劉 偉，解 強(qiáng)

（1.中國(guó)中煤能源集團(tuán)有限公司，北京100120；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，北京100083）

中煤集團(tuán)龍化化工公司前身是哈爾濱氣化廠，是國(guó)家八五期間的重點(diǎn)工程項(xiàng)目；其具有世界先進(jìn)水平的德國(guó)魯奇公司PKM加壓氣化技術(shù)，林德公司低溫甲醇洗煤氣凈化技術(shù)，超級(jí)克勞斯硫回收技術(shù)，甲醇合成采用杭州林達(dá)公司甲醇合成塔，Davy公司催化劑。目前，其具有3套甲醇合成裝置，分別是6萬(wàn)t·a-1，8萬(wàn)t·a-1及2006年至2009年新建的34萬(wàn)t·a-1裝置；后于2010年新建天然氣提取裝置，產(chǎn)能為1.02億Nm3·a-1。

該項(xiàng)目從建成伊始，主要由于原料煤指標(biāo)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，原設(shè)計(jì)文件要求煤的灰分低于26%，而實(shí)際運(yùn)行的原料煤灰分一直在34%左右，因此，煤氣產(chǎn)能一直沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行后，又進(jìn)行了較多的工藝改造及新建裝置工作，且原有工藝流程長(zhǎng)，各裝置相互影響復(fù)雜，若按照現(xiàn)有實(shí)際的供煤情況，若造氣分廠5臺(tái)氣化爐4開(kāi)1備365天滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，選煤分廠約85%的負(fù)荷，空分分廠約43%的負(fù)荷，凈化分廠約65%的負(fù)荷即可滿(mǎn)足粗煤氣的生產(chǎn)及其加工處理能力。在造氣裝置滿(mǎn)負(fù)荷生產(chǎn)的情況下，若年產(chǎn)6000萬(wàn)Nm3的天然氣，則剩余煤氣量只能生產(chǎn)甲醇約25.3萬(wàn)t·a-1；此時(shí)，天然氣裝置能力利用率約為60%，甲醇裝置能力利用率約為60%。所以目前非常有必要從全廠角度對(duì)各裝置的實(shí)際產(chǎn)能及運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行詳細(xì)評(píng)價(jià)，并對(duì)影響全廠穩(wěn)定運(yùn)行的一些因素進(jìn)行分析，從而用于指導(dǎo)該企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)決策。

1 造氣裝置概況

造氣分廠5臺(tái)氣化爐為原民主德國(guó)引進(jìn)的PKM煤氣發(fā)生爐，雙層筒體立式結(jié)構(gòu)，III類(lèi)中壓反應(yīng)容器。氣化爐高度10640mm，外徑?4000mm，內(nèi)殼體?3700×?3636×7985mm。夾套內(nèi)為冷卻水和蒸汽，溫度280℃。氣化爐設(shè)計(jì)壓力3.0MPa，工作壓力2.8MPa，氣化爐內(nèi)殼體為不銹鋼復(fù)合板，原設(shè)計(jì)向火面有耐火磚。原料為碎煤、蒸汽和氧氣混合物，不同區(qū)域工作溫度約在200~1100℃之間，產(chǎn)品為粗煤氣。單臺(tái)氣化爐設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為35000Nm3·h-1粗煤氣（氧負(fù)荷6000Nm3·h-1），1993年投產(chǎn)后始終沒(méi)能達(dá)產(chǎn)，部分原因是爐內(nèi)掛壁、工況惡化、氣化爐出口溫度高且波動(dòng)大、布煤器燒壞；后經(jīng)多次改造，布煤器，由原來(lái)的傘狀內(nèi)部集氣改為鐘罩型外部集氣；爐柵布?xì)饪追舛?，爐柵布?xì)饪子?層改為4層布?xì)猓荒突鸫u扒掉等改造后可以達(dá)到設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力。但由于原料煤灰分較高，設(shè)計(jì)入爐原料煤灰分為26%，實(shí)際入爐原料煤灰分為33%~35%左右），實(shí)際生產(chǎn)始終沒(méi)能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力。

