【正文】 系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 空分設(shè)備趨向大型化隨著大化肥、煤化工、石化、鋼鐵等大型工程項(xiàng)目的興建和擴(kuò)建，從降低投資費(fèi)用，運(yùn)行費(fèi)用和方便管理等方面著眼，要求工程配套的空分設(shè)備也趨于大型化，國外最大的空分單機(jī)制氧能力已達(dá)100000 Nm3/h 以上。因此，在同樣規(guī)模的內(nèi)壓縮流程中，氮壓機(jī)的尺寸要比增壓空氣壓縮機(jī)的尺寸大，耗功也要高一些。 技術(shù)來源及引進(jìn)意見根據(jù)以上工藝技術(shù)路線的確定，主要技術(shù)來源及引進(jìn)范圍如下：1）水煤漿氣化引進(jìn)德士古工藝軟件包及專利許可證，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)由國內(nèi)完成；或采用國內(nèi)多噴嘴水煤漿氣化技術(shù)。為了降低煤漿粘度，使煤漿具有良好的流動性，需加入添加劑，初步選擇木質(zhì)磺酸類添加劑。本工段的化學(xué)反應(yīng)為變換反應(yīng)，以下列方程式表示： CO+H2O—→H2+CO2由氣化碳洗塔來的粗水煤氣經(jīng)氣液分離器分離掉氣體夾帶的水分后，進(jìn)入氣體過濾器除去雜質(zhì)，然后分成兩股，一部分（約為55%）進(jìn)入原料氣預(yù)熱器與變換氣換熱至305℃左右進(jìn)入變換爐，與自身攜帶的水蒸汽在耐硫變換催化劑作用下進(jìn)行變換反應(yīng)，出變換爐的高溫氣體經(jīng)蒸汽過熱器與甲醇合成及變換副產(chǎn)的中壓蒸汽換熱、過熱中壓蒸汽，自身溫度降低后在原料氣預(yù)熱器與進(jìn)變換的粗水煤氣換熱，溫度約335℃進(jìn)入中壓蒸汽發(fā)生器，溫度降至270℃之后，與另一部分未變換的粗水煤氣（約為45%）混合，一起進(jìn)入低壓蒸汽發(fā)生器溫度降至180℃，然后進(jìn)入脫鹽水加熱器、水冷卻器最終冷卻到40℃進(jìn)入低溫甲醇洗吸收系統(tǒng)。富H2S甲醇液自H2S濃縮塔底出來后進(jìn)熱再生塔給料泵加壓，甲醇貧液冷卻器換熱升溫進(jìn)甲醇再生塔頂部。Clinsulf反應(yīng)器由兩個反應(yīng)段組成。由加壓塔底出來的甲醇溶液自流入常壓塔下塔進(jìn)一步蒸餾，常壓塔頂出來的回流液一部分回流，一部分作為精甲醇經(jīng)泵送入貯存系統(tǒng)。空氣經(jīng)下塔初步精餾后，獲得富氧液空、純液氮，富氧液空經(jīng)過冷器過冷后節(jié)流進(jìn)入上塔。甲醇裝置區(qū)設(shè)置一個中央控制室對整個裝置區(qū)的工藝過程進(jìn)行集中監(jiān)視和控制，中央控制室為密閉型（設(shè)中央空調(diào)），由操作室、機(jī)柜室、工程師站室、電源室、備品備件室及維修室等組成。**甲醇工廠建立在氣候條件比較惡劣的地區(qū)，應(yīng)選取較高防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的儀表。但還有一些專用溫度儀表如：氣化爐爐壁表面溫度監(jiān)視器、氣化爐體、煤筒倉、甲醇合成塔的溫度元件選用特殊的多點(diǎn)式。其中氣化工段的渣閥選用特殊材質(zhì)和型式的調(diào)節(jié)閥。ESD系統(tǒng)保持與DCS系統(tǒng)獨(dú)立，輸入元件和儀表單獨(dú)設(shè)置，重要聯(lián)鎖采用雙重元件或三重元件，采用2/3邏輯。用量： ～6000Nm3/h。 空分和熱電站隨機(jī)成套儀表按照設(shè)備制造商的標(biāo)準(zhǔn)選用。