兩段式干煤粉加壓氣化技術在300 kt／a甲醇裝置上的應用

陸瑞平

（鄂爾多斯市烏審旗世林化工有限責任公司，內蒙古烏審 017313）

甲醇及下游產品

兩段式干煤粉加壓氣化技術在300 kt／a甲醇裝置上的應用

陸瑞平

（鄂爾多斯市烏審旗世林化工有限責任公司，內蒙古烏審 017313）

介紹以兩段式干煤粉加壓氣化為龍頭的300 kt／a甲醇裝置的流程配置，工程建設情況，開車過程中出現的問題及解決措施，并總結設計、運行等方面的經驗教訓。

兩段式干煤粉加壓氣化；甲醇裝置；流程配置；開車；問題

0 前 言

鄂爾多斯市烏審旗世林化工有限責任公司，是山東淄博礦業集團公司控股、鄂爾多斯市尤氏投資公司參股的國有控股企業，公司成立于2005年。4×300 kt／a煤制甲醇生產線，與其配套的是面積為65．3平方公里、儲量為10．42億噸的巴彥高勒礦井田，是公司依托當地豐富的煤炭資源在國家級煤化工基地出資建設的新型綠色能源項目。

公司位于鄂爾多斯市烏審旗烏蘭陶勒蓋鎮，地處毛烏素沙漠腹地。烏審旗位于內蒙古鄂爾多斯市西南部，旗府駐地嘎魯圖鎮距鄂爾多斯市212公里，距省會呼和浩特市450公里，地理位置十分便利，煤化工產品運輸很方便。

4×300 kt／a（一期工程300 kt／a）煤制甲醇項目，其工藝路線采用西安熱工研究院自主開發的兩段式干煤粉加壓氣化技術制合成氣，經一氧化碳耐硫變換、低溫甲醇洗、冷凍、低壓甲醇合成及甲醇精鎦最終制得合格產品甲醇；運用EDS和DCS系統對全廠工藝生產裝置實施集中監視、控制和管理，不僅技術先進、經濟合理，而且運行可靠、操作方便。兩段式干粉加壓氣化技術屬國家863科技計劃項目，氣化爐新技術已獲得國家專利［專利號ZL01131780．9；ZL200520079041．0］，具有自主知識產權。兩段式干煤粉加壓氣化制甲醇被稱為綠煤產業。

該項目于2012年8月31日投產，生產出合格的甲醇產品，標志著兩段式干煤粉加壓氣化技術在煤制甲醇裝置上成功應用。

1 甲醇項目流程配置

選定的全流程配置為，以當地煤為原料，采用日投煤量1 000 t的兩段式干煤粉加壓氣化裝置生產粗合成氣，粗合成氣經甲醇裝置生產精甲醇，同時設置硫回收裝置，從甲醇裝置酸性氣體脫除工序再生的酸性氣體中回收硫磺。設置原料煤貯運，成品罐區及全廠火炬系統及相應的公用工程和輔助生產設施。

氣化裝置需要的氧氣、氣化裝置及甲醇裝置等需要的氮氣由空分裝置提供；全裝置需要的開車蒸汽及正常生產需要的補充蒸汽由3臺75 t／h鍋爐提供。

1.1 氣化裝置

氣化裝置主要由磨粉和干燥、煤粉加壓輸送、煤氣化、除渣、濕洗、灰水處理、公用系統等工序組成。

其工藝流程為，從煤粉給料倉（V03205A／B）來的煤粉與輸送煤粉用的高壓氮氣經計量后，送入煤燒嘴（A03301A／B／C／D／E／F）的中心管（煤粉給料倉為2臺，每一臺供應氣化爐的2個燒嘴）；來自空分裝置的4．52 MPa（G）、25℃的氧氣經氧氣預熱器（E03309）加熱到180℃后，與少量中壓過熱蒸汽混合進入燒嘴的外環隙。在氣化爐內，由4個煤燒嘴噴入的煤粉與氧氣發生部分氧化反應，氣化壓力4．0 MPa（G）；反應后的高溫煤氣（1 400～1 600℃）在氣化爐出口被高壓循環水激冷至900℃左右，進入煤氣激冷罐。煤氣經過水激冷和洗滌后，溫度降至340℃左右，進入濕洗工序。

