粉煤熱解分餾系統主要工藝和控制

常 娟，李慧杰，樊 花，童澤明

(陜煤集團榆林化學有限責任公司，陜西 榆林 719000)

低階粉煤氣固熱載體雙循環快速熱解技術(SM-SP)是由勝幫公司和陜北乾元能源化工有限公司共同開發，借鑒了催化裂化技術的工程經驗，采用雙循環氣流床反應器進行粉煤快速熱解，實現秒級反應時間，并通過氣固熱載體技術保障固體的充分混合接觸，實現粉煤完全熱解，該工藝流程簡圖如圖1所示。

圖1 工藝流程簡圖

該工藝流程包括磨煤干燥單元、粉煤進料單元、反應-燒炭單元、分餾單元和粉焦冷卻單元。原煤送入磨煤機，在研磨過程中與來自CO鍋爐的高溫煙氣接觸進行干燥，粉碎至規定粒徑的煤粉在煙氣的作用下輸送至原料罐，粉煤從底部由原料罐送至計量給料罐。來自計量給料罐的粉煤在循環煤氣的汽提作用下，與來自燒炭器的粉焦熱載體快速混合后進入提升管反應器，發生快速熱解反應，生成的產品油氣、粉焦隨后進入沉降器，進行氣固快速分離。分離出的高溫油氣進入分餾塔分離得到煤氣、輕油和焦油，煤氣加壓后部分返回提升管循環，剩余作為產品送出裝置；沉降器底部的粉焦部分作為循環粉焦，其余部分經換熱冷卻后作為產品送出裝置。循環粉焦在燒炭器內發生部分燃燒而升溫至一定溫度后，作為熱載體循環至提升管反應器。燒炭器內煙氣除塵后送至 CO 鍋爐系統進行余熱回收后，送回磨煤干燥單元使用。

1 粉煤熱解分餾單元主要任務

粉煤熱解工藝借鑒了催化裂化技術的工程經驗，尤其是反應-燒炭單元、分餾單元部分。但其原料性質不同，催化裂化原料是渣油，粉煤熱解原料是原煤，所以經過反應后生成油氣組分不同，導致性質差異較大。

表1 催化裂化產品分布表

表2 粉煤熱解產品分布表

對比分析分餾塔進料來看，催化裂化反應油氣攜帶少量催化劑粉末，膠質含量少，主要輕組分含量高，粉煤熱解油氣含粉塵、膠質大，重組分含量高，容易造成分餾系統設備、管線、塔器、容器結焦、堵塞。

粉煤熱解分餾塔與常規分餾塔相比，其原料油密度大，固含量高，目標產品是熱解焦油，且其分離效率要求不高。粉煤熱解分餾塔的主要任務不同于常規分餾塔，包括以下幾點：

(1)將反應油氣脫過熱，把塔底油餾分冷凝下來。

(2)提高塔底油的收率。

(3)洗滌反應油氣攜帶的粉焦，減輕塔頂產品油氣中的焦粉量，維持分餾塔長周期穩定運行。

(4)按照產品分布，熱量平衡，調整循環比。

(5)實現煤焦油與煤氣的完全分離。

(6)控制產品質量合格。

粉煤熱解分餾系統依據油氣/油品固含量高、膠質含量高等性質，容易造成管道堵塞、結焦等，分餾塔在結構上分為兩段，上段為精餾段，設有固閥塔盤，下段為脫過熱段，裝有格柵填料，同時，在格柵板的底部裝有人字型擋板，防止固體顆粒隨油氣上升。在塔頂、塔側和塔底有抽出或回流口，并有為方便檢修操作的平臺、走梯和人孔等。

浮閥塔盤的特點：a.機械故障少，不會卡閥；b.阻力小，不易堵塞；c.制造方便，成本低；d.效率低，漏液大等，分餾塔上部設有30層固閥塔盤。格柵填料的比表面積較低，主要用于要求壓降小、負荷大及防堵等場合。分餾塔底脫過熱段氣液流量很大，為了避免阻力過大，并防止固體堵塞，塔底設了2層格柵填料[1]。

2 分餾系統主要工藝簡介

2.1 分餾系統工藝流程

由沉降器頂來的反應油氣進入分餾塔底部，通過格柵填料和塔板與冷油逆流接觸，洗滌反應油氣中的粉焦使油氣在飽和狀態中進行分餾。分餾塔底油通過分餾塔底油泵加壓后分為兩路，一路直接進入分餾塔底部起到攪拌的作用，一路進入分餾塔底油蒸汽發生器，經換熱冷卻后分為兩路，一路返回分餾塔，起到攪拌與沖洗的作用，另一路依次經過外甩油除鹽水換熱器和外甩油采暖水換熱器換熱冷卻后送出裝置。

