水煤漿氣化生產甲醇配套變換工藝與布置探討

向國軍

（武漢金中石化工程有限公司，湖北武漢 430223）

水煤漿氣化生產甲醇配套變換工藝與布置探討

向國軍

（武漢金中石化工程有限公司，湖北武漢 430223）

結合水煤漿氣化工藝產粗煤氣中工藝冷凝液流量大、變換系統余熱回收設備多的特點，對傳統布置方案存在的弊端進行了分析，并提出了優化后的設備布置方案。通過優化設備布置，消除了變換系統存在的安全隱患，為變換裝置的長周期穩定運行打好基礎。

水煤漿氣化；變換裝置；工藝；設備布置

由于國際原油價格的不斷波動，影響著我國的能源安全和我國貧油、少氣、多煤的資源稟賦，發展煤基甲醇，進而生產醇醚燃料的新型煤化工成為國家積極引導扶持的熱門產業[1]。

GE公司水煤漿氣化技術是在國內工業化應用最早使用業績最多的氣化技術。迄今在國內已有178臺氣化爐投入運行[2]。其配套變換單元是煤制甲醇工藝中重要的工序，作用是調整煤氣化單元產生的粗煤氣中的H2/CO的比值，以滿足下游甲醇裝置對合成氣的要求，同時分解COS和HCN等有機物、回收熱量。本文結合國內項目工程實例，對水煤漿氣化生產甲醇配套變換工藝及布置方案進行探討。

1 工藝流程概述及分析

1.1主工藝流程概述

本項目為年產180萬t甲醇規模，變換單元采用雙系列設置。

變換工藝采用了部分耐硫變換流程：來自煤氣化的粗煤氣一部分經廢熱鍋爐降溫、分離冷凝液后進入變換爐參與變換反應，而另一部分粗煤氣作為調節氣，直接經過廢熱鍋爐降溫、分離冷凝液后與變換氣混合，通過控制進變換爐和旁路的流量分配來滿足甲醇合成對氫碳比的要求。分離出冷凝液的變換氣經洗滌水洗掉變換氣中的氨后送至低溫甲醇洗工序。主工藝流程見圖1。

圖1　變換裝置主工藝流程

1.2工藝流程特點分析

1.2.1原料氣特點

來自上游水煤漿氣化單元所產粗煤氣溫度為242℃，壓力6.38 MPaA，單系列粗煤氣流量為772847 m3（標）/h，組成見表1。

表1　變換單元原料氣組成

由表1分析可知，粗煤氣中水蒸氣含量高達58.223%，即粗煤氣中攜帶飽和水蒸汽為361.36t/h，出變換單元的變換氣為40℃，可知變換單元冷凝后的工藝冷凝液處理量非常大。另外，由于粗煤氣水蒸氣冷凝溫度高，因此變換單元可回收余熱較多。

1.2.2工藝流程分析

一氧化碳變換反應為放熱反應，反應熱量大，為最大限度地回收熱量和減小循環水的消耗、減少能耗，需根據系統余熱來副產不同等級蒸汽以及預熱鍋爐給水、脫鹽水等。變換單元采用一段絕熱變換即可滿足甲醇合成氫碳比的要求，變換核心反應設備并不復雜，但配套余熱回收的各類換熱器、廢熱鍋爐則比較復雜，其設備數量占變換單元總設備數量的60%以上。這是水煤漿氣化工藝生產甲醇配套變換單元的顯著特點。

2 工藝設備布置特點

2.1傳統布置方案

針對本項目工藝流程特點，設備布置采用雙系列對稱布置，輔助公用工程采用單套共用。以單系列為例，簡述傳統變換布置方案見圖2。

單系列占地面積為60m X 40m，北側為鋼結構框架區，包含管廊區和鋼結構平臺。管廊區為三層，寬10m，作為變換單元與外部的聯系通道。鋼結構平臺層高為EL5.5m，寬9m，布置了部分換熱器。也作為變換爐、洗氨塔的操作平臺。南側為地面區，布置有廢熱鍋爐、水分離器。由地面生根的鋼結構框架支撐消音器和放空筒。

圖2　傳統變換工藝設備平面布置

2.2傳統布置方案存在的問題

（1）由于粗煤氣處理量大，因此變換系統工藝氣管線管徑大，最大為DN900，最小也為DN600。且管道多為厚壁Cr-Mo合金鋼及奧氏體不銹鋼。傳統變換布置采用了流程化布置方式，根據主工藝流程順序依次布置工藝設備。由于工藝流程較長，設備眾多。因此傳統布置方案占地較大，管道長。投資較大。

（2）變換爐操作檢修不便。變換爐是變換單元的核心設備，在開車之前需要裝填催化劑并升溫硫化，催化劑失效時需卸除催化劑并更換，裝置正常運行時變換爐進出口的溫度、壓力參數是外操人員在巡檢時需要重點關注的參數。由此可見，在設備布置時應給變換爐操作檢修預留足夠的空間。傳統布置方案中是將變換爐布置在框架內，變換爐周邊布滿了管道和閥組，因此給裝置開停車時催化劑的裝卸及正常運行時巡檢都帶來了很大的不便。

