影響煤直接液化裝置反應(yīng)溫度的主要因素

陳行泉

中國神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司煤液化生產(chǎn)中心 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017209

引言

反應(yīng)溫度是影響煤液化加氫深度的主要參數(shù)。神華煤直接液化裝置由兩臺串聯(lián)式全返混沸騰床反應(yīng)器組成，其中大部分加氫反應(yīng)（約70%～80%）在第一反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，第二反應(yīng)器加氫反應(yīng)深度相對較小。

一、裝置介紹

神華煤直接液化裝置由油煤漿制備部分、反應(yīng)部分、常減壓分餾部分和公用工程系統(tǒng)組成。煤液化裝置首先將原料煤、補(bǔ)充硫、催化劑和加氫穩(wěn)定裝置來供氫溶劑制備成油煤漿；反應(yīng)部分是將油煤漿和氫氣在高溫、高壓以及催化劑作用下進(jìn)行反應(yīng)生成液化油；常減壓分餾部分是將該液化油和未反應(yīng)的煤、灰分和催化劑等固體進(jìn)行分離；分離后的液化油去加氫穩(wěn)定裝置，含50%固體的減壓塔底油渣送出界區(qū)去油渣成型裝置處理。

二、主要因素

影響神華煤直接液化裝置反應(yīng)溫度的主要因素包括催化劑添加量、煤漿濃度、煤漿溫度、硫化氫含量、氫分壓、進(jìn)料負(fù)荷、氣液比、燃料氣熱值。

1．催化劑添加量

煤直接液化裝置催化劑采用神華自主研制的863合成催化劑，這是一種水溶性的鐵基催化劑，載體為煤粉，由催化劑制備單元提供生產(chǎn)。催化劑的有效成分在氫氣和硫化氫的高溫狀態(tài)下，會生成反應(yīng)所需的活性催化劑。如果催化劑添加量不足，將會降低化學(xué)反應(yīng)速率，減少反應(yīng)熱，無法維持反應(yīng)溫度。通過以下方法可維持正常生產(chǎn)。

第一種方法是外引罐區(qū)催化劑煤漿。假如罐區(qū)催化劑煤漿濃度為25%，外引催化劑煤漿因溫度較低（約為120℃），會降低催化劑煤漿溫度，增加煤漿爐負(fù)荷。因此，需外引一部分催化劑煤漿，約30t/h，并適當(dāng)提高反應(yīng)器入口溫度，維持反應(yīng)溫度。

第二種方法是調(diào)整催化劑的添加比例。

催化劑煤粉的添加量是根據(jù)煤粉量與催化劑中的鐵離子含量進(jìn)行調(diào)整的，按設(shè)計要求催化劑煤粉中鐵離子含量與下煤量對應(yīng)的比例為1∶100。催化劑中的鐵離子含量占催化劑煤粉總重量的6%左右。如催化劑煤粉只供應(yīng)25t/h進(jìn)行計算（鐵含量：25t/h×6%=1.5t/h，下煤量：1.5t/h×100=150t/h，按滿負(fù)荷下煤250t/h，實際負(fù)荷：150t/h÷250t/h=60%），可對應(yīng)60%負(fù)荷的煤粉下料。低負(fù)荷運行當(dāng)中，煤漿濃度偏稀，總進(jìn)料負(fù)荷可維持在60%以上。

2．煤漿濃度

煤漿濃度越稀越有利于煤熱解自由基碎片的分散和穩(wěn)定。但為了提高反應(yīng)器的空間利用率，煤漿濃度應(yīng)盡可能地提高[1]。煤漿濃度提高后，煤漿加熱爐的爐管壓降會增大，物料在爐管內(nèi)的流速降低，在加熱爐熱負(fù)荷不變的情況下，爐管壁溫度將上升，與煤漿較稀時的情況相比，加熱爐傳熱系數(shù)降低。煤漿加熱爐管壁正常操作溫度要求≤450℃，可能會有超溫點，可通過降低燃料氣用量進(jìn)行調(diào)節(jié)。此外，煤漿濃度提高后，反應(yīng)器里的反應(yīng)熱增加，有利于溫升提高，這時第一反應(yīng)器入口溫度可適當(dāng)降低，對裝置節(jié)約能耗具有重要意義。煤漿濃度過高會造成煤漿加熱爐的爐管壓降過大（爐管壓差要求≤0.25MPa），也會影響煤漿罐攪拌器的運行，所以只可適當(dāng)提高。

3．煤漿溫度

煤漿加熱爐管壁溫度要求≤450℃，爐膛溫度＜720℃，氫氣爐管壁溫度要求≤620℃。煤漿溫度低可能導(dǎo)致以上參數(shù)超過正常指標(biāo)，煤漿加熱爐管壁長時間超溫，會使個別點結(jié)焦，加熱爐運行風(fēng)險加劇。影響煤漿溫度過低的主要原因有以下幾點。一是回?zé)捨塾土窟^大。由于回?zé)捨塾蜏囟鹊?，回?zé)掃^多會降低煤漿罐溫度，對此應(yīng)調(diào)整回?zé)捔?。二是煤漿罐伴熱蒸汽量不足。如果在開大溫控調(diào)節(jié)閥后溫度仍然比較低，可檢查疏水器是否不通。三是煤粉溫度過低。此時，應(yīng)檢查粉倉伴熱是否有不熱的進(jìn)行處理。

