯增加。

3 液化石油氣消耗高的原因分析

根據(jù)液化石油氣在煤制氫氨裝置中的作用，對(duì)裝置全流程各消耗點(diǎn)進(jìn)行分析。

3.1 火炬焚燒單元消耗

火炬焚燒單元設(shè)有工藝、氨酸兩路火炬，其中工藝火炬處理事故狀態(tài)下的工藝系統(tǒng)放空氣，氨酸火炬處理氣化、凈化裝置的冷凝液處理汽提塔尾氣。原始設(shè)計(jì)中主要燃料氣為液化石油氣，后續(xù)裝置技術(shù)改進(jìn)過(guò)程中將氨合成回路產(chǎn)生的高熱值馳放氣引入火炬焚燒單元，與放空氣混合進(jìn)入氨酸火炬進(jìn)行焚燒。

為了保證異常狀態(tài)下火炬放空氣燃燒完全，在工藝及氨酸火炬管路上均設(shè)置有一路液化石油氣伴燒控制回路，當(dāng)火炬頭燃燒場(chǎng)溫度低于150℃時(shí)，聯(lián)鎖啟動(dòng)，控制液化石油氣伴燒閥打開(kāi)，通過(guò)液化石油氣補(bǔ)償來(lái)保證燃燒場(chǎng)溫度≥200℃。

2017年5月裝置大修開(kāi)車后，外界氫氣需求增加，造成氨合成回路弛放氣量減少引起氨酸火炬液化石油氣伴燒閥開(kāi)度較大，液化石油氣消耗量在100 kg/h 以上，偶爾增長(zhǎng)至300 kg/h。同時(shí)在日常控制過(guò)程中，為防止燃燒場(chǎng)溫度過(guò)低，造成燃燒不充分引發(fā)環(huán)境污染，操作人員將燃燒場(chǎng)溫度控制過(guò)高。溫度控制過(guò)高也是造成氨酸火炬液化石油氣消耗高的原因之一。

3.2 氣化磨煤干燥單元消耗

氣化磨煤干燥單元作為氣化爐入爐煤水分的關(guān)鍵控制單元，通過(guò)投加燃料氣焚燒產(chǎn)生的熱量將原煤中水含量（外水＋內(nèi)水）降至入爐煤指標(biāo)范圍內(nèi)（＜2%）。磨煤干燥單元燃料氣主要為液化石油氣，氨合成回路產(chǎn)生的高熱值馳放氣也作為輔助燃料氣送入惰氣爐進(jìn)行伴燒。

2017年5月大檢修后，煤制氫氨裝置負(fù)荷維持在93%以上，氣化裝置原料煤日消耗量為0.21 萬(wàn)t以上，全部需要經(jīng)磨煤及干燥單元，通過(guò)馳放氣及液化石油氣進(jìn)行加熱后達(dá)到降低入爐煤水分的要求。因外供氫氣量增加，氨合成回路產(chǎn)量下降，馳放氣量相應(yīng)減少，送入磨煤?jiǎn)卧母邿嶂雕Y放氣同步減少，為保障磨煤?jiǎn)卧婷盒Ч柙龃笠夯蜌庥昧俊Ｍ瑫r(shí)近期原料煤水分較高，部分煤種水分含量達(dá)17%，混配后原煤水分基本在11%左右，較歷史同期高近1%，原煤水含量高引起烘煤過(guò)程消耗的燃料氣總量增加。

負(fù)荷變化、馳放氣量減少以及煤種水分高均是引起磨煤?jiǎn)卧夯蜌庀脑黾拥脑颉?/p>

4 改進(jìn)措施

針對(duì)上述引起裝置液化石油氣消耗高的原因，分別從系統(tǒng)集成優(yōu)化、工藝關(guān)鍵點(diǎn)控制、原料煤管控等方面采取措施，達(dá)到降低裝置消耗的目的。

4.1 系統(tǒng)集成優(yōu)化，利用高熱值馳放氣部分替代液化石油氣

氨合成回路放掉的部分合成氣經(jīng)普利森膜回收有效氫氣后，外排至燃料管網(wǎng)的馳放氣中氫氣含量約42%、甲烷含量約16%、氮?dú)饧捌渌铓夂考s42%。根據(jù)混合氣體熱值計(jì)算公式[1]，測(cè)算該裝置馳放氣所對(duì)應(yīng)的理論燃燒熱值為11.72 MJ/m3。目前裝置所使用的液化石油氣理論熱值為47 MJ/kg。

通過(guò)對(duì)合成回路馳放氣熱值與液化石油氣燃燒熱值進(jìn)行等價(jià)值的理論核算，以所需要的熱量為基準(zhǔn)，結(jié)合當(dāng)前公司結(jié)算價(jià)格體系進(jìn)行測(cè)算，使用液化石油氣產(chǎn)生的費(fèi)用明顯高于使用馳放氣產(chǎn)生的費(fèi)用。通過(guò)理論測(cè)算，使用高熱值馳放氣替代液化石油氣從經(jīng)濟(jì)性方面完全可行。

考慮到氨合成回路的內(nèi)部平衡，無(wú)限量的增大馳放氣流量，會(huì)造成系統(tǒng)內(nèi)甲烷含量降低，引起馳放氣熱值變化。需要根據(jù)各裝置特點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中跟蹤測(cè)算，確定最終替代量。

