中煤龙化化工公司煤气、甲醇和天然气装置实际产能评估及运行评价

刘 伟，解 强

（1.中国中煤能源集团有限公司，北京100120；2.中国矿业大学，北京100083）

中煤集团龙化化工公司前身是哈尔滨气化厂，是国家八五期间的重点工程项目；其具有世界先进水平的德国鲁奇公司PKM加压气化技术，林德公司低温甲醇洗煤气净化技术，超级克劳斯硫回收技术，甲醇合成采用杭州林达公司甲醇合成塔，Davy公司催化剂。目前，其具有3套甲醇合成装置，分别是6万t·a-1，8万t·a-1及2006年至2009年新建的34万t·a-1装置；后于2010年新建天然气提取装置，产能为1.02亿Nm3·a-1。

该项目从建成伊始，主要由于原料煤指标达不到设计要求，原设计文件要求煤的灰分低于26%，而实际运行的原料煤灰分一直在34%左右，因此，煤气产能一直没有达到设计标准。经过多年运行后，又进行了较多的工艺改造及新建装置工作，且原有工艺流程长，各装置相互影响复杂，若按照现有实际的供煤情况，若造气分厂5台气化炉4开1备365天满负荷运行时，选煤分厂约85%的负荷，空分分厂约43%的负荷，净化分厂约65%的负荷即可满足粗煤气的生产及其加工处理能力。在造气装置满负荷生产的情况下，若年产6000万Nm3的天然气，则剩余煤气量只能生产甲醇约25.3万t·a-1；此时，天然气装置能力利用率约为60%，甲醇装置能力利用率约为60%。所以目前非常有必要从全厂角度对各装置的实际产能及运行状态进行详细评价，并对影响全厂稳定运行的一些因素进行分析，从而用于指导该企业的生产经营决策。

1 造气装置概况

造气分厂5台气化炉为原民主德国引进的PKM煤气发生炉，双层筒体立式结构，III类中压反应容器。气化炉高度10640mm，外径ø4000mm，内壳体ø3700×ø3636×7985mm。夹套内为冷却水和蒸汽，温度280℃。气化炉设计压力3.0MPa，工作压力2.8MPa，气化炉内壳体为不锈钢复合板，原设计向火面有耐火砖。原料为碎煤、蒸汽和氧气混合物，不同区域工作温度约在200~1100℃之间，产品为粗煤气。单台气化炉设计生产能力为35000Nm3·h-1粗煤气（氧负荷6000Nm3·h-1），1993年投产后始终没能达产，部分原因是炉内挂壁、工况恶化、气化炉出口温度高且波动大、布煤器烧坏；后经多次改造，布煤器，由原来的伞状内部集气改为钟罩型外部集气；炉栅布气孔封堵，炉栅布气孔由3层改为4层布气；耐火砖扒掉等改造后可以达到设计生产能力。但由于原料煤灰分较高，设计入炉原料煤灰分为26%，实际入炉原料煤灰分为33%~35%左右），实际生产始终没能实现设计生产能力。

回收车间的液态产品分离装置是接收造气、净化来料，经过减压闪蒸和重力沉降将其分离，并为造气、净化提供洗涤煤气的酚水，剩余的酚水进入到酚回收装置。酚回收装置将酚水中的氨、酚进行脱除后送到生化装置，氨气经三级冷凝去氨回收装置。氨回收装置经过精馏得到液氨。

1.1 影响造气稳定运行的原因

目前，影响造气装置长周期稳定运行的原因主要有：（1）入炉原料煤中灰分较高，设计值为26%，实际入炉约34%，排灰能力逼近极限，并且易造成结渣堵塞空心轴使排灰困难，从而影响了煤气产量和运行的稳定性。入炉原料煤粒度要求均匀，临界粒度煤含量不应超20%，实际入炉煤的临界粒度煤含量超过了20%，增加了炉子的操作难度，造成炉子运行不稳定；（2）由于扒掉了气化炉内壁的耐火砖，内壁易出现裂纹，更换内套检修量大，从而影响炉子的运行率；（3）由于煤气废水中尘油含量较多极易造成管线、塔板、换热器堵塞现象严重致使操作控制困难，检修任务较繁重，也会影响到炉子的运行率。

