神華煤直接液化示范工程最新進展

張繼明 舒歌平

(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)

★特別報道 ★

神華煤直接液化示范工程最新進展

張繼明 舒歌平

(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)

介紹了世界首套工業規模煤直接液化示范工程的最新運行情況,截止2010年6月30日,示范工程累計投煤運轉5次,累計投煤時間達到4182 h,生產成品油和其他化工產品442653 t。各種數據表明,神華煤直接液化示范工程取得圓滿成功。

煤直接液化 示范工程 進展

AbstractIn this paper,new est p rogressof Shenhua direct Coal Liquefaction Demonstration p lant is introduced.Up to June 30,2010,five runsof coal-in have been comp leted to get accumulative total 4182h of coal-in operation and 442,653t of p roduct oil and chemicals.A ll data show that the Shenhua direct coal liquefaction demonstration p lant has got a comp lete success.

Key wordsdirect coal liquefaction,demonstration p lant,p rogress

神華煤直接液化示范工程是我國實施能源安全戰略的一項重要工程,是世界首套煤直接液化技術工業規模裝置,是我國具有完全自主知識產權的工業化示范工程。示范工程于2005年4月開工建設, 2008年5月全部建成。2008年12月30日,煤直接液化示范項目實現首次投料試車。截止2010年6月30日,示范工程累計投煤運轉5次,累計投煤時間達到4182 h,生產成品油和其他化工產品442653 t,各種數據表明神華煤直接液化示范工程取得了圓滿成功。

1 神華煤直接液化工藝

神華煤直接液化工藝是在充分消化吸收國外現有煤直接液化工藝技術的基礎上,結合國內研究機構20多年的研究成果和國家“863”高效合成煤直接液化催化劑的開發成功,完全依靠自己的技術力量開發的,具有自主知識產權的煤直接液化工藝。該工藝已經在美國、俄羅斯、澳大利亞、烏克蘭等國獲得專利,是世界首個經過工業規模裝置驗證的成熟的煤直接液化工藝。

1.1 神華煤直接液化工藝的主要特點

(1)采用超細水合氧化鐵 (FeOOH)作為煤液化催化劑。由于該催化劑活性高、添加量少,煤炭轉化率高,殘渣中催化劑帶出的液化油少,增加了蒸餾油產率。

(2)煤漿制備全部采用經過一定條件加氫的供氫性循環溶劑。循環溶劑采用預加氫工藝,溶劑性質穩定、成漿性好,可以制備成含固體濃度45%～55%的高濃度煤漿,而且煤漿流動性好、粘度低;循環溶劑采用預加氫工藝,溶劑供氫性能好,加上高活性液化催化劑,液化反應條件溫和;循環溶劑采用預加氫工藝,溶劑具有供氫性能,在煤漿預熱和換熱過程中,能阻止煤熱分解過程中自由基碎片的縮合,防止結焦,延長操作周期,提高熱利用率。

(3)油煤漿加氫采用2個強制循環的懸浮床串聯反應器。強制循環懸浮床反應器內為全返混流,軸向溫度分布均勻,反應溫度控制容易,通過進料溫度即可控制反應溫度,不需要采用反應器側線急冷氫控制,產品性質穩定。強制循環懸浮床反應器氣體滯留系數低、反應器液相利用率高;強制循環懸浮床反應器內液速高,反應器內沒有礦物質沉積。

(4)采用減壓蒸餾的方法進行瀝青和固體物的脫除。減壓蒸餾是一種成熟和有效的脫除瀝青和固體的分離方法,減壓蒸餾的餾出物不含瀝青,可為循環溶劑增加供氫性提供合格原料,減壓蒸餾的殘渣含固體50%～55%;由于使用高活性的液化催化劑,添加量少,殘渣中含油量少,產品中柴油餾分多。

(5)循環溶劑和煤液化油品采用強制循環懸浮床加氫反應器進行加氫。由于強制循環懸浮床加氫反應器采用上流式,催化劑可以定期更新,加氫后的供氫性溶劑供氫性能好,產品性質穩定,操作周期可以無限延長,還避免了固定床反應由于催化劑積炭壓差增大的風險。

1.2 神華煤直接液化工藝的先進性

神華煤直接液化工藝與目前國內外現有工藝相比在以下幾方面具有明顯的先進性。

(1)單系列處理量大。神華煤直接液化工藝由于采用高效煤液化催化劑、全部供氫性循環溶劑以及強制循環的懸浮床反應器,單系列處理液化煤量為6000 t/d干煤。而國外采用鼓泡床反應器的煤直接液化工藝,單系列最大處理液化煤量為2500～3000 t/d干煤。

