水煤浆气化生产甲醇配套变换工艺与布置探讨

向国军

（武汉金中石化工程有限公司，湖北武汉 430223）

水煤浆气化生产甲醇配套变换工艺与布置探讨

向国军

（武汉金中石化工程有限公司，湖北武汉 430223）

结合水煤浆气化工艺产粗煤气中工艺冷凝液流量大、变换系统余热回收设备多的特点，对传统布置方案存在的弊端进行了分析，并提出了优化后的设备布置方案。通过优化设备布置，消除了变换系统存在的安全隐患，为变换装置的长周期稳定运行打好基础。

水煤浆气化；变换装置；工艺；设备布置

由于国际原油价格的不断波动，影响着我国的能源安全和我国贫油、少气、多煤的资源禀赋，发展煤基甲醇，进而生产醇醚燃料的新型煤化工成为国家积极引导扶持的热门产业[1]。

GE公司水煤浆气化技术是在国内工业化应用最早使用业绩最多的气化技术。迄今在国内已有178台气化炉投入运行[2]。其配套变换单元是煤制甲醇工艺中重要的工序，作用是调整煤气化单元产生的粗煤气中的H2/CO的比值，以满足下游甲醇装置对合成气的要求，同时分解COS和HCN等有机物、回收热量。本文结合国内项目工程实例，对水煤浆气化生产甲醇配套变换工艺及布置方案进行探讨。

1 工艺流程概述及分析

1.1主工艺流程概述

本项目为年产180万t甲醇规模，变换单元采用双系列设置。

变换工艺采用了部分耐硫变换流程：来自煤气化的粗煤气一部分经废热锅炉降温、分离冷凝液后进入变换炉参与变换反应，而另一部分粗煤气作为调节气，直接经过废热锅炉降温、分离冷凝液后与变换气混合，通过控制进变换炉和旁路的流量分配来满足甲醇合成对氢碳比的要求。分离出冷凝液的变换气经洗涤水洗掉变换气中的氨后送至低温甲醇洗工序。主工艺流程见图1。

图1　变换装置主工艺流程

1.2工艺流程特点分析

1.2.1原料气特点

来自上游水煤浆气化单元所产粗煤气温度为242℃，压力6.38 MPaA，单系列粗煤气流量为772847 m3（标）/h，组成见表1。

表1　变换单元原料气组成

由表1分析可知，粗煤气中水蒸气含量高达58.223%，即粗煤气中携带饱和水蒸汽为361.36t/h，出变换单元的变换气为40℃，可知变换单元冷凝后的工艺冷凝液处理量非常大。另外，由于粗煤气水蒸气冷凝温度高，因此变换单元可回收余热较多。

1.2.2工艺流程分析

一氧化碳变换反应为放热反应，反应热量大，为最大限度地回收热量和减小循环水的消耗、减少能耗，需根据系统余热来副产不同等级蒸汽以及预热锅炉给水、脱盐水等。变换单元采用一段绝热变换即可满足甲醇合成氢碳比的要求，变换核心反应设备并不复杂，但配套余热回收的各类换热器、废热锅炉则比较复杂，其设备数量占变换单元总设备数量的60%以上。这是水煤浆气化工艺生产甲醇配套变换单元的显著特点。

2 工艺设备布置特点

2.1传统布置方案

针对本项目工艺流程特点，设备布置采用双系列对称布置，辅助公用工程采用单套共用。以单系列为例，简述传统变换布置方案见图2。

单系列占地面积为60m X 40m，北侧为钢结构框架区，包含管廊区和钢结构平台。管廊区为三层，宽10m，作为变换单元与外部的联系通道。钢结构平台层高为EL5.5m，宽9m，布置了部分换热器。也作为变换炉、洗氨塔的操作平台。南侧为地面区，布置有废热锅炉、水分离器。由地面生根的钢结构框架支撑消音器和放空筒。

图2　传统变换工艺设备平面布置

2.2传统布置方案存在的问题

（1）由于粗煤气处理量大，因此变换系统工艺气管线管径大，最大为DN900，最小也为DN600。且管道多为厚壁Cr-Mo合金钢及奥氏体不锈钢。传统变换布置采用了流程化布置方式，根据主工艺流程顺序依次布置工艺设备。由于工艺流程较长，设备众多。因此传统布置方案占地较大，管道长。投资较大。

（2）变换炉操作检修不便。变换炉是变换单元的核心设备，在开车之前需要装填催化剂并升温硫化，催化剂失效时需卸除催化剂并更换，装置正常运行时变换炉进出口的温度、压力参数是外操人员在巡检时需要重点关注的参数。由此可见，在设备布置时应给变换炉操作检修预留足够的空间。传统布置方案中是将变换炉布置在框架内，变换炉周边布满了管道和阀组，因此给装置开停车时催化剂的装卸及正常运行时巡检都带来了很大的不便。