4.2 工藝關(guān)鍵點(diǎn)控制

1）火炬焚燒單元的優(yōu)化控制

火炬燃燒場(chǎng)溫度過(guò)低，易造成排放氣焚燒不徹底，污染物排放超標(biāo)，引起環(huán)保事故。操作過(guò)程中，為了提高燃燒場(chǎng)溫度，可通過(guò)開(kāi)大液化石油氣伴燒以及加大馳放氣流量來(lái)實(shí)現(xiàn)。

經(jīng)過(guò)理論測(cè)算驗(yàn)證，逐步實(shí)施馳放氣替代試驗(yàn)，將氨合成回路馳放氣流量提高約200 m3/h，液化石油氣伴燒控制閥可完全關(guān)閉，且可完全滿足氨酸火炬的燃燒場(chǎng)要求，年平均節(jié)約液化石油氣量50 kg/h以上。

將氨酸火炬燃燒場(chǎng)溫度控制范圍進(jìn)一步優(yōu)化，通過(guò)逐步降低至火炬單元馳放氣伴燒量，將燃場(chǎng)溫度控制范圍由調(diào)整前的250℃以上逐步縮小至200 ～220℃。精確控制燃燒場(chǎng)溫度，避免了至火炬單元馳放氣放空過(guò)大引起的浪費(fèi)，同時(shí)可增加至磨煤干燥單元馳放氣流量，燃場(chǎng)溫度控制降低約50℃，相當(dāng)于節(jié)省液化石油氣消耗10 kg/h。

2）磨煤干燥單元的優(yōu)化控制

磨煤干燥單元通過(guò)燃燒燃料氣將原煤中水含量控制在入爐煤指標(biāo)范圍內(nèi)（＜2%），在以往的操作過(guò)程中，將液化石油氣作為主要燃料來(lái)保障惰氣爐燃燒溫度，馳放氣作為輔助手段進(jìn)行微調(diào)。經(jīng)過(guò)上下游協(xié)同調(diào)整，進(jìn)一步開(kāi)展磨煤系統(tǒng)馳放氣替代試驗(yàn)。逐步加大合成回路馳放氣量，將原經(jīng)放空至火炬焚燒單元的馳放氣引入磨煤?jiǎn)卧鳛橹饕{(diào)控手段，通過(guò)加大磨煤?jiǎn)卧鸟Y放氣用量，逐步取代原伴燒用液化石油氣用量。試驗(yàn)證明，增大磨煤?jiǎn)卧诜艢饬髁考s300 m3/h，可節(jié)省液化石油氣用量約70 kg/h。

4.3 原料煤管控

原料煤通過(guò)磨煤干燥后，將原煤中水含量降低至2%以內(nèi)，達(dá)到氣化爐入爐煤水分指標(biāo)。原料煤水含量受煤種產(chǎn)地、原煤運(yùn)輸?shù)扔绊懀斐筛髅悍N中水分波動(dòng)大。通過(guò)多煤種試驗(yàn)，進(jìn)行多元配方調(diào)配，尋找開(kāi)發(fā)更多適合氣化爐使用的新煤種，同時(shí)加強(qiáng)運(yùn)輸過(guò)程中的防水管理，避免外界因素引起的煤種水分波動(dòng)。

5 實(shí)施效果

火炬焚燒單元通過(guò)實(shí)施將馳放氣替代液化石油氣伴燒，合成回路馳放氣量由之前的0.82萬(wàn)m3/h提高至0.88 萬(wàn)m3/h，達(dá)到停運(yùn)火炬焚燒單元液化石油氣伴燒，降低磨煤干燥單元液化石油氣用量的目的，也實(shí)現(xiàn)了裝置的安全、環(huán)保、高負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)加強(qiáng)原料煤水分的管控，采用多煤種試燒，開(kāi)發(fā)新煤種配方等，選用適合氣化爐使用且水含量較低的煤種，降低了烘煤過(guò)程中的液化石油氣消耗。

煤制氫氨裝置各用戶液化石油氣消耗明顯下降，液化石油氣單耗由調(diào)整之前的19.7 kg/m3下降至10 kg/m3以內(nèi)，詳見(jiàn)表1。

表1 改進(jìn)前后煤氣化—合成氨裝置液化石油氣消耗對(duì)比

以煤氣化裝置有效氣負(fù)荷95%計(jì)算，液化石油氣單耗降低9.7 kg/m3，月度可節(jié)省液化石油氣量約95 t。液化石油氣價(jià)格以3 800元/t計(jì)算，月度可降耗約36萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

6 結(jié)論

煤制氫氨裝置燃料液化石油氣消耗高的原因較多，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，輔以理論測(cè)算，針對(duì)運(yùn)行過(guò)程中因生產(chǎn)工藝、裝置負(fù)荷、原料變化等因素進(jìn)行了分析與排查，通過(guò)集成優(yōu)化、優(yōu)化工藝控制以及過(guò)程管控，解決了液化氣消耗高問(wèn)題。

優(yōu)化混配煤方案、開(kāi)發(fā)新煤種配方等，選用適合該裝置氣化爐且水含量較低的煤種，有利于降低裝置能耗、物耗。利用馳放氣替代液化石油氣作燃料，降低了液化石油氣消耗，為裝置進(jìn)一步節(jié)能降耗提供了保障，也為國(guó)內(nèi)同類型裝置降低燃料氣消耗提供了運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。