(2)油收率高。神華煤直接液化工藝由于采用高活性的液化催化劑,添加量少,蒸餾油收率高于相同條件下的國外煤直接液化工藝。

(3)穩定性好。神華煤直接液化工藝采用經過加氫的供氫性循環溶劑,溶劑性質穩定、煤漿性質好,工藝的穩定性好。同時,該工藝采用 T-star工藝進行循環溶劑加氫,使得神華煤直接液化工藝的整體穩定性大大優于國外煤直接液化工藝。

2 神華煤直接液化示范工程概況

神華煤直接液化示范工程按功能可以分為公用工程單元裝置、輔助工程單元裝置和主要生產單元裝置。

2.1 工藝流程

神華煤直接液化項目全部流程包括自備熱電廠,備煤、催化劑制備、煤直接液化、加氫穩定(溶劑加氫)、加氫改質、輕烴回收、含硫污水汽提、脫硫、硫磺回收、酚回收、油渣成型、兩套煤制氫和兩套空分等裝置。全廠總流程見圖1。

圖1 神華百萬噸級煤直接液化工廠示意圖

經洗選后的精煤從廠外經帶式輸送機輸送進入備煤裝置加工成煤液化裝置所需的干煤粉;部分精煤在催化劑制備單元經與催化劑混合,制備成含有催化劑的干煤粉也送至煤液化裝置;煤粉、催化劑以及供氫溶劑,在高溫、高壓、臨氫的條件和催化劑的作用下發生加氫反應生成煤液化油,并送至加氫穩定裝置,未反應煤、煤中無機物和部分重質油組成的液化殘渣經成型后作為供自備電廠的燃料。煤液化油在加氫穩定 (溶劑加氫)裝置的主要目的是生產滿足煤直接液化要求的供氫溶劑,同時脫除部分硫、氮、氧等雜質從而達到預精制的目的。石腦油、柴油餾分送至加氫改質裝置進一步提高油品質量;溶劑返回煤液化和備煤裝置循環作為供氫溶劑使用。

各加氫裝置產生的含硫富氣均經輕烴回收裝置,回收氣體中的液化氣、輕烴,干氣經脫硫裝置處理后回收氫氣。同時,加氫穩定產物分餾切割出的石腦油至輕烴回收裝置做吸收劑,解吸石腦油進一步到加氫改質裝置處理。

各裝置產生的酸性水均需在含硫污水汽提裝置中處理后回收硫化氫。凈化水去生化處理、復用。對于煤直接液化裝置產生的含酚酸性水設置單獨系列處理,經脫除硫化氫和氨后,送至酚回收裝置回收其中的粗酚,污水經生化處理后回用。

煤液化、煤制氫、輕烴回收及脫硫和含硫污水汽提等裝置脫出的硫化氫經硫磺回收裝置制取硫磺,供煤直接液化裝置使用,不足的硫磺部分外購。

各加氫裝置所需的氫氣,由煤制氫裝置生產并提供。

2.2 工藝裝備

神華煤直接液化項目的核心裝置為煤液化催化劑制備和煤液化裝置,均采用具有自主知識產權的中國工藝,均為第一次工業化生產。

2.2.1 煤液化催化劑制備裝置

煤直接液化高效催化劑是神華集團和煤炭科學研究總院承擔的國家“十五”規劃期間“863”計劃課題的一項成果,該工藝經過了煤科院中試和上海PDU連續生產裝置的長周期運轉驗證。該催化劑用部分液化原料煤作為載體,超細水合氧化鐵為活性組分。由于該液化催化劑活性高、添加量少,煤液化轉化率高,殘渣中由于催化劑帶出的液化油少,增加了蒸餾油產率。

2.2.2 煤直接液化裝置

煤直接液化核心裝置,經過干燥和粉碎的煤粉在煤漿制備單元通過添加供氫溶劑及催化劑煤粉制成油煤漿,油煤漿升壓后與氫氣混合在油煤漿預熱爐加熱后進入2個串連的結構相同的反應器,反應器采用類似于美國氫油 (H-Oil)裝置底部帶有強制循環泵的懸浮床反應器,出反應器物料經高壓分離系統和中壓分離系統后,氣體循環,含固液體物料經常壓蒸餾塔回收部分輕質油后,進入減壓蒸餾塔回收全部油品,未反應煤和無機物等通過減壓塔底進入殘渣成型機成型。常、減壓塔回收的油品進入溶劑加氫單元,溶劑加氫單元的主要目的是提高溶劑的供氫性。