回收車(chē)間的液態(tài)產(chǎn)品分離裝置是接收造氣、凈化來(lái)料，經(jīng)過(guò)減壓閃蒸和重力沉降將其分離，并為造氣、凈化提供洗滌煤氣的酚水，剩余的酚水進(jìn)入到酚回收裝置。酚回收裝置將酚水中的氨、酚進(jìn)行脫除后送到生化裝置，氨氣經(jīng)三級(jí)冷凝去氨回收裝置。氨回收裝置經(jīng)過(guò)精餾得到液氨。

1.1 影響造氣穩(wěn)定運(yùn)行的原因

目前，影響造氣裝置長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行的原因主要有：（1）入爐原料煤中灰分較高，設(shè)計(jì)值為26%，實(shí)際入爐約34%，排灰能力逼近極限，并且易造成結(jié)渣堵塞空心軸使排灰困難，從而影響了煤氣產(chǎn)量和運(yùn)行的穩(wěn)定性。入爐原料煤粒度要求均勻，臨界粒度煤含量不應(yīng)超20%，實(shí)際入爐煤的臨界粒度煤含量超過(guò)了20%，增加了爐子的操作難度，造成爐子運(yùn)行不穩(wěn)定；（2）由于扒掉了氣化爐內(nèi)壁的耐火磚，內(nèi)壁易出現(xiàn)裂紋，更換內(nèi)套檢修量大，從而影響爐子的運(yùn)行率；（3）由于煤氣廢水中塵油含量較多極易造成管線(xiàn)、塔板、換熱器堵塞現(xiàn)象嚴(yán)重致使操作控制困難，檢修任務(wù)較繁重，也會(huì)影響到爐子的運(yùn)行率。

1.2 造氣裝置生產(chǎn)能力評(píng)估及2014年度產(chǎn)量預(yù)算

1.2.1 2014年檢修時(shí)間計(jì)劃 根據(jù)造氣分廠對(duì)氣化爐計(jì)劃?rùn)z修的時(shí)間安排，以及非計(jì)劃停車(chē)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，2014年全年預(yù)計(jì)需花費(fèi)檢修時(shí)間總計(jì)365臺(tái)天。主要包含以下幾個(gè)方面：（1）2014年預(yù)計(jì)更換兩臺(tái)爐內(nèi)套：約80×2=160臺(tái)天；（2）另外3臺(tái)爐局部換板或裂紋處理：約30+20+20=70臺(tái)天；（3）5臺(tái)爐中小修：清喉管、清空心軸、廢鍋管束更換、刮板機(jī)檢修、錐閥更換等：約20×5=100臺(tái)天；（4）由于各種突發(fā)故障、全廠大修等原因造成的停車(chē)約5× 7=35臺(tái)天。氣化爐裝置能夠?qū)崿F(xiàn)全年四開(kāi)一備運(yùn)行，即5×365-365=1460臺(tái)天。全年計(jì)劃?rùn)z修考慮到每年的全廠停車(chē)大修時(shí)間，為確保全年運(yùn)行1460臺(tái)天，預(yù)計(jì)將會(huì)有60d左右要運(yùn)行5臺(tái)爐子，其余日子基本上確保4臺(tái)爐子運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)高負(fù)荷運(yùn)行。1.2.2粗煤氣全年生產(chǎn)能力估算 在34%灰含量的原料煤情況下，單臺(tái)爐氧負(fù)荷為4500Nm3·h-1左右。每小時(shí)約產(chǎn)4500Nm3·h×4臺(tái)×5.5=99000Nm3粗煤氣，每天產(chǎn)99000Nm3·h-1×24h=2376000Nm3粗煤氣，全年產(chǎn)2376000Nm3×365d=867240000 Nm3粗煤氣。粗煤氣成分見(jiàn)表1。

表1 粗煤氣成分表Tab.1 Crude gas composition

2 甲醇和天然氣裝置概況

中煤龍化化工公司甲醇分廠現(xiàn)有的六萬(wàn)、八萬(wàn)、三十四萬(wàn)及天然氣4套裝置，目前，處于運(yùn)行狀態(tài)的有八萬(wàn)、三十四萬(wàn)和天然氣裝置，人工提取天然氣裝置的原料分為兩部分：（1）來(lái)自34萬(wàn)t甲醇裝置吹除氣，流量26400Nm3·h-1，壓力7.0MPa；（2）來(lái)自8萬(wàn)t甲醇裝置吹除氣，流量18000Nm3·h-1，壓力4.4MPa。天然氣提取裝置產(chǎn)能1.02億Nm3·a-1，目前，按合同要求每年計(jì)劃產(chǎn)6000萬(wàn)Nm3·a-1。