1.2 造气装置生产能力评估及2014年度产量预算

1.2.1 2014年检修时间计划 根据造气分厂对气化炉计划检修的时间安排，以及非计划停车的经验数据，2014年全年预计需花费检修时间总计365台天。主要包含以下几个方面：（1）2014年预计更换两台炉内套：约80×2=160台天；（2）另外3台炉局部换板或裂纹处理：约30+20+20=70台天；（3）5台炉中小修：清喉管、清空心轴、废锅管束更换、刮板机检修、锥阀更换等：约20×5=100台天；（4）由于各种突发故障、全厂大修等原因造成的停车约5× 7=35台天。气化炉装置能够实现全年四开一备运行，即5×365-365=1460台天。全年计划检修考虑到每年的全厂停车大修时间，为确保全年运行1460台天，预计将会有60d左右要运行5台炉子，其余日子基本上确保4台炉子运行，实现平稳高负荷运行。1.2.2粗煤气全年生产能力估算 在34%灰含量的原料煤情况下，单台炉氧负荷为4500Nm3·h-1左右。每小时约产4500Nm3·h×4台×5.5=99000Nm3粗煤气，每天产99000Nm3·h-1×24h=2376000Nm3粗煤气，全年产2376000Nm3×365d=867240000 Nm3粗煤气。粗煤气成分见表1。

表1 粗煤气成分表Tab.1 Crude gas composition

2 甲醇和天然气装置概况

中煤龙化化工公司甲醇分厂现有的六万、八万、三十四万及天然气4套装置，目前，处于运行状态的有八万、三十四万和天然气装置，人工提取天然气装置的原料分为两部分：（1）来自34万t甲醇装置吹除气，流量26400Nm3·h-1，压力7.0MPa；（2）来自8万t甲醇装置吹除气，流量18000Nm3·h-1，压力4.4MPa。天然气提取装置产能1.02亿Nm3·a-1，目前，按合同要求每年计划产6000万Nm3·a-1。

表2 25万t和8万t甲醇尾气组分表Tab.2 Off-gas composition of 25*104 ton and 8*104 ton methanol installations

2.1 甲醇和天然气产能评估

造气装置的粗煤气产量决定了精甲醇和天然气的总产量，若全年实现粗煤气产量为867240000Nm3，其中包含了的有效组分为：CH4为867240000×11.06% =95916744Nm3，全年合同要求外供天然气60000000Nm3；那么要有35916744Nm3甲烷要通过部分氧化转化成甲醇合成原料气，按照每吨甲醇消耗甲烷930Nm3计，可转产精甲醇约为3.862万t。（H2+CO）总计约867240000×（36.23%+21.84%）=503606268Nm3，按照2350Nm3（H2+CO）生产1t精甲醇计，约可生产21.43万t精甲醇，总计约年产25.3t精甲醇。

则预计全年甲醇产量为25.3万t，天然气产量6000万m3，折合甲醇量总计为31.75万t。

2.2 甲醇装置和天然气装置运行状态评估

造气装置提供的粗煤气中，天然气的含量为9591万Nm3，而合同要求外供的天然气为6000万Nm3，在实际生产过程中，随季节不同，各个月份所需供给的天然气并不相同，冬季供给负荷大，夏季供给负荷小，春秋随着输气管线压力的变化也需随时调整天然气的供应量，所以天然气部分氧化转化装置经常在全开、不开、低负荷运行等3种状态下运行，从而对增加了装置能耗并复杂了操作管理。2.2.1部分氧化全开实际生产数据 2012年7月份部分氧化装置高负荷运行，此阶段粗煤气产量为132000Nm3·h-1，34万甲醇合成装置能生产粗甲醇34.4t·h-1，8万t甲醇合成装置能生产8.7t·h-1，总共能得到约43t·h-1粗甲醇，按含水8%计，可生产精甲醇39.5t·h-1。同时生产天然气5000Nm3·h-1，即每天可得到948t精甲醇和12万Nm3天然气。12万Nm3天然气按930Nm3折1t精甲醇计，可折算成129t精甲醇。此间当量精甲醇产量约为1077t·a-1。

2.2.2 部分氧化停车实际生产数据 2012年12月中旬，为了满足天然气生产需求，部分氧化装置停车，甲醇合成装置引净煤气进行生产，部分氧化实际停车。这阶段煤气产量为140000Nm3·h-1，34万甲醇合成装置能生产粗甲醇18.5t·h-1，8万t甲醇合成装置能生产7.8t·h-1，总共能得到约26.3t·h-1粗甲醇，按含水8%计，可生产精甲醇24.2t·h-1。同时生产天然气12500Nm3·h-1，即每天可得到581t精甲醇和30万Nm3天然气。30万Nm3天然气按930Nm3折一吨精甲醇计，可折算成332.6t精甲醇。此间当量精甲醇产量约为913.6t·d-1。

2.2.3 部分氧化低负荷运行实际生产数据 2013年2月中旬，部分氧化装置开车，但是由于天然气需求量的限制，投入一部分氧进行生产。这阶段煤气产量为130000 Nm3·h-1，34万甲醇合成装置能生产粗甲醇23.5t·h-1，8万t甲醇合成装置能生产8.77t·h-1，总共能得到约32.27t·h-1粗甲醇，按含水8%计，可生产精甲醇29.7t·h-1。同时生产天然气10000Nm3·h-1，即每天可得到712t精甲醇和24万Nm3天然气。24万Nm3天然气按930Nm3折一吨精甲醇计，可折算成258.1t精甲醇。此间当量精甲醇产量约为970.1t·d-1。