自煤氣激冷罐（V03302）來的3．88 MPa（G）、340℃左右的煤氣，與來自洗滌塔（C03501）底部的174℃洗滌水經文丘里洗滌器（J03502）混合洗滌后，送入洗滌塔底部，在此氣水混合物初步分離，氣體上升與塔頂噴淋下來的洗滌水逆流接觸，除去煤氣中的NH3、HCN，以及HCl、HF和微量的固體顆粒，洗滌后的被水飽和了的171℃煤氣送往甲醇裝置的變換工序。

從氣化工序來的渣漿排放水和從濕洗工序來的酸性排放水分別送到中壓閃蒸罐（V03601）閃蒸，中壓閃蒸后的閃蒸氣分別經中壓閃蒸氣冷凝器（E03601）和中壓閃蒸氣水冷器（E03602）冷卻到40℃后送至中壓氣液分離罐（V03603），分離出來的氣體送至硫回收裝置，冷凝液送至循環水緩沖罐；中壓閃蒸后的灰水送至真空閃蒸罐（V03602）進一步閃蒸，閃蒸出來的氣體經真空閃蒸氣冷卻器（E03604）冷卻至40℃后送至真空氣液分離罐分離，分離后的氣體排空，冷凝液經真空閃蒸冷凝液泵（P03602A／B）增壓后送至循環水緩沖罐，真空閃蒸后的灰水經真空閃蒸灰水泵（P03601A／B）加壓、真空閃蒸灰水冷卻器（E03603）冷卻至50℃后送至澄清槽（S03601）。

澄清的灰水溢流入澄清槽溢流罐（T03601），經澄清槽溢流泵（P03605A／B）加壓，除部分排放外，其余循環使用，澄清增濃的灰漿經澄清槽底流泵（P03604A／B）送到真空帶式過濾機（S03602）過濾［用過濾機真空泵（P03608）抽真空］，濾液經收集后用濾液泵（P03606A／B）送回澄清槽。濾餅含碳量較高，送至煤場與原料煤混合后再次氣化。

氣化爐內氣化產生的高溫熔渣，自流入氣化爐下部的渣池，高溫熔渣經激冷后形成約1 mm大小的玻璃體；來自氣化爐下部渣池的濕渣經破渣機破碎后送至渣收集器貯存，通過渣鎖斗排入渣脫水槽，經撈渣機將濕渣撈起后再由運渣皮帶機送至臨時渣場貯渣斗貯存。氣化爐渣可作建筑材料或用于鋪路基。

1.2 甲醇裝置

甲醇裝置由一氧化碳變換、酸性氣體脫除、合成氣壓縮、甲醇合成、甲醇精餾、氫回收、冷凍等工序組成。其工藝流程為，氣化裝置來3．7 MPa（G）、163℃粗合成氣首先進一氧化碳變換工序，經變換后變換氣中一氧化碳含量約為19．4%（體積分率；干基）；變換氣冷卻到40℃后，進低溫甲醇洗工序制取合格的合成氣，并將其壓縮到8．0 MPa后進行甲醇合成，粗甲醇經過中間貯罐送甲醇精餾裝置，精餾裝置制取的精甲醇送甲醇成品罐區。低溫甲醇洗裝置再生CO2氣體經CO2壓縮機加壓后送氣化裝置作為煤粉輸送用氣；氣提尾氣送鍋爐煙囪排放；酸性氣體送硫回收裝置生產硫磺。甲醇合成弛放氣經氫回收工序分離出來的氫氣直接回收到合成氣壓縮機進口，與新鮮氣混合后進合成系統；分離出的尾氣送氣化磨煤系統作燃料氣用。低溫甲醇洗裝置需要的冷量由冷凍工序提供。