表2 25萬(wàn)t和8萬(wàn)t甲醇尾氣組分表Tab.2 Off-gas composition of 25*104 ton and 8*104 ton methanol installations

2.1 甲醇和天然氣產(chǎn)能評(píng)估

造氣裝置的粗煤氣產(chǎn)量決定了精甲醇和天然氣的總產(chǎn)量，若全年實(shí)現(xiàn)粗煤氣產(chǎn)量為867240000Nm3，其中包含了的有效組分為：CH4為867240000×11.06% =95916744Nm3，全年合同要求外供天然氣60000000Nm3；那么要有35916744Nm3甲烷要通過(guò)部分氧化轉(zhuǎn)化成甲醇合成原料氣，按照每噸甲醇消耗甲烷930Nm3計(jì)，可轉(zhuǎn)產(chǎn)精甲醇約為3.862萬(wàn)t。（H2+CO）總計(jì)約867240000×（36.23%+21.84%）=503606268Nm3，按照2350Nm3（H2+CO）生產(chǎn)1t精甲醇計(jì)，約可生產(chǎn)21.43萬(wàn)t精甲醇，總計(jì)約年產(chǎn)25.3t精甲醇。

則預(yù)計(jì)全年甲醇產(chǎn)量為25.3萬(wàn)t，天然氣產(chǎn)量6000萬(wàn)m3，折合甲醇量總計(jì)為31.75萬(wàn)t。

2.2 甲醇裝置和天然氣裝置運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估

造氣裝置提供的粗煤氣中，天然氣的含量為9591萬(wàn)Nm3，而合同要求外供的天然氣為6000萬(wàn)Nm3，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，隨季節(jié)不同，各個(gè)月份所需供給的天然氣并不相同，冬季供給負(fù)荷大，夏季供給負(fù)荷小，春秋隨著輸氣管線(xiàn)壓力的變化也需隨時(shí)調(diào)整天然氣的供應(yīng)量，所以天然氣部分氧化轉(zhuǎn)化裝置經(jīng)常在全開(kāi)、不開(kāi)、低負(fù)荷運(yùn)行等3種狀態(tài)下運(yùn)行，從而對(duì)增加了裝置能耗并復(fù)雜了操作管理。2.2.1部分氧化全開(kāi)實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù) 2012年7月份部分氧化裝置高負(fù)荷運(yùn)行，此階段粗煤氣產(chǎn)量為132000Nm3·h-1，34萬(wàn)甲醇合成裝置能生產(chǎn)粗甲醇34.4t·h-1，8萬(wàn)t甲醇合成裝置能生產(chǎn)8.7t·h-1，總共能得到約43t·h-1粗甲醇，按含水8%計(jì)，可生產(chǎn)精甲醇39.5t·h-1。同時(shí)生產(chǎn)天然氣5000Nm3·h-1，即每天可得到948t精甲醇和12萬(wàn)Nm3天然氣。12萬(wàn)Nm3天然氣按930Nm3折1t精甲醇計(jì)，可折算成129t精甲醇。此間當(dāng)量精甲醇產(chǎn)量約為1077t·a-1。

2.2.2 部分氧化停車(chē)實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù) 2012年12月中旬，為了滿(mǎn)足天然氣生產(chǎn)需求，部分氧化裝置停車(chē)，甲醇合成裝置引凈煤氣進(jìn)行生產(chǎn)，部分氧化實(shí)際停車(chē)。這階段煤氣產(chǎn)量為140000Nm3·h-1，34萬(wàn)甲醇合成裝置能生產(chǎn)粗甲醇18.5t·h-1，8萬(wàn)t甲醇合成裝置能生產(chǎn)7.8t·h-1，總共能得到約26.3t·h-1粗甲醇，按含水8%計(jì)，可生產(chǎn)精甲醇24.2t·h-1。同時(shí)生產(chǎn)天然氣12500Nm3·h-1，即每天可得到581t精甲醇和30萬(wàn)Nm3天然氣。30萬(wàn)Nm3天然氣按930Nm3折一噸精甲醇計(jì)，可折算成332.6t精甲醇。此間當(dāng)量精甲醇產(chǎn)量約為913.6t·d-1。