2013年4月以后，部分氧化装置逐渐将O2量恢复正常，34万t·a-1甲醇装置回到正常生产状态。也就是又回到了部分氧化全开状态下运行。

2.2.4 甲醇和天然气产品的产量调节 原项目设计是净煤气通过部分氧化装置将原料净煤气中的甲烷转换成CO和H2，用于甲醇的生产，但由于部分氧化装置耗氧、耗燃料气，能耗高，生产出的甲醇成本高，所以公司为了降低能耗，降低甲醇成本，提高企业利润，在实现考虑部分氧化装置完全停止运行的情况下，设计实施了天然气提取项目。

设计实施中考虑，原料净煤气直接进入甲醇合成的联合压缩机增压后与循环气混合后在联合压缩机的循环段增压进入甲醇合成塔，出塔气经过甲醇冷凝器得到粗甲醇产品，未反应的气体循环回到甲醇联合压缩机循环段入口，在回到联合压缩机循环段之前，34万t合成塔出口抽出循环气总量约的1/20的量作为吹除气，作为膜分离提取天然气的原料气，将不返回到部分氧化装置进行甲烷转化。8万t合成塔出口抽出循环气总量的约1/10的量作为膜分离提取天然气的原料气。这两股原料气先经过各自的第一级膜分离回收其中的氢气返回甲醇合成做甲醇原料气，剩下的含更高浓度甲烷的气体，经过一个射流喷射器用34万t甲醇合成塔抽出的第一级膜分离（100#）出口的高压富甲烷原料气来带从8万t甲醇合成塔抽出的第一级膜分离（200#）出口的较低压力的富甲烷原料气，起到了均压混合作用。混合后的富甲烷原料气进入一个独立设置的变换装置把混合原料气中的CO变换成H2和CO2，再进入一个MDEA脱除CO2装置，然后进入300#膜分离，经过二级膜分离提浓得到含甲烷92%以上的煤制天然气可以作为民用或者工业用高热值的天然气，进一步脱水加压可以作为车用燃料（CNG），提高企业经济竞争能力。

提取天然气装置为甲醇吹除气人工提取煤基天然气装置，从34万t甲醇驰放气和8万t甲醇驰放气中分离回收富H2、天然气。根据甲醇吹除气的甲烷含量及全装置的总物料平衡，本装置的公称规模天然气产量为12838Nm3·h-1，总富H2产量31238Nm3·h-1，年开工时间按8000h计，全年天然气产能为1.027亿Nm3。为了提取天然气，8万t甲醇必须尽量开满负荷。34万t甲醇因为气量、气体组分远远偏离原设计工况，并且原料气和循环气中含有大量的甲烷，造成压缩功耗大大增加，甲醇合成效率降低，故不能充分发挥生产能力。

因为34万t甲醇项目中的部分氧化装置能耗高，建设了天然气提取装置后可以停运部分氧化装置，结果是，34万t甲醇项目中部分氧化装置和3万空分装置闲置，没有投资效益。

实际上因为天然气提取出来后不能被下游全部接收，只好把一部分未提取出来的甲烷再返回到部分氧化装置转化成甲醇合成气，客观上使得空分耗能、部分氧化耗能较高，34万t甲醇合成压缩仍然处于不合理的运行状态，合成效率降低，综合能耗大大增加，而甲醇产量没有提高。总体上讲，天然气装置的建设使得34万t甲醇项目投资效益不能得到发挥，而8万t甲醇合成必须基本开满，总体上的能耗却变得增加；下游天然气需求量的变动性使得生产协调及配合变得较为复杂，若公司能在稳定生产的前提下，制定出供应哈尔滨市每年固定的天然气量，对于改善生产配合会有一定效果。

3 建议

建议龙化公司从准确核算甲醇成本及设备维护和折旧等方面入手，进行经济效益综合分析，以厂、矿一盘棋的高度统筹考虑，寻找符合龙化公司最大经济效益诉求的原料综合利用和分配平衡点以及产品生产比例平衡点。对比现有运营情况下，甲醇的生产成本和全系统满负荷运行甲醇生产成本。重点研究全系统满负荷运行状态下的甲醇成本，以对自产煤炭的分配及利用提出合理方案，并考虑在外购原煤进行生产以达到满负荷状态运营以降低甲醇的生产成本；另外，应根据市场甲醇价格的变动情况，合理安排甲醇和天然气的产量比例关系，而非以天然气供应的变动情况调节甲醇生产，也将有利于提高企业的经济效益。