氧氣調(diào)節(jié)閥和切斷閥必須按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格選用。其它分析如CH3OH分析儀、電導(dǎo)率儀和PH計(jì)將被用在適當(dāng)場合。除一些就地氣動控制器和隨設(shè)備成套的特殊測量儀表外，通常儀表采用電子型。另外，設(shè)置可燃和有毒氣體檢測系統(tǒng)，當(dāng)裝置內(nèi)的可燃和有毒氣體濃度超過要求時，發(fā)出報警信號。ESD主要用于氣化工藝系統(tǒng)安全聯(lián)鎖和全廠聯(lián)鎖。純化器的切換周期約為46小時，定時自動切換。甲醇合成水冷反應(yīng)器副產(chǎn)中壓蒸汽經(jīng)變換過熱后送工廠中壓蒸汽管網(wǎng)。硫化氫進(jìn)行氧化反應(yīng)所需氧氣由空氣風(fēng)機(jī)提供。2）溶液再生系統(tǒng)從高壓閃蒸器上部和底部分別產(chǎn)生的無硫甲醇富液和含硫甲醇富液進(jìn)入H2S濃縮塔，進(jìn)行閃蒸汽提。閃蒸出的高壓氣體經(jīng)過灰水加熱器回收熱量之后，通過氣液分離器分離掉冷凝液，然后進(jìn)入變換工段汽提塔。為了控制煤漿粘度及保持煤漿的穩(wěn)定性加入添加劑，并加入堿液調(diào)整煤漿的pH值。全廠設(shè)統(tǒng)一的儀表空氣和工廠空氣管網(wǎng)?？諝庋h(huán)是用高壓空氣來復(fù)熱高壓液氧和高壓液氮產(chǎn)品（根據(jù)需要），液氧、液氮根據(jù)需要用泵加壓到所需壓力；氮?dú)庋h(huán)流程是用高壓氮?dú)鈦韽?fù)熱高壓液氧，用液氧泵壓縮液氧達(dá)到所需壓力，用氮壓機(jī)壓縮氮?dú)膺_(dá)到所需壓力。209。這兩種工藝技術(shù)特點(diǎn)比較見下表：甲醇生產(chǎn)方法比較表項(xiàng) 目Lurgi法ICI法合成壓力bar50～10050～118合成溫度℃225～250230～270催化劑組成CuZnAlVCuZnAl時空收率t/m3本技術(shù)已用于哈爾濱氣化廠8萬噸/年甲醇裝置中，效果良好。國外已有數(shù)套裝置采用此種塔型。其主要缺點(diǎn)是：反應(yīng)器因有部分氣體與未反應(yīng)氣體之間的返混，催化劑空時產(chǎn)率不高，用量較大；僅能回收低品位熱能。 栲膠法在國內(nèi)合成氨廠已普遍使用，操作經(jīng)驗(yàn)豐富，但設(shè)備數(shù)量多、投資大，且尚無用于高CO2含量酸氣先例。離心式制冷機(jī)與其它幾種類型的制冷機(jī)相比，具有轉(zhuǎn)速高，制冷量大，蒸發(fā)溫度低，機(jī)械磨損小，易損件少，維護(hù)簡單，連續(xù)工作時間長，振動小，運(yùn)行平穩(wěn)，機(jī)組重量輕、占地面積小，能經(jīng)濟(jì)方便地調(diào)節(jié)制冷量等優(yōu)點(diǎn)，同時采用蒸汽透平驅(qū)動離心式制冷壓縮機(jī)，節(jié)能效果明顯。國內(nèi)大連理工大學(xué)經(jīng)過近20年的研究，也開發(fā)成功了低溫甲醇洗工藝軟件包，并獲得了國內(nèi)兩項(xiàng)專利。本項(xiàng)目采用的低溫甲醇洗技術(shù)需要35℃級的冷量移出反應(yīng)熱，采用氨壓縮制冷工藝流程。2) 凈化工藝技術(shù)a) 凈化工藝技術(shù)概況采用煤漿氣化工藝生產(chǎn)的粗煤氣除含CO、HCO2外，還有少量H2S、COS、CHN2，微量的氯，氨等成分。