焦炉煤气压缩机打气量提升技改总结

白雪峰

（山西丰喜华瑞煤化工有限公司，山西新绛 043100）

0 引 言

山西丰喜华瑞煤化工有限公司（简称丰喜华瑞） “24·40”项目（240kt／a合成氨、400 kt／a尿素）以焦炉煤气与半水煤气（间歇式固定床气化炉制气）为原料生产合成氨与尿素。其中，焦炉煤气脱硫采用常压改良ADA法脱硫工艺，焦炉煤气经罗茨鼓风机加压至30kPa，送入湍流塔与脱硫塔脱硫至H2S含量＜10mg／m3，脱硫后焦炉煤气进入冷却清洗塔清洗，防止煤气夹带脱硫液，接着通过电捕焦油器脱除煤气中的焦油等杂质、气水分离器脱除水分后，送往4M20型活塞式压缩机加压至2.0MPa，之后去往干法脱硫系统，将焦炉煤气中剩余的有机硫利用铁钼催化剂加氢转化成无机硫（H2S），再通过氧化锰将其脱除，使出口气总硫≤20mg／m3。用于原料气加压的4M20型活塞式压缩机（简称低压机）共7台，原设计1＃、2＃、3＃低压机（两开一备）用于半水煤气加压，4＃、5＃、6＃、7＃低压机（三开一备）用于焦炉煤气加压。

2012年丰喜华瑞实施焦炉煤气综合利用挖潜改造，增加了1套焦炉煤气变压吸附提氢系统（PSA系统），设计处理焦炉煤气量25000m3／h（标况，下文无特别说明处气量均为标况），未增加低压机，只是将3＃、4＃低压机（两开无备）进出口管线进行改造，专供PSA系统使用，如此一来，半水煤气低压机仅剩1＃、2＃低压机（两开无备），焦炉煤气低压机仅剩5＃、6＃、7＃低压机（三开无备）。活塞式压缩机排气容量为固定值，而气体在定压情况下，温度与体积成正比，在夏季高温天气，从湿法脱硫系统送往低压机的焦炉煤气管道白天被烈日暴晒，管道吸热后将热量传递给焦炉煤气，使得低压机一段进口焦炉煤气的温度显著升高，焦炉煤气体积膨胀，造成低压机吸气量减小，这在焦炉煤气气量不足的情况下对生产的影响并不显著，但在焦炉煤气充足的情况下，由于低压机吸气量下降，多余的焦炉煤气就需放空，在消耗相同焦炉煤气（含放空）的情况下合成氨产量明显降低，合成氨生产成本显著增高。

1 技改背景

2019年周边焦化厂供应丰喜华瑞的焦炉煤气量由30000m3／h增至43000m3／h，由于焦炉煤气转化系统设计焦炉煤气的处理能力为34000 m3／h，在焦炉煤气量为30000m3／h的情况下转化系统完全可以处理，PSA提氢系统停用；但当焦炉煤气量达到43000m3／h时，转化系统无法处理多余的气体，PSA系统需投运。运行方案为，焦炉煤气从气柜出口分为两路，一路12000 m3／h焦炉煤气送入PSA系统，提取6480m3／h氢气送往氨合成系统高压机入口，PSA系统产生的5520m3／h富甲烷气返回焦炉煤气气柜，与另一路31000m3／h焦炉煤气混合，混合后总气量为36520m3／h，其中2000m3／h作为燃烧气使用，其余送往转化系统。