2.2.3 部分氧化低負(fù)荷運(yùn)行實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù) 2013年2月中旬，部分氧化裝置開(kāi)車(chē)，但是由于天然氣需求量的限制，投入一部分氧進(jìn)行生產(chǎn)。這階段煤氣產(chǎn)量為130000 Nm3·h-1，34萬(wàn)甲醇合成裝置能生產(chǎn)粗甲醇23.5t·h-1，8萬(wàn)t甲醇合成裝置能生產(chǎn)8.77t·h-1，總共能得到約32.27t·h-1粗甲醇，按含水8%計(jì)，可生產(chǎn)精甲醇29.7t·h-1。同時(shí)生產(chǎn)天然氣10000Nm3·h-1，即每天可得到712t精甲醇和24萬(wàn)Nm3天然氣。24萬(wàn)Nm3天然氣按930Nm3折一噸精甲醇計(jì)，可折算成258.1t精甲醇。此間當(dāng)量精甲醇產(chǎn)量約為970.1t·d-1。

2013年4月以后，部分氧化裝置逐漸將O2量恢復(fù)正常，34萬(wàn)t·a-1甲醇裝置回到正常生產(chǎn)狀態(tài)。也就是又回到了部分氧化全開(kāi)狀態(tài)下運(yùn)行。

2.2.4 甲醇和天然氣產(chǎn)品的產(chǎn)量調(diào)節(jié) 原項(xiàng)目設(shè)計(jì)是凈煤氣通過(guò)部分氧化裝置將原料凈煤氣中的甲烷轉(zhuǎn)換成CO和H2，用于甲醇的生產(chǎn)，但由于部分氧化裝置耗氧、耗燃料氣，能耗高，生產(chǎn)出的甲醇成本高，所以公司為了降低能耗，降低甲醇成本，提高企業(yè)利潤(rùn)，在實(shí)現(xiàn)考慮部分氧化裝置完全停止運(yùn)行的情況下，設(shè)計(jì)實(shí)施了天然氣提取項(xiàng)目。

設(shè)計(jì)實(shí)施中考慮，原料凈煤氣直接進(jìn)入甲醇合成的聯(lián)合壓縮機(jī)增壓后與循環(huán)氣混合后在聯(lián)合壓縮機(jī)的循環(huán)段增壓進(jìn)入甲醇合成塔，出塔氣經(jīng)過(guò)甲醇冷凝器得到粗甲醇產(chǎn)品，未反應(yīng)的氣體循環(huán)回到甲醇聯(lián)合壓縮機(jī)循環(huán)段入口，在回到聯(lián)合壓縮機(jī)循環(huán)段之前，34萬(wàn)t合成塔出口抽出循環(huán)氣總量約的1/20的量作為吹除氣，作為膜分離提取天然氣的原料氣，將不返回到部分氧化裝置進(jìn)行甲烷轉(zhuǎn)化。8萬(wàn)t合成塔出口抽出循環(huán)氣總量的約1/10的量作為膜分離提取天然氣的原料氣。這兩股原料氣先經(jīng)過(guò)各自的第一級(jí)膜分離回收其中的氫氣返回甲醇合成做甲醇原料氣，剩下的含更高濃度甲烷的氣體，經(jīng)過(guò)一個(gè)射流噴射器用34萬(wàn)t甲醇合成塔抽出的第一級(jí)膜分離（100#）出口的高壓富甲烷原料氣來(lái)帶從8萬(wàn)t甲醇合成塔抽出的第一級(jí)膜分離（200#）出口的較低壓力的富甲烷原料氣，起到了均壓混合作用?；旌虾蟮母患淄樵蠚膺M(jìn)入一個(gè)獨(dú)立設(shè)置的變換裝置把混合原料氣中的CO變換成H2和CO2，再進(jìn)入一個(gè)MDEA脫除CO2裝置，然后進(jìn)入300#膜分離，經(jīng)過(guò)二級(jí)膜分離提濃得到含甲烷92%以上的煤制天然氣可以作為民用或者工業(yè)用高熱值的天然氣，進(jìn)一步脫水加壓可以作為車(chē)用燃料（CNG），提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)能力。