分餾塔上部1#集油箱中的熱油經分餾塔頂循環泵加壓后經過采暖水取熱器分成兩路，一路直接返回分餾塔，一路經頂循環空冷器降溫后返回分餾塔頂部，控制塔頂溫度。分餾塔中部2#集油箱中的熱油經二中油循環泵加壓后分為兩路，一路作為下回流直接返回分餾塔，另一路送至二中油蒸汽發生器降溫后返回分餾中部。分餾塔塔頂油氣經分餾塔頂空冷器、分餾塔頂冷卻器冷卻后，進入分餾塔頂回流罐進行氣液液三相分離。分餾塔頂回流罐分離出的污水由分餾塔頂污水泵抽出裝置；煤氣進入電捕焦油器處理后通入循環煤氣壓縮機，電捕焦油器捕捉到的焦油自流入焦油緩沖罐，通過焦油泵輸入分餾塔頂回流罐，進行油水分離；分離出的輕油由分餾塔頂產品泵抽出進入油水分離罐進一步分離，產品油直接出裝置，污水返回分餾塔頂回流罐；煤氣經過循環煤氣壓縮機升壓后的煤氣有以下幾方面的用途；

(1)作為輸送氣先經過余熱鍋爐預熱后進入進料系統底部輸送粉煤；

(2)作為葉輪給料機底部輸送煤氣用來輸送粉煤；

(3)作為熱載體提升管的提升煤氣輸送熱載體粉焦進入沉降器；

(4)作為燃料氣去動力站。

工藝流程示意圖如圖2所示：

圖2 工藝流程示意圖

2.2 粉煤熱解分餾塔的工藝特點

粉煤熱解分餾塔的工藝特點主要包括以下6點：

(1)粉煤熱解主要產品是：熱解焦油、煤氣、輕油，熱解焦油固含量、膠質含量高，容易造成分餾塔底、二中各個設備結焦堵塞，所以分餾二中、分餾塔底過濾器進口，二中油泵、塔底油泵進出口都設有蘭炭油沖洗管線；

(2)分餾塔無側線產品抽出，只要控制住分餾塔頂溫度在精確指標內即可，所以分餾塔一中、二中設置了集液箱，使得分餾塔的操作容易平穩控制；

(3)不同于催化裂化，粉煤熱解目標產品是熱解焦油，分餾塔塔底循環返塔量較少，主要起攪拌和沖洗的作用，大部分作為產品送出裝置量大；

(4)二中循環量大，分餾塔取熱集中在二中，這樣既可以控制住分餾塔上、下部溫度，又可以提高目標產物熱解焦油的收率[2]；

(5)為了防止分餾塔容易結焦，二中下回流又分成兩路返回分餾塔，下面一路對分餾塔底上升的氣相進一步進行了沖洗；

(6)裝置設置了開工水洗塔，開工或反應工況發生變化，油氣攜帶大量粉塵、膠質時，可切換至水洗塔，防止分餾塔造成堵塞而影響后期正常運行。

3 操作影響因素及主要控制方法

3.1 操作因素

常規分餾塔的操作控制通常要求滿足處理量、產品的質量指標、產品產量和能量消耗四個方面的標準[3]進行對比研究。

粉煤熱解裝置分餾系統操作因素異于常規分餾系統，主要因為它們目標產品和任務不同。粉煤熱解裝置目標產品是塔底產品熱解焦油，無側線產品抽出，主要任務是將煤熱解反應產生的油氣中的煤焦油和固體焦粉顆粒進行有效分離。所以設計、操作都依據高處理量、低消耗和提高焦油收率、提高焦油質量為原則。為了保證分餾塔較大處理量、高效率的作用，除選擇合理的工藝流程和先進的設備外，主要靠穩定、成熟的操作水平。其中包括在生產工況不變時，如何保持平穩操作以及在生產工況改變時，如何在新的條件下快速建立新的平穩操作。

分餾塔系統平穩操作主要依靠三大平衡來實現：物料平衡、熱量平衡、氣液平衡。三大平衡相互影響，相互制約。物料平衡是最基本的，維持住穩定的物料平衡，才能通過調整各回流段取熱量的大小來保持熱量平衡，熱量平衡是實現氣液相平衡的基本保證。氣液相平衡是分餾塔穩定操作的基本條件。影響分餾塔操作的主要工藝因素有塔各進料溫度、塔壓力、進出塔的物料流量、中段回流，各種段液面等。

3.1.1 溫度

高溫油氣進入分餾塔底部，塔底到塔頂要形成一個穩定的溫度梯度，特別是塔頂溫度要嚴格控制。要保持分餾塔的平穩操作，最重要的是維持反應溫度、油氣入口量恒定。油氣入口量和溫度直接影響進入分餾塔內的熱量，當它們發生變化時，分餾塔頂和分餾塔各段溫度都要發生變化，產品質量、收率也隨著變化。當入口油氣量、油氣溫度不變時，回流量、回流溫度、餾出物數量的改變也會破壞塔內熱平衡狀態，引起各段溫度變化，其中最能靈敏地反映出熱平衡變化的是塔頂溫度[4]。