該技術(shù)雖然能連續(xù)加壓氣化，但由于氣化溫度較低(~1000℃)，生成氣中甲烷含量大，同時生成氣中含苯、酚、焦油等一系列難處理的物質(zhì)，凈化流程長；尤其是該技術(shù)只能用碎煤不能用粉煤，因而原料利用率低，盡管篩分下來的粉煤可以配燃煤鍋爐加以利用。該技術(shù)目前只有國外兩套以煤為原料大型裝置在運(yùn)行，用于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，工業(yè)化的經(jīng)驗(yàn)不多，技術(shù)須依賴進(jìn)口，國內(nèi)技術(shù)支撐率低。以日處理750噸煤的氣化爐進(jìn)行比較，初步估算投資費(fèi)用差別如下： 德士古與四噴嘴爐投資比較氣化技術(shù)德士古水煤漿氣化水煤漿四噴嘴撞擊流氣化德士古爐四噴嘴爐氣化爐設(shè)備費(fèi)（萬元）1臺1臺200煤漿泵設(shè)備費(fèi)1臺2臺200自控儀表材料費(fèi)（萬元）1套4套500其他工程費(fèi)（萬元）410軟件費(fèi)（萬元）16602001460合計(jì)（萬元）150從上表可看出，水煤漿四噴嘴撞擊流氣化爐和典型的德士古水煤漿氣化爐相比，硬件投資增加，但軟件投資可節(jié)省，兩者相抵，總投資相差不多，采用國內(nèi)有自主知識產(chǎn)權(quán)的四噴嘴撞擊流氣化爐稍微低一點(diǎn)。帶出細(xì)粉經(jīng)除塵系統(tǒng)捕集后返回氣化爐，再次參加反應(yīng)，有利于碳利用率的進(jìn)一步提高。固定床氣化技術(shù)固定床氣化技術(shù)在我國運(yùn)用較廣，較為先進(jìn)的有魯奇（Lurgi）氣化技術(shù)?！妫? ≤高錳酸鉀試驗(yàn)，min ≥503020水溶液試驗(yàn)澄清水份含量，% ≤酸度（以HCOOH計(jì)），% ≤堿度（以NH3計(jì)），% ≤羰基化合物（以CH2O計(jì)）， ≤蒸發(fā)殘?jiān)浚?% ≤2）副產(chǎn)品硫磺硫磺產(chǎn)品符合中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)（GB244992）優(yōu)等品指標(biāo)。**集團(tuán)萬利煤礦地處鄂爾多斯市，礦區(qū)有豐富的煤炭資源，從儲量和目前的生產(chǎn)能力上看，完全可滿足合成甲醇所需合成氣原料的需要。該技術(shù)壓力較低，建有生產(chǎn)燃料氣的裝置，目前沒有生產(chǎn)合成氣的裝置。氣化劑采用蒸汽和富氧，富氧分為兩段加入氣化爐，在常壓下進(jìn)行氣化反應(yīng)，反應(yīng)溫度為1000~1100℃，固態(tài)排渣，無廢氣排放。為配合水煤漿氣化的研究試驗(yàn)工作，洛陽材料研究所研究制成了水煤漿氣化爐的耐火磚，原化工部化工機(jī)械研究所開發(fā)了二流道、三流道的燒嘴，重慶熱工儀表研究所開發(fā)了適于水煤漿氣化的測溫度計(jì)等。氣化溫度1300～1400℃，氣化爐無轉(zhuǎn)動部件，對于生產(chǎn)合成氣的氣化爐，大多采用冷激流程。廢鍋流程可產(chǎn)生高壓蒸汽，但由于氣化氣溫度高、帶有大量煤渣，對廢鍋有磨蝕沖刷，設(shè)備材質(zhì)要求高，一次投資及維修費(fèi)用較大；激冷流程是在氣化爐內(nèi)將氣體用水激冷降溫的同時，洗滌除塵，出氣化爐的氣體帶有大量的水蒸汽，在變換工段不再補(bǔ)加蒸汽；這種流程氣化設(shè)備投資較低，維修工作量較少。采用耐硫變換時，煤漿氣化粗合成氣經(jīng)洗滌后含塵量1～2mg/m3（標(biāo)），溫度為230～245℃，并被水蒸汽飽和，~，直接經(jīng)過加熱升溫后即可進(jìn)入變換，不需再補(bǔ)加蒸汽。根據(jù)粗水煤氣量，本項(xiàng)目采用部分變換流程，變換氣和未變換氣分開，這樣使得設(shè)備尺寸減小，便于制造和運(yùn)輸。