提取天然氣裝置為甲醇吹除氣人工提取煤基天然氣裝置，從34萬(wàn)t甲醇馳放氣和8萬(wàn)t甲醇馳放氣中分離回收富H2、天然氣。根據(jù)甲醇吹除氣的甲烷含量及全裝置的總物料平衡，本裝置的公稱(chēng)規(guī)模天然氣產(chǎn)量為12838Nm3·h-1，總富H2產(chǎn)量31238Nm3·h-1，年開(kāi)工時(shí)間按8000h計(jì)，全年天然氣產(chǎn)能為1.027億Nm3。為了提取天然氣，8萬(wàn)t甲醇必須盡量開(kāi)滿(mǎn)負(fù)荷。34萬(wàn)t甲醇因?yàn)闅饬?、氣體組分遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離原設(shè)計(jì)工況，并且原料氣和循環(huán)氣中含有大量的甲烷，造成壓縮功耗大大增加，甲醇合成效率降低，故不能充分發(fā)揮生產(chǎn)能力。

因?yàn)?4萬(wàn)t甲醇項(xiàng)目中的部分氧化裝置能耗高，建設(shè)了天然氣提取裝置后可以停運(yùn)部分氧化裝置，結(jié)果是，34萬(wàn)t甲醇項(xiàng)目中部分氧化裝置和3萬(wàn)空分裝置閑置，沒(méi)有投資效益。

實(shí)際上因?yàn)樘烊粴馓崛〕鰜?lái)后不能被下游全部接收，只好把一部分未提取出來(lái)的甲烷再返回到部分氧化裝置轉(zhuǎn)化成甲醇合成氣，客觀上使得空分耗能、部分氧化耗能較高，34萬(wàn)t甲醇合成壓縮仍然處于不合理的運(yùn)行狀態(tài)，合成效率降低，綜合能耗大大增加，而甲醇產(chǎn)量沒(méi)有提高?？傮w上講，天然氣裝置的建設(shè)使得34萬(wàn)t甲醇項(xiàng)目投資效益不能得到發(fā)揮，而8萬(wàn)t甲醇合成必須基本開(kāi)滿(mǎn)，總體上的能耗卻變得增加；下游天然氣需求量的變動(dòng)性使得生產(chǎn)協(xié)調(diào)及配合變得較為復(fù)雜，若公司能在穩(wěn)定生產(chǎn)的前提下，制定出供應(yīng)哈爾濱市每年固定的天然氣量，對(duì)于改善生產(chǎn)配合會(huì)有一定效果。

3 建議

建議龍化公司從準(zhǔn)確核算甲醇成本及設(shè)備維護(hù)和折舊等方面入手，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益綜合分析，以廠、礦一盤(pán)棋的高度統(tǒng)籌考慮，尋找符合龍化公司最大經(jīng)濟(jì)效益訴求的原料綜合利用和分配平衡點(diǎn)以及產(chǎn)品生產(chǎn)比例平衡點(diǎn)。對(duì)比現(xiàn)有運(yùn)營(yíng)情況下，甲醇的生產(chǎn)成本和全系統(tǒng)滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行甲醇生產(chǎn)成本。重點(diǎn)研究全系統(tǒng)滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下的甲醇成本，以對(duì)自產(chǎn)煤炭的分配及利用提出合理方案，并考慮在外購(gòu)原煤進(jìn)行生產(chǎn)以達(dá)到滿(mǎn)負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)營(yíng)以降低甲醇的生產(chǎn)成本；另外，應(yīng)根據(jù)市場(chǎng)甲醇價(jià)格的變動(dòng)情況，合理安排甲醇和天然氣的產(chǎn)量比例關(guān)系，而非以天然氣供應(yīng)的變動(dòng)情況調(diào)節(jié)甲醇生產(chǎn)，也將有利于提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。