煤制氢氨装置燃料消耗高原因分析与处理

2020-12-15黄哲

石油石化绿色低碳 2020年2期

黄哲

（中国石化巴陵分公司，湖南岳阳414003）

中国石化巴陵分公司煤制氢氨装置采用壳牌粉煤气化技术，以煤为主要生产原料，生产无水液氨和氢气。煤气化装置设置一台日投煤量为0.2万t级粉煤气化炉，合成氨产能为43 万t/a，氢气产能为5 万t/a。主要生产单元包括原料煤的混配、磨煤与干燥、粉煤气化与粗煤气的预处理、净化、粗氢气提纯、氨合成以及配套的公用工程系统等。

随着装置产品结构的调整，外供氢气量逐步增加、合成氨负荷下降，导致煤制氢氨装置燃料消耗量呈逐年上升趋势，装置生产成本增加，一定程度上影响了装置整体竞争力。系统分析装置各燃料气用户，针对性地提出了优化控制措施，彻底解决了装置燃料消耗高的问题，提高了装置经济性，提升了产品竞争力。

1 燃料气及相关管网流程

煤制氢氨装置燃料气包括外供的液化石油气以及装置副产的驰放气，主要为煤气化及火炬焚烧单元提供所需的燃料，其流程见图1。

1.1 液化石油气管网

煤制氢氨装置所需燃料为液化石油气，来自于内部储运系统液化石油气罐区，管输进入液化石油气管网，再分别送入火炬界区的工艺、氨酸火炬的长明灯、火炬头燃烧场的伴烧气管路、气化磨煤干燥单元的长明灯及伴烧气管路。液化石油气管路沿线均采用保温加蒸汽伴热措施，同时在进入各界区后经蒸汽气化后送入各液化石油气烧嘴，各单元设施管路均设置单独的流量计量器具。

液化石油气作为气化磨煤干燥、火炬焚烧单元的主要燃料气，控制入炉煤水分达标、保障火炬长明灯运行正常以及燃烧场燃烧充分。磨煤及火炬焚烧单元均设有温度补偿线，当低于设定的控制温度时，则自动补加伴烧液化石油气，达到提高火炬燃场及磨煤单元循环气温度的目的。

1.2 驰放气管网

该装置氨合成单元设有一套普利森驰放气回收系统，非渗透气作为驰放气送入驰放气管网，替代部分伴烧液化石油气。

图1 煤制氢氨装置燃料气流程

为控制氨合成塔中惰性气体（甲烷及氩气）含量稳定，需要从合成塔循环气中驰放掉一部分含氢（约65%）、甲烷等组分的合成气。放出的合成气先经过一套普利森膜回收设施，将合成气中氢气回收至合成回路大系统内，壳侧非渗透气送入驰放气管网，用作磨煤干燥、火炬焚烧单元的伴烧补充气，确保磨煤单元入炉煤水分、火炬燃烧场温度及环保需求。

氨合成塔通过驰放出循环气中一部分气体，达到控制合成塔入口合成气中的惰气含量即甲烷含量在6%～8%之间，驰放气的流量与氨合成回路产氨负荷相匹配。

2 液化石油气使用情况及存在的问题

液化石油气主要供给公用工程部分的火炬焚烧单元、气化磨煤及干燥单元使用。公用工程部分火炬焚烧单元液化石油气消耗包括工艺及氨酸火炬长明灯、工艺及氨酸火炬伴烧，其中工艺及氨酸火炬长明灯各一个，总耗气量约14 kg/h。氨酸火炬燃烧场温度主要通过驰放气进行伴烧，当驰放气流量不足时增加液化石油气伴烧。受上游用户放空气量及伴烧驰放气流量以及外界环境等影响，液化石油气耗量波动较大，一般为0 ～100 kg/h，短时间最大达300 kg/h以上。工艺火炬日常生产期间无放空气，伴烧气无消耗。

磨煤及干燥单元液化石油气消耗主要为惰气炉长明灯与伴烧。正常生产期间投用一盏长明灯，长明灯耗气约10 kg/h，消耗量较稳定。惰气炉设置一路液化石油气伴烧及一路驰放气伴烧，正常液化石油气消耗量为50 ～500 kg/h。惰气炉伴烧液化石油气消耗量受煤种水分、环境温度及驰放气总量影响，波动较频繁。

2017年8月至2018年4月，装置在运行过程中受诸多因素影响，造成液化石油气月度消耗偏离年度消耗定值（10.000 kg/m3），最高达26.031 kg/m3，装置消耗明显增加。

3 液化石油气消耗高的原因分析

根据液化石油气在煤制氢氨装置中的作用，对装置全流程各消耗点进行分析。

3.1 火炬焚烧单元消耗

火炬焚烧单元设有工艺、氨酸两路火炬，其中工艺火炬处理事故状态下的工艺系统放空气，氨酸火炬处理气化、净化装置的冷凝液处理汽提塔尾气。原始设计中主要燃料气为液化石油气，后续装置技术改进过程中将氨合成回路产生的高热值驰放气引入火炬焚烧单元，与放空气混合进入氨酸火炬进行焚烧。

为了保证异常状态下火炬放空气燃烧完全，在工艺及氨酸火炬管路上均设置有一路液化石油气伴烧控制回路，当火炬头燃烧场温度低于150℃时，联锁启动，控制液化石油气伴烧阀打开，通过液化石油气补偿来保证燃烧场温度≥200℃。