神華煤直接液化示范工程為單條生產線,規模為處理洗精煤 (干基)6000 t/d,生產成品油108萬t/a。其處理能力是目前美國、德國、日本百噸級工業性試驗裝置的30倍以上。

3 神華煤直接液化示范工程試車情況

3.1 試車及油品情況

2008年12月30日14時46分,神華煤直接液化百萬噸級示范工程在達到設定的試車條件下,開始首次投煤試車。試車在1/3負荷下開始,至17時30分負荷增加至2/3,經過6 h的運轉,煤的轉化率明顯增加,20時 46分反應溫度升至415℃;23時18分煤漿流量達到420 t/h,裝置達到了設定的負荷運轉。2008年12月31日凌晨4時30分,第一反應器出口達到了設定的455℃,并于7時整液化殘渣在成型機順利成型。12月31日下午14時30分,全廠生產流程打通,生產出合格的石腦油和柴油等目標產品。

示范裝置自2008年12月31日打通全部流程后,連續穩定運轉至2009年1月12日凌晨5時38分結束,連續穩定運轉13 d,連續投煤303 h,說明神華煤直接液化百萬噸級示范工程第一次投煤試運轉成功。但第一次投煤試運轉也暴露了設計上的一些不足,主要存在以下問題:減壓塔熱量不足;煤粉計量輸送系統不能線性控制;催化劑壓濾機負荷不能滿足要求。

針對這些問題,2009年1～8月對裝置實施了較大的技術改造,并于2009年8月31日開始改造后的首次試生產。2009年8月31日至2010年6月30日10個月間,累計進行4次投煤,雖然每次運轉還暴露出設計、設備以及施工上的一些問題,但隨著每次改造消缺,運轉情況越來越好。各種數據表明,神華煤直接液化示范工程取得了圓滿成功。

2009年8月31日至2010年6月30日10個月間,累計投煤3865 h,單次連續投煤最長時間為1501 h,開工率達到62.6%。5次全部投煤時間4182 h。2010年7月15日開始正在進行第6次運轉,目前裝置運轉穩定。在這10個月內,煤直接液化裝置的負荷率最大達到設計的80%;煤的轉化率達到設計的91%,產品收率達到57%(設計值為61%)。殘渣固體含量接近設計的50%。

第一次工業放大的“863”催化劑生產單元經過改造完善后,其生產能力和操作條件完全達到了設計要求,驗證了具有完全自主知識產權的煤直接液化高效催化劑 (863催化劑)在工業放大后的高活性,在添加量小 (Fe/干煤為1.00%)的條件下,神華煤的轉化率達到90.94%,與設計基礎數據完全吻合。

示范項目開車以來,生產各類油品和化學品442653 t,其中成品油278392 t,消耗原煤 (含氣化、自備電廠)132萬t,折合干基煤112萬t。截至2010年6月30日,累計運轉2702 h,累計生產柴油113454 t,石腦油56779 t,液化氣20997 t,加上酚等其他化工產品,生產液體產品近20萬t,銷售額超過10億元。目前,產品銷售市場良好,柴油、石腦油、液化氣等產品和副產品銷售順暢,客戶反映良好。

神華煤直接液化示范工程的核心設備——兩臺世界最大的加氫反應器在運轉過程中操作平穩,軸向徑向溫度分布均勻,完全達到了設計要求。投煤運轉期間的反應器內部軸向、徑向溫度分布數據表明:反應器直徑為4.8 m時,通過分配盤進入反應器的物料沒有發生偏流現象。由于反應器內部的軸向溫度、反應溫度和徑向反應溫度非常均勻,使煤加氫液化反應過程處于最佳狀態,有利于加氫反應進行。

這次示范成功使神華煤直接液化項目成為全世界第一個經歷從試驗室小試 (BSU)、工藝驗證裝置 (PDU),直至百萬噸級工業規模示范裝置驗證的成熟的煤直接液化工藝,中國也隨之成為世界上唯一掌握百萬噸級煤直接液化技術的國家。

3.2 存在的不足

雖然神華煤直接液化百萬噸級示范工程取得了圓滿成功,但離“安、穩、長、滿、優”的理想差距還有一定距離,存在的主要問題有以下3項。

3.2.1 氫氣供給能力不足是目前制約煤直接液化不能高負荷運轉的主要因素之一

兩套殼牌煤制氫裝置通過配煤和優化生產操作,能夠實現連續運行60 d以上,達到90%生產負荷的成績,但還不能達到設計的運轉周期和負荷(國內已開車的殼牌煤氣化裝置情形類似)。目前煤制氫裝置能夠達到的運行負荷和開車周期只有2套煤制氫和1套天然氣制氫裝置同時運轉,才能滿足工廠100%負荷,如果有1套煤制氫裝置故障停車,則供氫能力只能滿足煤液化裝置70%的負荷。

