煤制甲醇裝置變換工段高溫工藝氣熱量平衡與利用

關建建，張 彥，杜清君

(萬華化學集團股份有限公司，山東煙臺 265500)

煤制甲醇裝置變換工段設計有蒸汽廢鍋，用于工藝氣降溫，以實現熱量回收。0.4 MPa廢鍋后的低品位熱量難以回收利用，多數廠家直接使用大功率水冷器將工藝氣溫度冷卻至40 ℃以下，然后送下游進行工藝氣的凈化和分離，造成熱量損失和循環水浪費。根據煤制甲醇裝置對低品位熱源的需求，論證0.4 MPa廢鍋后增加0.1 MPa廢鍋和脫鹽水預熱器，并實現回收熱量在裝置內平衡利用的可能性，以達到裝置熱能和循環水高效利用的目的。

1 水煤漿氣化裝置特點及廢熱情況

多噴嘴水煤漿加壓氣化技術自動化程度高、安全環保，節能效果顯著，是一個大型、潔凈、高效的生產系統。該工藝以氧氣和水煤漿作為原料，采用氣流床反應器，在加壓非催化條件下進行部分氧化反應，生成以一氧化碳和氫氣為有效成分的粗煤氣，水煤漿氣化符合國家節能環保和循環經濟產業政策，具有極強的市場競爭力和廣闊的發展前景[1-3]。

水煤漿氣化系統在產生粗煤氣的同時，更是一個高能熱源，在工藝氣輸出的過程中副產中壓蒸汽、低壓蒸汽以后，工藝氣還存在很高的溫位，如變換工段0.4 MPa蒸汽廢鍋后的高溫工藝氣。水煤漿氣化裝置中一般采用3種方式給高溫工藝氣降溫：①工藝氣直接送入水冷器；②工藝氣經過脫鹽水換熱器交換部分熱量后，再送入水冷器；③工藝氣經過空冷氣將溫度降至100 ℃以下，再送入水冷器。第1種方式，循環水需求量比較大，并且水冷器前后溫差大，容易引起水冷器故障；第2種方式，脫鹽水需求量大，一般情況下脫鹽水送入配套熱電廠鍋爐，或高溫脫鹽水再經水冷后自身循環；第3種方式，設備投資、檢修費用比較高。以上3種方式，低品位熱量均不能得到有效利用。

2 煤制甲醇裝置低溫位需求點

基于水煤漿氣化裝置中存在的廢能情況，在煤制甲醇裝置中尋找低品位熱量的需求點：①裝置除氧水、裝置脫鹽水的加熱需求，裝置除鹽水工段負責向各工段提供冷、熱密封水及高壓、中壓鍋爐水等，設計中除氧水槽加入常溫脫鹽水，然后在鍋爐水的除氧頭加入0.4 MPa蒸汽(S4)，將常溫脫鹽水加熱至120 ℃以上，熱力除氧[4-5]。②甲醇精餾工段預精餾塔再沸器溫度為76 ℃，按600 kt/a甲醇合成裝置粗略估計，低品位蒸汽需求量約為 30 t/h。

根據上述提到的低溫位熱源和低溫位熱量需求位置，下面進行熱量平衡的可行性計算，按照600 kt/a甲醇合成裝置計算。

3 熱量平衡計算

3.1 流程設計

變換工段S4蒸汽廢鍋出口工藝氣溫度174 ℃，計算時按照0.4 MPa廢鍋后串聯0.1 MPa廢鍋，產出0.1 MPa蒸汽(S1)供應預精餾塔，然后串聯除鹽水預熱器給進入除氧器的脫鹽水預熱，再串聯水冷器將工藝氣溫度降至40 ℃以下，最終送往低溫甲醇洗工段。熱量平衡流程示意見圖1。

圖1 熱量平衡流程示意

3.2 熱量評估

按照未變換工段156 000 m3/h(標態)干基有效氣和變換工段144 000 m3/h(標態)有效氣溫度由174.99 ℃降低至95 ℃計算熱值。變換氣和未變換氣的組成及熱容計算界面分別見圖2、圖3。

圖2 變換氣的組成及熱容計算

圖3 未變換氣的組成及熱容計算

通過Aspen軟件模擬計算：144 000 m3/h(標態)變換氣(174.99 ℃→95 ℃)，熱值為35.33 MW；156 000 m3/h(標態)未變換氣(174.99 ℃→95 ℃)，熱值為24.45 MW。

按照圖1中設計流程，設定脫鹽水產出溫度95 ℃，評估0.1 MPa蒸汽和脫鹽水產出情況。變換氣(174.99 ℃→143.5 ℃)副產30 t/h 0.1 MPa低壓蒸汽(120 ℃，18.81 MW)供醇氨二期預精餾塔，剩余熱量(143.5 ℃→95 ℃)以及未變換氣熱量(174.99 ℃→95 ℃)，預熱醇氨除氧器補水(660 t/h 脫鹽水，40.97 MW，40 ℃→95 ℃)。

通過計算，變換、熱回收預計可產生30 t/h 0.1 MPa低壓蒸汽送甲醇預精餾塔使用，并且可以為裝置除氧水槽提供660 t/h鍋爐水。

要實現以上熱量平衡，需提前考慮以下問題：①副產0.1 MPa蒸汽，除氧器操作壓力<0.1 MPa，需重新設計除氧器；②新增0.1 MPa汽包，SC1凝液泵，原預精餾塔0.4 MPa蒸汽管道增設減溫減壓器(0.1 MPa蒸汽用量不足時用0.4 MPa蒸汽補充)；③受低壓蒸汽輸送距離限制，0.1 MPa蒸汽送至醇氨與精餾塔的距離需要考慮。

4 效益評估

根據上述計算，變換工段后增加0.1 MPa廢鍋可以產生30 t/h 0.1 MPa低壓蒸汽，取代原設計中的0.4 MPa蒸汽，并且可為除鹽水工段提供660 t/h的高溫脫鹽水。經初步計算，此工藝設計可為600 kt/a甲醇裝置年增收入1 500萬元左右，經濟效益顯著。