（3）变换装置在开车运行过程中，发现易产生冷凝液的奥氏体不锈钢工艺气管线多处出现裂纹，多处焊缝或支管连接处出现工艺气泄漏现象，管材腐蚀问题突出，并且存在重大安全隐患。针对此类问题，多处文献已有详细的报道[3-5]。总结管材失效的原因，除了焊接质量问题引起的应力腐蚀外，主要是工艺气中腐蚀性介质对管材的腐蚀作用。传统布置方案中部分废热锅炉及换热器布置在地面上，由于换热器底部管口低于分离器工艺气入口管口，因而这段管道在换热器出口处形成了“袋形”。工艺气经换热器换热后会产生冷凝液，冷凝液中富含H2S、CO2、HCN等酸性介质以及系统富集的Cl-，在出口管道“袋形”的低点处易对管道形成“水击”作用，管道局部积液及气液两相对管道的冲击作用更加快管道的腐蚀速度。

（4）由于废热锅炉布置在地面上，废锅顶部的安全阀只能就近布置在废锅顶部平台上。由于安全阀排放介质为高温蒸汽，且对空排放，在装置运行过程中安全阀起跳具有随机性，在排放过程中对装置内操作巡检人员的安全都存在潜在的隐患。

（5）装置内有两台蒸汽放空消音器就近布置在废热锅炉附近，在开车阶段或运行异常工况下，大量蒸汽需要通过消音器外排。噪音较大，对工作人员身心健康造成不利的影响。

2.3改进布置方案

为解决变换工艺气管线低点积液问题及消除废热锅炉顶部安全阀、消音器的安全隐患，并适当缩减占地，对图2设备布置图方案进行优化见图3。

根据变换单元特点，主工艺设备主要分为二大类：第一类是立式设备，包括变换炉、水分离器、洗氨塔等；第二类是卧式设备，包括废热锅炉、锅炉给水加热器、卧式储槽等。由于变换系统操作压力较高，因此大多数换热器壳体都为全焊接形式，因而不需要预留抽芯检修的空间。只需要预留换热器封头人孔的操作空间即可。

结合工艺流程和换热设备特点，并遵循同类设备适当集中布置的原则，在传统布置方案钢结构框架上新增加一层EL9.000楼面，用于布置原方案放置在地面上的废热锅炉。该楼层南侧外挑3m，扩大楼面上管道布置及操作检修的空间。将原方案穿过框架楼面的变换炉、第二水分离器、洗氨塔移除至框架南侧。立式设备成组成排布置布置在框架南侧的地面上。立式设备根据操作检修要求设置圆形平台及直爬梯。

图3　改进后的变换平面设备布置

通过优化布置方案，改进后的布置方案有以下优点。

（1）采用框架式集成布置，充分利用空间，节约占地，操作检修相对集中。节省管道、电缆等材料。

（2）变换炉操作、检修都很方便。变换炉南侧为空地，方便车辆通行。立式设备成组布置在一条线上，整体紧凑美观。

（3）将废热锅炉的支撑标高抬高到EL9.000m楼面后，废热锅炉底部管口便高于水分离器的入口管口，工艺气管线自废锅底部引出后“步步低”接入水分离器的入口。经过废锅换热冷凝下来的工艺冷凝液可以顺流进入水分离器，不会造成“积液”现象。

（4）废锅位于框架的顶平台上，废热锅炉顶部的安全阀出口管线可以高出顶平台EL2.200m就近排放。废锅出口蒸汽管线上的消音器可以利用EL11.000m的管廊部分，局部加高用于支撑。由于安全阀出口和消音器均位于整个单元的最高点，安全隐患得以排除。

3 设计中应注意的一些问题

针对改进后的设备布置方案，在设计中还需要注意以下问题。

1）设备吊装问题

采用两层框架式布置，设备布置紧凑、占地小。但应注意施工阶段设备的吊装问题。应在框架设备全部吊装到位后，方可开始南侧立式设备的安装。

2）工艺气管线操作温度高，管壁厚，管道热应力大。在管道布置时需优化设计，多利用自然补偿，尽量减少弹簧支架及特殊管架，以节省配管空间。

4 结语

针对水煤浆气化生产甲醇配套变换装置传统布置方案存在的弊端，本文通过改进布置方案，消除了安全隐患，并从源头杜绝了工艺冷凝液的“积液”带来的局部腐蚀加剧问题，为变换装置的长周期安全稳定运行打好良好基础。

[1] 孙铭绪，赵黎明，林彬彬.水煤浆气化生产甲醇配套变换工艺[J].化学工程，2011，（1）：99-102.

[2] 戴厚良，何祚云.煤气化技术发展的现状和进展[J].石油炼制与化工，2014，（4）：1-7.

[3] 余建良.甲醇装置变换系统管道焊缝裂纹的原及解决措施[J].化肥设计，2011，（6）：37-42.

[4] 李敏.水煤浆变换系统材料失效情况总结及应对措施[J].大氮肥，2014，（2）：13-20.

[5] 刘强.煤制烯烃项目变换管线腐蚀开裂分析及对策[J].中国石油和化工标准与质量，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

向国军（1983—），男，湖北宜昌人，注册化工工程师，主要从事化工项目工艺和管道设计工作。