丰喜华瑞焦炉煤气低压机型号均为4M20-220／23-BX，属四列四级对称平衡型活塞式压缩机，设计吸气温度40℃、吸气压力10kPa、进口气量为11100m3／h。3台焦炉煤气低压机（5＃、6＃、7＃低压机）在冬季气温较低时可满足生产需求，但在夏季高温天气情况下，低压机打气能力明显不足，焦炉煤气放空1000～2000 m3／h。换言之，半水煤气为丰喜华瑞自产，气量可调控，而焦炉煤气为周边焦化厂供应，其气量无法控制，在焦炉煤气气量超出低压机打气能力后，只能在气柜处放空，尤其是在夏季，放空频次增加，既浪费原料又污染环境。另外，近年来合成氨与尿素市场持续低迷，节能降耗、降本增效成为丰喜华瑞生产管理中的重点工作，为避免夏季高温天气焦炉煤气系统需开4台低压机，采取了提高低压机进气压力、在低压机进口管道上苫盖遮阳网、用一次水在焦炉煤气管道外表面喷水等措施，但效果均不太理想。

参考压缩机级间冷却的办法，丰喜华瑞考虑利用冷却水或冷冻水与焦炉煤气进行换热带走其一部分热量，以提升低压机的打气量。焦炉煤气经过湿法脱硫后，其中的水蒸气达到饱和状态，水蒸气的饱和温度与饱和压力是一一对应的，饱和温度升高，饱和蒸汽压也相应提高，据道尔顿分压定律可知，焦炉煤气中饱和蒸汽压与水蒸气的摩尔质量成正比，即焦炉煤气温度越高，饱和蒸汽压越高，焦炉煤气中的水蒸气越多，若要对焦炉煤气进行降温，必须将换热设备设置在气液分离器前，便于对冷凝液进行分离，防止冷凝液大量进入低压机而损坏设备。基于以上考虑，丰喜华瑞在低压机的气水分离器前增设1台列管式换热器给焦炉煤气降温，管程走焦炉煤气，壳程走冷却水；加之化产系统溴化锂制冷机组一直闲置，本技改考虑利用溴化锂制冷机组制取的冷冻水来冷却焦炉煤气，以缩小换热设备尺寸，减少投资。

2 技改方案

2020年3月，丰喜华瑞对2＃、3＃、4＃低压机进出口管线进行改造，改造后，2＃、3＃低压机既可用于PSA系统也可用于半水煤气加压，4＃低压机既可用于PSA系统也可用于焦炉煤气加压，由此保证半水煤气、焦炉煤气、PSA系统使用的低压机均有备机；同时，在电捕焦油器与气水分离器之间增设1台列管式换热器（焦炉煤气冷却器），利用化产系统闲置的溴化锂制冷机组制备冷冻水对焦炉煤气进行降温，降温后的焦炉煤气再经气水分离器分离水分后送低压机加压。

2.1 冬夏季不同气温下低压机打气量差异

焦炉煤气低压机设计吸气压力10kPa、吸气温度40℃，设计标况排气量为11100m3／h，以11100m3／h标况排气量折算夏季与冬季工况下的打气量：夏季进气压力22kPa、进气温度40℃，折工况气量为10455m3／h，与标况设计值相比少645m3／h；冬季进气压力18kPa、进气温度10℃，折工况气量为9771m3／h，与标况设计值相比少1329m3／h。换言之，夏季与冬季相比，质量相同的气体，体积相差684m3／h，生产负荷以冬季为基准，则3台低压机在夏季时打气量会减少约684×3＝2052m3／h。

2.2 夏季进入低压机焦炉煤气温度的确定

焦炉煤气总气量43000m3／h，PSA系统处理气量12000m3／h，湿法脱硫后进入低压机总气量为34520m3／h，单机气量约11506m3／h，工况气量取第2.1节夏季折算气量10455m3／h，工况压力取夏季进气压力22kPa，当地平均大气压99kPa，由理想气体状态方程pV＝nRT得p标V标／T标＝p工V工／T工，代入有关数据有101.325×11506÷273.15＝（99+22）×10455÷（273.15+t工），计算可得夏季工况温度t工＝23.24℃，即夏季焦炉煤气进入低压机的温度宜在23.24℃，为便于计算，取整为23℃。