1.3 硫回收裝置

硫回收裝置由克勞斯硫回收工序和硫磺包裝貯運工序組成。其工藝流程為，來自甲醇裝置低溫甲醇洗工序的酸性氣體，采用克勞斯分流法工藝，使1／3的酸性氣體在燃燒爐中與全量空氣燃燒，剩余2／3的酸性氣體自燃燒爐混合室后部送入，進行克勞斯催化反應；采用三級克勞斯反應器，在催化劑的作用下繼續進行克勞斯反應，反應后的過程氣進入三級硫冷凝器冷凝分離出液體硫磺。液硫經切片機切片、包裝后送硫磺倉庫儲存。克勞斯尾氣送鍋爐焚燒脫硫后與鍋爐煙氣一起從煙囪排放。

2 工程建設及開車總結

2.1 氣化裝置

氣化裝置為西安熱工研究院有限公司自主開發的日投煤量1 000 t的兩段式干煤粉加壓氣化裝置，該技術基本是由SHELL氣化技術演變而來，該裝置在國內來說是第一套，在國際上也是第一套，設計上存在一些問題。

（1）氣化爐出口煤氣被高壓循環水激冷至900℃左右，進入煤氣激冷罐。該設計是在SHELL出口冷煤氣激冷降溫和陶瓷過濾器濾灰的基礎上改進而來的，存在如下問題。

①氣化爐激冷水噴頭位置積灰嚴重，清理爐膛積灰十分危險，從爐膛下部無法清理，只有從頂部割開水冷盤管，從頂部進入清理。渣的強度很高，爐內通徑幾乎被堵死，氣化爐到輸氣管的壓差高達0．6 MPa；同時，頂部有氮氣平衡管，控制爐內和環隙間壓力平衡，而高溫激冷水在氣化爐內參與反應，降低了合成氣的有效成分，只有78%左右，與原設計的有效氣成分90%相比，下降12%。

②將SHELL爐陶瓷過濾器改為激冷罐后，存在的問題是，激冷罐內積灰嚴重。水煤漿氣化爐下部激冷室底部的灰渣直接去破渣機，而該激冷罐底部出渣水管道太小（DN200），無法滿足排渣水的要求，因此很容易堵塞，循環水無法加量，造成合成氣中帶灰嚴重。

③進洗滌塔前文丘里沒有按水煤漿氣化的設計要求，還是按SHELL氣化爐來設計，殼牌爐合成氣經陶瓷過濾器過濾后粉塵達到40 mg／m3以下，而用激冷罐工藝就達不到陶瓷過濾器的過濾效果，洗灰效果極差，造成洗滌塔內塔板堵塞；洗滌塔阻力增大到20 k Pa以上時，洗滌塔帶水嚴重，直接影響變換工序生產，經常因合成氣帶水嚴重而被迫停車，經濟損失慘重。

（2）氣化爐灰水處理系統設計不合理。

①灰水處理系統只設計一套系統，無法滿足系統長周期穩定運行，一旦灰水系統出現泄漏或者管道堵塞等情況，必須停車。

②灰水系統只設計中壓、真空閃蒸兩級閃蒸，閃蒸不徹底，造成灰水中殘留的有毒有害物質脫除不達標，循環水再生不完全，洗滌效果差，也是造成激冷罐和洗滌塔洗滌效果差而極易堵塞的重要原因。因此，系統必須改造才能滿足生產需要。

③灰水系統澄清槽設計不合理。澄清槽進液位置設計不合理，灰水和絮凝劑不能充分混合；同時，澄清槽體積太小，沉降時間嚴重不足，灰水分離效果極差，灰水含灰量嚴重超標，不能滿足生產要求，不能保證長周期運行。

④灰漿過濾機設計為一臺真空過濾機，一旦真空過濾機出現故障，就不能及時過濾灰漿，造成灰漿在系統循環，灰水更加不達標，對合成氣洗滌造成極大影響。

（3）氣化采用干煤粉加壓氣化，煤粉極易著火和發生粉塵爆炸；而公司地處我國西部，冬季天氣極其寒冷，氣化框架封閉存在重大安全隱患。如不封閉，冬季防凍工作極難控制，許多儀表、水管及伴熱管極易凍堵，2012年冬季就因此無法開車，造成嚴重虧損。