（3）變換裝置在開車運行過程中，發現易產生冷凝液的奧氏體不銹鋼工藝氣管線多處出現裂紋，多處焊縫或支管連接處出現工藝氣泄漏現象，管材腐蝕問題突出，并且存在重大安全隱患。針對此類問題，多處文獻已有詳細的報道[3-5]。總結管材失效的原因，除了焊接質量問題引起的應力腐蝕外，主要是工藝氣中腐蝕性介質對管材的腐蝕作用。傳統布置方案中部分廢熱鍋爐及換熱器布置在地面上，由于換熱器底部管口低于分離器工藝氣入口管口，因而這段管道在換熱器出口處形成了“袋形”。工藝氣經換熱器換熱后會產生冷凝液，冷凝液中富含H2S、CO2、HCN等酸性介質以及系統富集的Cl-，在出口管道“袋形”的低點處易對管道形成“水擊”作用，管道局部積液及氣液兩相對管道的沖擊作用更加快管道的腐蝕速度。

（4）由于廢熱鍋爐布置在地面上，廢鍋頂部的安全閥只能就近布置在廢鍋頂部平臺上。由于安全閥排放介質為高溫蒸汽，且對空排放，在裝置運行過程中安全閥起跳具有隨機性，在排放過程中對裝置內操作巡檢人員的安全都存在潛在的隱患。

（5）裝置內有兩臺蒸汽放空消音器就近布置在廢熱鍋爐附近，在開車階段或運行異常工況下，大量蒸汽需要通過消音器外排。噪音較大，對工作人員身心健康造成不利的影響。

2.3改進布置方案

為解決變換工藝氣管線低點積液問題及消除廢熱鍋爐頂部安全閥、消音器的安全隱患，并適當縮減占地，對圖2設備布置圖方案進行優化見圖3。

根據變換單元特點，主工藝設備主要分為二大類：第一類是立式設備，包括變換爐、水分離器、洗氨塔等；第二類是臥式設備，包括廢熱鍋爐、鍋爐給水加熱器、臥式儲槽等。由于變換系統操作壓力較高，因此大多數換熱器殼體都為全焊接形式，因而不需要預留抽芯檢修的空間。只需要預留換熱器封頭人孔的操作空間即可。

結合工藝流程和換熱設備特點，并遵循同類設備適當集中布置的原則，在傳統布置方案鋼結構框架上新增加一層EL9.000樓面，用于布置原方案放置在地面上的廢熱鍋爐。該樓層南側外挑3m，擴大樓面上管道布置及操作檢修的空間。將原方案穿過框架樓面的變換爐、第二水分離器、洗氨塔移除至框架南側。立式設備成組成排布置布置在框架南側的地面上。立式設備根據操作檢修要求設置圓形平臺及直爬梯。

圖3　改進后的變換平面設備布置

通過優化布置方案，改進后的布置方案有以下優點。

（1）采用框架式集成布置，充分利用空間，節約占地，操作檢修相對集中。節省管道、電纜等材料。

（2）變換爐操作、檢修都很方便。變換爐南側為空地，方便車輛通行。立式設備成組布置在一條線上，整體緊湊美觀。

（3）將廢熱鍋爐的支撐標高抬高到EL9.000m樓面后，廢熱鍋爐底部管口便高于水分離器的入口管口，工藝氣管線自廢鍋底部引出后“步步低”接入水分離器的入口。經過廢鍋換熱冷凝下來的工藝冷凝液可以順流進入水分離器，不會造成“積液”現象。

（4）廢鍋位于框架的頂平臺上，廢熱鍋爐頂部的安全閥出口管線可以高出頂平臺EL2.200m就近排放。廢鍋出口蒸汽管線上的消音器可以利用EL11.000m的管廊部分，局部加高用于支撐。由于安全閥出口和消音器均位于整個單元的最高點，安全隱患得以排除。

3 設計中應注意的一些問題

針對改進后的設備布置方案，在設計中還需要注意以下問題。

1）設備吊裝問題

采用兩層框架式布置，設備布置緊湊、占地小。但應注意施工階段設備的吊裝問題。應在框架設備全部吊裝到位后，方可開始南側立式設備的安裝。

2）工藝氣管線操作溫度高，管壁厚，管道熱應力大。在管道布置時需優化設計，多利用自然補償，盡量減少彈簧支架及特殊管架，以節省配管空間。

4 結語

針對水煤漿氣化生產甲醇配套變換裝置傳統布置方案存在的弊端，本文通過改進布置方案，消除了安全隱患，并從源頭杜絕了工藝冷凝液的“積液”帶來的局部腐蝕加劇問題，為變換裝置的長周期安全穩定運行打好良好基礎。

[1] 孫銘緒，趙黎明，林彬彬.水煤漿氣化生產甲醇配套變換工藝[J].化學工程，2011，（1）：99-102.

[2] 戴厚良，何祚云.煤氣化技術發展的現狀和進展[J].石油煉制與化工，2014，（4）：1-7.

[3] 余建良.甲醇裝置變換系統管道焊縫裂紋的原及解決措施[J].化肥設計，2011，（6）：37-42.

[4] 李敏.水煤漿變換系統材料失效情況總結及應對措施[J].大氮肥，2014，（2）：13-20.

[5] 劉強.煤制烯烴項目變換管線腐蝕開裂分析及對策[J].中國石油和化工標準與質量，2013，（6）：268-269.

Discussion on Process and Equipment Arrangement for CO Shift of Coal-water Slurry Gasification Methanol Production

Xiang Guo-jun

Combining the characteristics of large fl ow rate of process condensate and multiple equipment of waste heat recovery in co shift unit，the author analysis the disadvantage of traditional equipment arrangement，and put forward the improved scheme.It will eliminate hidden danger，and create a favorable condition for the long period stable operation of shift unit.

coal-water slurry gasifi cation；co shift unit；equipment process

TQ223.121

A

1003-6490（2016）01-0014-02

2015-12-25

向國軍（1983—），男，湖北宜昌人，注冊化工工程師，主要從事化工項目工藝和管道設計工作。