由于沒有中間循環(huán)甲醇提供冷量，吸收所需的冷量全部由外部供給；甲醇溶液循環(huán)量相對較大，相對于林德流程能耗稍高，吸收塔的尺寸也較大。采用了省功器后，部分中間壓力的低溫氣體補(bǔ)入壓縮機(jī)的二級入口，起到了一次補(bǔ)氣冷卻的作用，從而達(dá)到節(jié)能的效果。4) 甲醇合成與精餾的工藝技術(shù)方案選擇a) 國外工藝技術(shù)概況1923年，德國BASF公司在合成氨工業(yè)化的基礎(chǔ)上，首先用鋅鋁催化劑在高溫高壓的條件下，實(shí)現(xiàn)了由一氧化碳和氫合成甲醇的工業(yè)化生產(chǎn)，從此逐步淘汰了由木材干餾制甲醇的生產(chǎn)方法。Lurgi低壓合成甲醇反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)主要有：合成甲醇反應(yīng)器催化劑床層內(nèi)溫度較為均勻，大部分床層溫度在250255℃之間，溫度變化小，催化劑使用壽命長，并允許原料氣中含有較高的CO；能準(zhǔn)確、靈敏地控制反應(yīng)溫度，催化劑床層的溫度可以通過調(diào)節(jié)蒸汽壓力控制；回收的反應(yīng)熱位能高，熱量利用合理；反應(yīng)器出口甲醇含量較高，催化劑利用率高；設(shè)備緊湊，開停車方便；合成反應(yīng)過程中副反應(yīng)少，故粗甲醇中雜質(zhì)含量少，質(zhì)量高。由于液相合成中使用了熱容高，導(dǎo)熱系數(shù)大的惰性液體，可以使甲醇的合成反應(yīng)在等溫條件下進(jìn)行，同時，由于分散在液相介質(zhì)中的催化劑的比表面積非常大，加速了反應(yīng)過程，反應(yīng)溫度和壓力也下降很多，該技術(shù)尚需要大型工程化的驗(yàn)證。同時考慮大件設(shè)備運(yùn)輸困難，無論采用何種技術(shù)，單臺反應(yīng)器均難以實(shí)現(xiàn)。至于兩臺反應(yīng)器串聯(lián)，即Lurgi雙合成塔（氣冷和管殼水冷）還是兩臺管殼式反應(yīng)器并聯(lián)，兩者投資相差不多，因壓縮機(jī)和控制方面的因素，前者略低。目前國內(nèi)已投運(yùn)的寶鋼5 空分單機(jī)制氧能力已達(dá)70000Nm3/h等級。另外循環(huán)氮?dú)庵饕亲鳛槲蘸娃D(zhuǎn)移低溫冷量的一種載體，而空氣則不僅完成了這種功能，還與精餾有機(jī)的結(jié)合了起來，并能使精餾過程更加有效。2）低溫甲醇洗購買Lurgi或Linde的工藝軟件包或基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)，詳細(xì)設(shè)計(jì)由國內(nèi)完成。煤漿氣化需調(diào)整漿的pH值在6～8，可用稀氨水或堿液，稀氨水易揮發(fā)出氨，氨氣對人體有害，污染空氣，故本項(xiàng)目擬采用堿液調(diào)整煤漿的pH值，堿液初步采用42%的濃度。氣液分離器分離出來的高溫工藝?yán)淠核蜌饣ざ翁枷此?。甲醇中殘存的CO2以及溶解的H2S由再沸器提供的熱量進(jìn)行熱再生，混和氣出塔頂經(jīng)多級冷卻分離，甲醇一級冷凝液回流，二級冷凝液經(jīng)換熱進(jìn)入H2S濃縮塔底部。第一段的催化劑床層是不經(jīng)過冷卻的，這里主要是進(jìn)行初始化的激活反應(yīng)，第一段中較高的溫度有利于反應(yīng)的發(fā)生和進(jìn)行。常壓塔底的含甲醇的廢水送入磨煤工段作為磨煤用水。在上塔進(jìn)一步精餾后，上塔底部獲得液氧，并經(jīng)液氧泵壓縮后進(jìn)入高壓板式換熱器，復(fù)熱后出冷箱，進(jìn)入氧氣管網(wǎng)。