2017年5月装置大修开车后，外界氢气需求增加，造成氨合成回路弛放气量减少引起氨酸火炬液化石油气伴烧阀开度较大，液化石油气消耗量在100 kg/h 以上，偶尔增长至300 kg/h。同时在日常控制过程中，为防止燃烧场温度过低，造成燃烧不充分引发环境污染，操作人员将燃烧场温度控制过高。温度控制过高也是造成氨酸火炬液化石油气消耗高的原因之一。

3.2 气化磨煤干燥单元消耗

气化磨煤干燥单元作为气化炉入炉煤水分的关键控制单元，通过投加燃料气焚烧产生的热量将原煤中水含量（外水＋内水）降至入炉煤指标范围内（＜2%）。磨煤干燥单元燃料气主要为液化石油气，氨合成回路产生的高热值驰放气也作为辅助燃料气送入惰气炉进行伴烧。

2017年5月大检修后，煤制氢氨装置负荷维持在93%以上，气化装置原料煤日消耗量为0.21 万t以上，全部需要经磨煤及干燥单元，通过驰放气及液化石油气进行加热后达到降低入炉煤水分的要求。因外供氢气量增加，氨合成回路产量下降，驰放气量相应减少，送入磨煤单元的高热值驰放气同步减少，为保障磨煤单元烘煤效果需增大液化石油气用量。同时近期原料煤水分较高，部分煤种水分含量达17%，混配后原煤水分基本在11%左右，较历史同期高近1%，原煤水含量高引起烘煤过程消耗的燃料气总量增加。

负荷变化、驰放气量减少以及煤种水分高均是引起磨煤单元液化石油气消耗增加的原因。

4 改进措施

针对上述引起装置液化石油气消耗高的原因，分别从系统集成优化、工艺关键点控制、原料煤管控等方面采取措施，达到降低装置消耗的目的。

4.1 系统集成优化，利用高热值驰放气部分替代液化石油气

氨合成回路放掉的部分合成气经普利森膜回收有效氢气后，外排至燃料管网的驰放气中氢气含量约42%、甲烷含量约16%、氮气及其他惰气含量约42%。根据混合气体热值计算公式[1]，测算该装置驰放气所对应的理论燃烧热值为11.72 MJ/m3。目前装置所使用的液化石油气理论热值为47 MJ/kg。

通过对合成回路驰放气热值与液化石油气燃烧热值进行等价值的理论核算，以所需要的热量为基准，结合当前公司结算价格体系进行测算，使用液化石油气产生的费用明显高于使用驰放气产生的费用。通过理论测算，使用高热值驰放气替代液化石油气从经济性方面完全可行。

考虑到氨合成回路的内部平衡，无限量的增大驰放气流量，会造成系统内甲烷含量降低，引起驰放气热值变化。需要根据各装置特点，在实际生产过程中跟踪测算，确定最终替代量。

4.2 工艺关键点控制

1）火炬焚烧单元的优化控制

火炬燃烧场温度过低，易造成排放气焚烧不彻底，污染物排放超标，引起环保事故。操作过程中，为了提高燃烧场温度，可通过开大液化石油气伴烧以及加大驰放气流量来实现。

经过理论测算验证，逐步实施驰放气替代试验，将氨合成回路驰放气流量提高约200 m3/h，液化石油气伴烧控制阀可完全关闭，且可完全满足氨酸火炬的燃烧场要求，年平均节约液化石油气量50 kg/h以上。

将氨酸火炬燃烧场温度控制范围进一步优化，通过逐步降低至火炬单元驰放气伴烧量，将燃场温度控制范围由调整前的250℃以上逐步缩小至200 ～220℃。精确控制燃烧场温度，避免了至火炬单元驰放气放空过大引起的浪费，同时可增加至磨煤干燥单元驰放气流量，燃场温度控制降低约50℃，相当于节省液化石油气消耗10 kg/h。

2）磨煤干燥单元的优化控制

磨煤干燥单元通过燃烧燃料气将原煤中水含量控制在入炉煤指标范围内（＜2%），在以往的操作过程中，将液化石油气作为主要燃料来保障惰气炉燃烧温度，驰放气作为辅助手段进行微调。经过上下游协同调整，进一步开展磨煤系统驰放气替代试验。逐步加大合成回路驰放气量，将原经放空至火炬焚烧单元的驰放气引入磨煤单元作为主要调控手段，通过加大磨煤单元的驰放气用量，逐步取代原伴烧用液化石油气用量。试验证明，增大磨煤单元弛放气流量约300 m3/h，可节省液化石油气用量约70 kg/h。

4.3 原料煤管控

原料煤通过磨煤干燥后，将原煤中水含量降低至2%以内，达到气化炉入炉煤水分指标。原料煤水含量受煤种产地、原煤运输等影响，造成各煤种中水分波动大。通过多煤种试验，进行多元配方调配，寻找开发更多适合气化炉使用的新煤种，同时加强运输过程中的防水管理，避免外界因素引起的煤种水分波动。

5 实施效果

火炬焚烧单元通过实施将驰放气替代液化石油气伴烧，合成回路驰放气量由之前的0.82万m3/h提高至0.88 万m3/h，达到停运火炬焚烧单元液化石油气伴烧，降低磨煤干燥单元液化石油气用量的目的，也实现了装置的安全、环保、高负荷稳定运行。同时加强原料煤水分的管控，采用多煤种试烧，开发新煤种配方等，选用适合气化炉使用且水含量较低的煤种，降低了烘煤过程中的液化石油气消耗。

煤制氢氨装置各用户液化石油气消耗明显下降，液化石油气单耗由调整之前的19.7 kg/m3下降至10 kg/m3以内，详见表1。