2.3 焦炉煤气由40℃降至23℃所需冷量

丰喜华瑞焦炉煤气经湿法脱硫后，焦炉煤气中含有大量水分，在焦炉煤气的降温过程中放出的热量分为两部分：一部分是焦炉煤气温度由40℃降至23℃放出的显热Q1，一部分为焦炉煤气中水蒸气冷凝放出的冷凝热Q2。

2.3.1 焦炉煤气降温放出的显热Q1

丰喜华瑞焦炉煤气组分 （φi）约为H259.0%、CH420.0%、CO 8.0%、CO24.5%、N26.7%、O20.3%、C6H61.5%。焦炉煤气（混合气体）各组分的比热容按定值进行粗略计算，各组分定压比热容 （cpi）分别为cpH2＝29.10kJ／（kmol·K）、cpCH4＝37.41kJ／（kmol·K）、cpCO＝29.10kJ／（kmol·K）、cpCO2＝37.41 kJ／（kmol·K）、cpN2＝29.10kJ／（kmol·K）、cpO2＝29.10kJ／（kmol·K）、cpC6H6＝37.41 kJ／（kmol·K），则焦炉煤气的定压比热容cp＝∑φicpi＝59.0% ×29.10+20.0% ×37.41+8.0% ×29.10+4.5%×37.41+6.7% ×29.10+0.3% ×29.10+1.5% ×37.41＝31.26kJ／（kmol·K）；则43000m3／h的焦炉煤气温度由40℃降至23℃放出的热量Q1＝m·cp·△t＝43000÷22.4×31.26×（40-23）＝1.020×106kJ／h。

2.3.2 水蒸气冷凝放出的冷凝热Q2

低压机一段进口焦炉煤气总量43000m3／h、温度40℃、压力22kPa，当地平均大气压为99 kPa，据《工程热力学》［7］附表1（饱和水与饱和水蒸气表）查得40℃时水蒸气的饱和蒸汽压为7.38kPa，则出湿法脱硫系统后焦炉煤气中的水分为43000×7.38÷（99+22）÷22.4×18＝2107.48kg／h。

经冷却后焦炉煤气温度由40℃降至23℃，压力为22kPa，查得22℃时水蒸气的饱和蒸汽压为2.64kPa、24℃时水蒸气的饱和蒸汽压为2.98kPa，采用插值法可得23℃时水蒸气的饱和蒸汽压为2.81kPa，则出新增列管式换热器（焦炉煤气冷却器）气体中水分为43000×2.81÷（99+22）÷22.4×18＝802.44kg／h。

因此，经新增列管式换热器（焦炉煤气冷却器）分离出来的水量为2107.48-802.44＝1305.04kg／h，据《工程热力学》［7］附表1（饱和水与饱和水蒸气表），22℃水蒸气的相变热为2448.6kJ／kg、24℃水蒸气的相变热为2443.9 kJ／kg，采用插值法计算可得23℃水蒸气的相变热为2446.25kJ／kg，则焦炉煤气中水蒸气冷凝放出的热量Q2＝m′·h＝1305.04×2446.25＝3.19×106kJ／h。

焦炉煤气温度由40℃降至23℃放出的热量为1.020×106kJ／h，焦炉煤气中水蒸气冷凝放出的热量为3.19×106kJ／h，则此过程中放出的总热量为4.21×106kJ／h，即1169.44kW。

丰喜华瑞化产系统闲置的蒸汽双效型溴化锂吸收式冷水机组，型号为RCW060SG，制冷量为2326kW，高于焦炉煤气降温过程中放出的总热量1169.44kW，其冷冻水流量288m3／h，冷冻水进出口温度分别为23℃、10℃，其制冷量与冷冻水温度均可满足焦炉煤气的降温需求。