4．硫化氫含量

系統(tǒng)硫化氫含量過低，催化劑未完全硫化，造成活性降低，煤液化化學(xué)反應(yīng)速率降低，反應(yīng)放出的熱量少，反應(yīng)溫度低。硫化氫含量過高，雖然催化劑被完全硫化，有較高的活性，但會增加液硫的消耗，引起酸性氣中硫含量過高，從而造成脫硫裝置失效，部分酸性氣放空，造成環(huán)境污染。煤液化反應(yīng)所需的系統(tǒng)硫化氫含量為1000ppm至1500ppm。在生產(chǎn)運行中要勤測硫化氫含量，根據(jù)所測結(jié)果及時調(diào)整高、低壓注硫量，保證系統(tǒng)硫化氫在正常范圍內(nèi)。

5．氫分壓

氫分壓越高越有利于煤的液化反應(yīng)。但壓力的提高會使氫氣壓縮和煤漿加壓消耗的能量也增加，因此需綜合各方面的因素考慮。在系統(tǒng)總壓不變的情況下，要使氫分壓提高，主要是提高系統(tǒng)氫的含量，也就是提高系統(tǒng)氫純度?？梢酝ㄟ^以下方法提高系統(tǒng)氫純度。

提高新氫補(bǔ)入量。在系統(tǒng)總壓不變的情況下，提高新氫使用量，在低負(fù)荷狀態(tài)下可使系統(tǒng)內(nèi)的氫氣含量增多，氫氣純度相應(yīng)地提高。在高負(fù)荷狀態(tài)下，同樣總壓不變，提高新氫補(bǔ)入量后，膜分離系統(tǒng)氣體回收去脫硫裝置和輕烴回收裝置的尾氣排放量會增加不少，因這兩套裝置處理膜分離尾氣的能力有限，會導(dǎo)致部分膜分離尾氣無法回收不得不放空，所以通過提高新氫補(bǔ)入量的方法只適用于系統(tǒng)低負(fù)荷時。

當(dāng)制氫出現(xiàn)故障，新氫量減少時，為維持系統(tǒng)總壓不降，循環(huán)氫量將會減少。系統(tǒng)氫純度降低，氫分壓降低。為維持正常反應(yīng)溫度，反應(yīng)器內(nèi)氣液比不能過低，只能根據(jù)新氫量減少的情況和氣液比降低的情況降低進(jìn)料量，以維持正常的反應(yīng)溫度。

此外，膜分離系統(tǒng)膜部分損壞致使整體膜的提純效果下降，造成氫純度降低。這種情況下，需對膜分離單根膜逐個進(jìn)行切除試驗，找到影響提純效果差的膜并進(jìn)行更換。

6．進(jìn)料負(fù)荷

在不同的進(jìn)料負(fù)荷狀態(tài)下，物料在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間也會有所不同。進(jìn)料量低，物料在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間就長，時間長則物料反應(yīng)得就會比較充分，反之則物料不能完全反應(yīng)[2]。裝置經(jīng)過多次標(biāo)定和數(shù)據(jù)整理發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)煤液化裝置87%負(fù)荷產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)性相對較高。

7．氣液比

氣液比通常用氣體標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量（Nm3/h）與煤漿體積流量（m3/h）之比來表示。當(dāng)氣液比提高時，液相的較小分子將更多地進(jìn)入氣相，而氣體在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間遠(yuǎn)低于液相停留時間，這樣就減少了小分子的液化油繼續(xù)發(fā)生裂化反應(yīng)的可能性，卻增加了液相中大分子的瀝青烯和前瀝青烯在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間，從而提高了它們的轉(zhuǎn)化率。氣液比的提高會增加液相的返混程度，這對反應(yīng)有利。但提高氣液比也會產(chǎn)生負(fù)面影響，即氣液比提高會使反應(yīng)器內(nèi)氣含率增加，使液相所占空間減少，這樣就使液相停留時間縮短，反而對反應(yīng)不利。此外，提高氣液比還會增加循環(huán)壓縮機(jī)的負(fù)荷，增加能量消耗。

煤液化反應(yīng)的氣液比最佳值，應(yīng)在700Nm3/t～1000Nm3/t范圍內(nèi)。目前煤液化裝置受系統(tǒng)負(fù)荷、補(bǔ)充氫量、膜分離提純效果等多種因素影響，氣液比大概在400Nm3/t～500Nm3/t范圍內(nèi)[3]。

8．燃料氣熱值

燃料氣熱值的變化直接體現(xiàn)在加熱爐溫度的變化上。熱值低，燃料氣用量大，加熱爐的溫度卻燒上不去，這樣就會導(dǎo)致反應(yīng)器的入口溫度達(dá)不到需求，第一反應(yīng)器的平均溫度降低。反應(yīng)溫度低，反應(yīng)生成的氣體烴類物質(zhì)排放也會相應(yīng)地減少，去輕烴回收裝置量的減少將導(dǎo)致燃料氣熱值更低，這將是一個惡性循環(huán)。要維持燃料氣量的穩(wěn)定，就要維持正常的反應(yīng)溫度。一旦反應(yīng)溫度因操作不當(dāng)或其他原因影響到燃料氣的熱值，應(yīng)及時通知調(diào)度，在燃料氣中摻入瓦斯，提高熱值迅速恢復(fù)反應(yīng)溫度。

三、結(jié)語

煤液化工藝各項因素變化對煤液化反應(yīng)溫度的影響是一個復(fù)雜的過程，有時是幾種因素同時作用。對此，相關(guān)工作人員要認(rèn)真分析，利用掌握的知識和經(jīng)驗進(jìn)行綜合判斷，盡快查找原因進(jìn)行調(diào)整，以維持反應(yīng)器溫度的穩(wěn)定，使煤液化生產(chǎn)平穩(wěn)運行，從而產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。