為此,擬增加保安濾芯等技術措施,使煤制氫運轉周期有較大程度延長,同時要進一步優化操作,穩定煤制氫裝置較高的生產負荷。

3.2.2 煤液化裝置中油煤漿加熱爐能力不足

對于油煤漿加熱爐能力不足,解決辦法一是通過優化操作來減少煤漿加熱爐的負荷,具體措施是提高循環溶劑的供氫性,降低加熱爐出口溫度要求,減少油煤漿加熱爐熱負荷,以及在保證油煤漿質量的前提下盡量提高煤漿濃度,增加單位時間處理量,間接減少對加熱爐能力的要求。二是通過改造提高配置煤漿的溶劑油溫度,進而提高入爐油煤漿溫度,減少對油煤漿加熱爐的能力需求。

3.2.3 產品輕質化和溶劑油不平衡

根據生產數據分析,煤轉化率達到90%設計水平。目前產品輕質化、溶劑油不平衡和油品收率低,主要有以下原因。

(1)由于目前沒有滿負荷運轉,反應停留時間比設計的時間長,造成產品輕質化,柴油產量下降等問題,液化氣、石腦油和干氣產量增加。

(2)減壓塔塔底物料原設計固體含量為50%,目前操作最好時達到48%,但大部分時間在45%左右,苛刻條件下操作減壓加熱爐結焦傾向明顯。由于更多的重質油余留在油渣中,造成產品輕質化和溶劑油不平衡,導致油收率降低。

4 示范項目經濟測算

根據示范項目的實際運行情況,對示范項目(先期項目為1條線,一期項目為3條線)進行了經濟測算。項目產品的價格采用中國石化集團公司經濟技術研究院擬推出的“效益測算價格 (2010版)”(即布倫特原油80美元/桶價格體系),同時也采用中國石化集團公司經濟技術研究院曾推出的“效益測算價格 (2006版)” (即布倫特原油50美元/桶價格體系)進行了測算。項目原料的價格以企業在不同原油價格基準下的實際水平為基礎計取。

從先期項目來看,按105萬t/a液體產品量計算,項目產品總成本為3058元/t,折合每桶原油為47.85美元。

從一期項目整體來看,按315萬t/a液體產品量計算,項目產品總成本為3040元/t,折合每桶原油為47.56美元。

采用布倫特原油80美元/桶價格體系的評價結果表明,先期項目投資所得稅后內部收益率為12.49%,一期項目投資所得稅后內部收益率為14.58%,后期增量項目投資所得稅后內部收益率為16.49%,均好于行業基準值10%;而后期增量資本金內部收益率在財務杠桿的作用下,可達到19.21%。

采用布倫特原油50美元/桶價格體系的評價結果表明,先期項目投資所得稅后內部收益率為10.75%,一期項目投資所得稅后內部收益率為12.34%,后期增量項目投資所得稅后內部收益率為13.75%,均好于行業基準值10%;而后期增量資本金內部收益率在財務杠桿的作用下,可達到15.76%。

5 結論

(1)世界首套百萬噸級煤直接液化示范項目經過幾次消缺改造后,裝置運轉平穩、主要工藝參數達到了設計值,產品達到了設計要求,證明神華煤直接液化工藝以及863催化劑技術先進可行,達到了世界領先水平。

(2)百萬噸級煤直接液化示范工程工業化進程是成功的,裝置的運行是安全可控的,在目前狀態下能夠實現較長周期的穩定運行。

(3)按照當前市場產品價格、原材料價格水平,用實際生產消耗指標對項目實現滿負荷運轉時進行經濟效益測算,項目具有較好的經濟效益。通過進一步改造優化、減少原料消耗、提高產品收率,神華煤直接液化示范工廠還有更大的盈利空間。

(責任編輯 康淑云)

Newest progress of Shenhua direct coal liquefaction demonstration plant

Zhang Jiming,Shu Geping
(China Shenhua Coal-to-oil Chemical Co L td Erdos Coal-to-oil Branch,Erdos, Inner Mongolia Autono rnous Region 017209,China)

A

張繼明 (1963-),男,遼寧人,高級工程師,現任中國神華煤制油化工有限公司副總裁,鄂爾多斯煤制油分公司總經理,從事煤直接液化工作7年。