2.4 焦炉煤气冷却器换热面积确定

2.4.1 逆流对流平均温差

焦炉煤气进冷却器温度t1＝40℃、出冷却器温度t1′＝23℃，溴化锂制冷机组冷冻水设计出水温度可达10℃，考虑到节能因素，尽量减小溴化锂制冷机组的能耗，这里冷冻水出水温度t2设定为20℃；考虑换热理想，冷冻水回水温度与焦炉煤气出冷却器温度相同，即t2′＝23℃，则对流平均温差△t1c＝［（t1-t2′）-（t1′-t2）］÷ln［（t1-t2′）÷（t1′-t2）］＝［（40-23）-（23-20）］÷ln［（40-23）÷（23-20）］＝8℃。

2.4.2 传热面积确定

（1）由前述可知，焦炉煤气温度由40℃降至23℃放出的热量为1.020×106kJ／h，即283.33kW；据《传热学》［2］附录12（常用换热器传热系数的大致范围表）热交换流体内侧为气体、外侧为清水的传热系数选取范围为20～70W／（m2·K），这里选取换热器传热系数K0为40W／（m2·K），则所需换热面积为A1＝Q1／（K0·△t1c）＝283.33×103÷（40×8）＝885m2。

（2）由前述可知，焦炉煤气中水蒸气冷凝放出的热量为3.19×106kJ／h，即886kW；据《传热学》［2］附录12（常用换热器传热系数大致范围表）内侧为水蒸气凝结水、外侧为清水之传热系数取值范围为350～1000W／（m2·K），这里选取传热系数K0′为350W／（m2·K），则所需换热面积为A2＝Q2／（K0′·△t1c）＝886×103÷（350×8）＝316m2。

（3）总换热面积A＝A1+A2＝885+316＝1201m2，本技改焦炉煤气冷却器实际换热面积取整为1200m2。

3 运行情况

本技改项目于2020年3月22日完成，2020年6月20日，溴化锂制冷机组开机，焦炉煤气冷却器通水正式投运。技改后焦炉煤气出气柜后分为两路，第一路走PSA系统+湿法脱硫系统，焦炉煤气经4＃低压机加压后送往PSA系统；第二路走焦炉煤气湿法脱硫系统，经5＃、6＃、7＃低压机加压后送往焦炉煤气干法脱硫系统。本次技改仅对第二路焦炉煤气进行降温，即进入4＃低压机的焦炉煤气不降温，进入5＃、6＃、7＃低压机的焦炉煤气提前降温。

2020年6月20—21日对低压机一段进口温度进行统计：未经降温的4＃低压机这两天的一段进口日均温度分别为39.6℃、44.3℃，而经降温后的5＃、6＃、7＃低压机这两天的一段进口日均温度则分别为29.3℃、29.2℃、31.9℃与28.0℃、28.6℃、29.9℃，降温效果明显。

4 结束语

丰喜华瑞通过在焦炉煤气湿法脱硫系统电捕焦油器与气水分离器之间增设1台换热器（焦炉煤气冷却器），采用水气换热的方式，利用化产系统闲置的溴化锂制冷机组制取的冷冻水对焦炉煤气进行降温。2020年6月20日焦炉煤气冷却器通水正式投运，焦炉煤气低压机一段进口温度降低约10.4～16.3℃，解决了焦炉煤气低压机高温季节时打气量低的瓶颈问题，3台低压机（5＃、6＃、7＃低压机）打气量合计增加约2000 m3／h，即焦炉煤气放空量减少约2000m3／h；焦炉煤气价格按0.5元／m3计，夏季夜间气温低、白天气温高，一年中高温时间按120个白天计，年可节约生产成本2000×12×120×0.5÷10000＝144万元。

随着焦炉煤气低压机打气量的提升，合成氨产量增加，系统总能耗下降，生产成本随之降低。另外，在气水分离器前增设焦炉煤气冷却器可将焦炉煤气中大量的水分去除，可减少焦炉煤气中水分对低压机气缸润滑油的影响，减少低压机润滑油的添加量，并避免气缸磨损，利于焦炉煤气低压机的稳定、优质运行。