（4）開車初期采用氮氣密相輸送煤粉，合成氣中含氮量相當高，達到20%，對甲醇生產極其不利；同時，受高壓氮氣壓力的限制，氣化爐壓力只能達到2．8 MPa，對凈化生產影響極大，凈化氣CO2含量超標，氫碳比失調。

（5）氣化爐爐頂壁超溫，主要原因是氣化爐爐頂氮氣平衡管不能有效控制爐內合成氣倒流到氣化爐環隙，合成氣倒流到環隙造成氣化爐爐頂壁溫嚴重超標，不能滿負荷生產，氣化爐不能提到設計壓力，是該氣化爐致命的弱點。目前還沒有解決的良策。

（6）該裝置已采用CO2密相輸送煤粉，可以解決合成氣氮含量高的問題，但是粗合成氣中CO2含量高達20%，增加了酸脫系統負荷，凈化氣中CO2含量超標。

2.2 甲醇裝置

2.2.1 變換工段

變換工段按高汽氣比和高CO含量來設計的，設計有2臺變換爐，一變爐裝填催化劑7．5 m3、二變爐裝填催化劑40 m3；一變爐進口合成氣中CO含量高達55%～60%、水氣比1．0，而且還需防止一變爐超溫，因此一變爐催化劑裝填量很小。但在實際生產中，一變爐進口合成氣中CO含量只有48%，不能達到設計要求，且粗合成氣中含粉塵量較高，對一變爐催化劑影響極大——一變爐催化劑的低溫活性特差，再加上合成氣溫度沒有達到設計指標，因此每次開車接氣都非常困難，而且靠一變爐進口閥控制進氣量，其余氣量都分配到二變爐和氫碳比調節副線。

針對變換工段的實際情況，決定進行如下技術改造。

（1）在一變進口增加加熱器，原始開車時可以先用低壓氮氣5 000 m3／h進行變換爐升溫；在開車或者生產過程中合成氣溫度偏低時可以直接升溫，保證生產正常。此項技改每年可節約50萬元，同時可節省變換倒盲板的工作量。

（2）原設計變換添加飽和蒸汽對一變爐進口溫度影響很大，其溫度低，不能滿足一變爐要求，一變爐極易垮溫，改用中壓過熱蒸汽后，能維持一變爐爐溫。

（3）氣化合成氣中含氨量高，變換氣水冷器（E15105）溫度在40℃時，易產生NH4HCO3結晶并堵塞水冷器列管，系統阻力從0．1 MPa增加到0．4 MPa，為此，我們在E15105進口增設一條中壓蒸汽吹掃管線，以加熱E15105列管溶解NH4HCO3結晶，解決阻力增大問題；阻力大時直接用蒸汽提溫溶解NH4HCO3結晶，實現連續長周期穩定運行。

（4）為了保證變換中壓蒸汽管網的安全，在中壓蒸汽管道上增設一臺電動調節閥，能隨時保證中壓蒸汽管網的安全。

（5）變換催化劑升溫硫化采用氮氣循環升溫，后改用CS2作硫化劑、直接補充純氫來控制循環氣中CS2氫解所需氫含量。

2.2.2 酸性氣體脫除工段

酸性氣體脫除工段開車過程中存在如下問題。

（1）工程安裝中冷區使用的閥門、管件、管道、螺栓螺母材質及壓力等級用錯，在三查四定中發現很多類似問題。

（2）設備制造質量差，CO2解吸塔（C15102）、H2S濃縮塔（C15103）、輔助解吸塔（C15106）三塔升氣管底部托盤未焊完整，段間漏液嚴重。

（3）管道焊接沒有按氬電聯焊要求去做，設備及管道內的焊渣太多，水聯動試車時出現泵過濾器堵塞嚴重，同時也造成許多閥門密封面被夾壞，損失比較大。

（4）酸脫系統在進甲醇前進行氮氣干燥，露點達－40℃，系統死角排水，保證系統中甲醇含水量在0．5%以下。

（5）H2S濃縮塔（C15103）氣提氮氣管線未設立U形管。增設U形管，以防止甲醇倒流入氮氣管，保證試生產正常進行。

（6）本裝置設計中增加一套CO2的制取系統，為氣化輸送煤粉作準備，要求CO2純度達到95%以上；與水煤漿氣化裝置相比，酸脫工藝流程復雜些，設備投資也高些，操作要求較高。