中央控制室的建筑面積約為800m2。 甲醇生產(chǎn)過程自動控制水平及儀表選型原則1）自動控制水平甲醇裝置工藝過程決定了必須隔離和集中操作和控制，所以，本設(shè)計(jì)擬采用當(dāng)今世界上可靠而先進(jìn)并且便于操作和編程的DCS系統(tǒng)在裝置中央控制室對整個甲醇裝置生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)視和自動控制。b) 壓力儀表就地壓力表一般采用波登管型測量元件，根據(jù)工藝介質(zhì)要求采用彈簧管、隔膜和膜盒型。自力式調(diào)節(jié)閥用于控制精度要求不高的地方。ESD采用經(jīng)國際機(jī)構(gòu)認(rèn)證的3重冗余系統(tǒng)，確保安全系統(tǒng)可靠運(yùn)行，從而保證裝置設(shè)備和人身安全。儀表用壓縮空氣設(shè)置空氣貯罐，其容量應(yīng)能保持在氣源中斷時，維持儀表正常工作5～15分鐘。大型機(jī)泵和設(shè)備設(shè)就地控制盤，如煤漿給料泵等。 保證自動控制系統(tǒng)運(yùn)行的主要安全技術(shù)措施按照工藝要求選用適合介質(zhì)特性的有運(yùn)行業(yè)績的可靠現(xiàn)場檢測儀表和調(diào)節(jié)閥，尤其是擔(dān)當(dāng)聯(lián)鎖和順序控制的切斷閥。洗滌后的合成氣中H2分析采用熱導(dǎo)式分析儀。2）儀表選型原則甲醇裝置選用的儀表將是可靠的、先進(jìn)的和準(zhǔn)確的，以保證裝置安全正常操作和維修方便。由上，確定本甲醇裝置采用集中控制的方式，在裝置的中央控制室使用DCS進(jìn)行檢測和自動控制，并采用獨(dú)立的符合TUV5~6級安全等級的ESD系統(tǒng)完成煤氣化和全裝置的安全聯(lián)鎖保護(hù)。甲醇裝置的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)將由獨(dú)立于DCS系統(tǒng)的緊急停車系統(tǒng)（ESD）完成。分子篩純化器為兩臺，其中一臺工作時，另一臺再生。系統(tǒng)弛放氣及甲醇膨脹槽產(chǎn)生的膨脹氣混合送往工廠鍋爐燃料系統(tǒng)。酸性氣體在進(jìn)反應(yīng)器前用反應(yīng)器中產(chǎn)生的中壓蒸汽預(yù)熱，同時，這個系統(tǒng)還需要從外界補(bǔ)充一部分中壓蒸汽來彌補(bǔ)硫化氫濃縮過程中對熱量的需求。未變換氣的吸收流程同變換氣的吸收流程。澄清槽底部的細(xì)渣漿經(jīng)泵抽出送往過濾機(jī)給料槽，經(jīng)由過濾機(jī)給料泵加壓后送至真空過濾機(jī)脫水，渣餅由汽車?yán)鰪S外。 主要操作條件1） 磨煤機(jī) 煤稱重進(jìn)料機(jī)給料速率：50t/h磨煤機(jī)出口槽液位63％磨煤機(jī)出口槽泵出口水煤漿流量：56m3/h；溫度：50℃；壓力：(G)煤漿給料泵入口水煤漿壓力：(G)水煤漿控制指標(biāo)水煤漿控制指標(biāo)濃度6065％(wt)8目100％密度1260kg／m314目％溫度38℃60℃粒度分布40目％粘度9001500cp325目％PH值7—92）煤漿給料泵和氧氣煤漿給料泵出口水煤漿流量:95945kg/h；溫度: 50℃；壓力:(G) 空分來的純氧流量: 204421Nm3/h；溫度: 37℃；壓力: (G) 純度 :%3）氣化爐氣化爐氣化反應(yīng)溫度:13001450℃；壓力: (G)氣化爐洗滌冷卻室出口合成氣溫度:℃；壓力: (G)氣化爐支撐板溫度：250℃氣化爐表面熱電偶溫度：295℃氣化爐與爐出口合成氣壓差： MPa燒嘴冷卻水泵