3.1.2 壓力

油品餾出所需溫度與其油氣分壓有關，油氣分壓越低，餾出同樣的油品所需的溫度越低。油氣分壓是設備內的操作壓力與油品分子分數的乘積；當塔內水蒸氣量和惰性氣體量不變時，油氣分壓隨塔內的操作壓力降低而降低。因此，在塔內負荷允許的情況下，降低塔內操作壓力，適當地增加入塔水蒸氣量都可以使油氣分壓降低。

3.1.3 回流量和回流返塔溫度

回流量的大小、回流返塔溫度的高低由全塔熱平衡決定，隨著塔內溫度條件的改變，適當調節塔頂回流量和回流溫度是維持全塔溫度平衡的手段，借以達到調節產品質量、收率的目的。

3.1.4 塔底液面

塔底液面的變化反應物料平衡的變化，物料平衡又取決于溫度、流量和壓力的平衡。原煤加工量、反應深度、熱解焦油送出量對液面影響較大。當原煤加工量不變時，原煤性質、反應深度發生變化時，由送出熱解焦油量的大小來控制分餾塔底液位。

3.2 主要操作參數的控制調節

3.2.1 分餾塔頂溫度[5]

分餾塔頂溫的控制：正常生產過程中，分餾塔頂溫度通過分餾塔頂循環回流控制器控制調節閥調節回流量，控制分餾塔頂溫度；分餾塔頂溫度高，開大分餾塔頂循環回流調節閥；分餾塔頂溫度低，關小分餾塔頂循環回流調節閥。

3.2.2 分餾塔頂壓力

分餾塔頂壓力控制：正常生產過程中，通過控制分餾塔頂油氣蝶閥開度，控制分餾塔頂壓力，從而控制沉降器壓力在正常工藝指標范圍內，所以分餾塔頂壓力控制方法與沉降器壓力控制方法相同；分餾塔頂壓力高，開大分餾塔頂油氣蝶閥；分餾塔頂壓力低，關小分餾塔頂油氣蝶閥。

3.2.3 分餾塔頂回流罐液位

分餾塔頂回流罐液位控制：正常生產過程中，分餾塔頂回流罐液位由液位控制器控制調節閥開度。調節塔頂產品泵出口熱解輕油至熱解輕油罐區流量，控制分餾塔頂回流罐液位在工藝所需的范圍內；分餾塔頂回流罐液位高，開大熱解輕油至熱解輕油罐區調節閥分餾塔頂回流罐液位低，關小熱解輕油至熱解輕油罐區調節閥。

3.2.4 分餾塔頂回流罐界位

分餾塔頂回流罐界位控制：正常生產過程中，分餾塔頂回流罐界位由界位控制器控制調節閥開度。調節塔頂污水泵出口污水量，控制分餾塔頂回流罐界位在工藝所需的范圍內；分餾塔頂回流罐界位高，開大污水出裝置量調節閥；分餾塔頂回流罐界位低，關小污水出裝置量調節閥。

1#集油箱液位控制：正常生產過程中，通過控制器控制一中油下回流調節閥開度。1#集油箱液位高，開大一中油下回流調節閥，1#集油箱液位低，關小一中油下回流調節閥。

2#集油箱液位控制：正常生產過程中，通過控制器控制二中油下回流調節閥開度調節。2#集油箱液位高，開大二中油下回流調節閥；2#集油箱液位低，關小二中油下回流調節閥。

分餾塔底液位控制：指標50%±10%；分餾塔底液位由分餾塔底液位控制器控制出裝置分餾塔底油調節閥開度，調節分餾塔底液位在工藝需要的正常范圍。液面過低容易造成分餾塔底油泵抽空、破壞全塔物料平衡、熱平衡中斷分餾塔底油循環回流而發生塔底結焦、沖塔、超溫及超壓事故；液面過高會淹沒反應油氣入口，使反應系統憋壓，造成嚴重后果；分餾塔底液位低，關小出裝置分餾塔底油調節閥開度，分餾塔底液位高，開大出裝置分餾塔底油調節閥。

4 結 語

粉煤熱解裝置是榆林化學公司依據國家十四五能源規劃，煤炭向清潔高效利用方向發展而建設的煤炭分質利用制化工新材料示范項目。借鑒了催化裂化工藝設計，但由于原料性質不同，目標產物不同，因而分餾塔系統的設備、工藝、操作也大不相同。本文主要簡述粉煤熱解裝置分餾系統的主要任務、流程、工藝特點和主要控制參數及控制方法，實現粉煤熱解裝置后路產品分離的平穩操作，為粉煤熱解裝置長周期運行奠定了堅實的基礎。