2.2.3 壓縮機組存在的問題

（1）CO2壓縮機存在的問題。五環科技股份有限公司設計時將CO2壓縮機進口壓力設計為0．02 MPa，而酸脫CO2氣體壓力為0．2 MPa、低壓氮氣壓力0．45 MPa，誤差分別為10倍、20倍，CO2壓縮機無法工作。進行技術改造，將進口氣動閥改為可調節的減壓閥，達到減壓的作用，順利彌補了設計失誤。

（2）氨壓機存在的問題。干氣密封一級密封氣設計為低壓氮氣，不能滿足壓縮機高壓缸運行要求，改造為中壓氮氣（2．0 MPa）；干氣密封一級密封氣工藝氣設計時取至末級冷卻器之后，溫度低（50℃），無法滿足生產要求，為此，改造為取工藝氣在末級冷卻器之前，溫度100℃左右，改造后完全能滿足生產要求。

（3）合成氣壓縮機存在的問題。在開車初期合成氣壓縮機加壓段起不到加壓作用，使得壓縮機加壓段及循環段防喘振閥無法操作。經與廠家交流未果后，公司技術人員經研究，發現是加壓段的中間冷卻器泄漏嚴重而造成的。堵漏后發現，加壓段工作基本正常，加壓段防喘振閥也可以調節了，但循環段防喘振閥無法調節。經研究發現，循環段進口氣量參數設計錯誤，經調整后，循環段防喘振閥完全可以控制在可調范圍內，使合成氣壓縮機處于良好的運行狀態。

2.2.4 甲醇合成

甲醇合成做氣密試驗過程中發現沒有8．0 MPa的高壓氣體，我們先用CO2壓縮機打空氣升壓到5．0 MPa，然后用空分充氮氣泵加壓到8．0 MPa才完成氣密試驗。

合成塔測溫熱電偶沒有設計套管，工程建設時訂貨又沒有與廠家說明此情況，熱電偶又非耐壓設計，合成系統試壓工作十分困難，最后決定用帶壓堵漏的辦法將兩根熱電偶管口堵住。

2.2.5 甲醇精餾

甲醇精餾設計為預塔、加壓塔、常壓塔、回收塔四塔工藝，在原始開車過程中精醇產品質量達不到優等品，同時乙醇含量特高。分析發現，雜醇油采出位置不合理，在三塔底部液面采雜醇油效果極差，另外在四塔采雜醇油幾乎都是水而不是雜醇油，所以進行了改造，才保證了產品質量。為節能，采用三塔廢水管直接配到四塔出口廢水管處，相連短路再直接到廢水冷卻器，如此則可以改為三塔運行，節能效果明顯。

3 結 語

從項目建設到投產過程中出現了各類困難，在項目組成員共同努力下，大多數問題都迎刃而解了，由此積累了大量寶貴經驗，為集團下一個項目的順利實施奠定了牢實的基礎。然而，在生產穩定性、運行周期、生產負荷等方面還存在問題（目前最高負荷開到80%），我們還需繼續努力，進一步對項目中不合理的地方進行改進，讓該項目更加節能、環保、合理。

Two-Stage Dry Pulverized Coal Pressured Gasification Technology Being Applied in 300 kt/a Methanol Plant

LU Rui-ping
（Erdos Wushenqi Shilin Chemical Co．，Ltd．，Wushen Inner Mongolia 017313，China）

Describe the process configuration of the two-stage dry pulverized coal pressured gasification unit in 300 kt／a methanol plant．Also introdue the engineering construction，problems and measures while the unit start-up．And sum up the experience and lesson of the design and operation etc．

two-stage dry pulverized coal pressured gasification；methanol plant；process configuration；start-up；problem

TQ223．12＋1

B

1003-6490（2014）01-0067-04

2013-11-07

陸瑞平（1967－），男，江蘇大豐人，工程師，現任鄂爾多斯市烏審旗世林化工有限責任公司副總工程師，長期從事合成氨、尿素及甲醇生產技術改造和生產管理工作。