甲醇合成塔床層超溫原因分析

李雪冰,閆國富

(中國神華煤制油化工有限公司包頭煤化工分公司,內蒙古包頭 014010)

0 引 言

神華包頭煤制烯烴項目甲醇合成裝置引進英國Johnson Matthey/Davy公司大規模甲醇合成技術,日產MTO級甲醇5 500 t(100%甲醇)。該套裝置生產能力居世界首位。自裝置試開車以來,甲醇合成塔上部催化劑床層局部熱點一直處于超溫狀態。本文主要從甲醇合成塔內件結構、催化劑還原沉降、工藝操作等方面對催化劑上部床層局部熱點超溫現象進行探討分析。

1 甲醇合成裝置流程簡介

甲醇合成系統采用的是串并聯的流程方式。來自上游凈化裝置的合格新鮮氣經過蒸汽透平驅動的聯合式壓縮機的合成段升壓后進入凈化槽。經凈化催化劑深度脫硫后分為兩股配入兩個合成塔的循環氣中,進入各自合成塔的換熱管間進行甲醇合成反應。反應熱被管內的水吸收副產中壓蒸汽。出塔氣經過各塔的中間氣氣換熱器后依次經過空冷器、水冷器后,在分離器內將粗甲醇分離。1#粗甲醇分離器出口的循環氣經過循環氣壓縮機提壓后進入2#合成塔,2#粗甲醇分離器出口的循環氣直接送入1#甲醇合成塔。兩股循環氣與新鮮氣混合后重新進入兩個合成塔內進行甲醇合成反應。分離后的粗甲醇經過閃蒸后送入下游單元。流程示意如圖1。

圖1 甲醇合成流程示意圖

2 甲醇合成塔上部床層超溫現象描述

自2010年7月3日甲醇裝置投料試車以來,當系統負荷在70%以上時,甲醇合成塔催化劑上部床層局部熱點經常出現超溫現象,1#甲醇合成塔最高溫度達到303℃,2#甲醇合成塔最高溫度達到299℃,合成系統曾經因床層溫度超高聯鎖而切氣停車。由于催化劑床層局部熱點溫度的上漲,制約了系統負荷的提升。兩個合成塔床層熱點溫度分布見表1及表2。

表1 1#合成塔床層溫度數據

表2 2#合成塔床層溫度數據

說明:表中斜體數據為超溫熱點溫度。每個合成塔沿軸向分布10層熱偶(A～J點),見圖2,由于合成塔底部的三層(H～J點)熱偶溫度正常穩定,在表中未列出其數值。

3 甲醇合成塔局部床層熱點超溫原因分析

3.1 催化劑裝填的密度不一致,導致氣體流速的差異,影響傳熱

該甲醇合成塔是管殼式結構,換熱管內走水,管外裝填催化劑。由于管間距較小,裝填催化劑時作業人員只能站在中心管內,工作面較小。人不能觸及的地方只有靠催化劑的位差自流裝填,所以存在中心管附近的催化劑裝填密度大,遠離中心管區域的催化劑裝填密度小的問題。合成塔上部換熱管出口總管周圍作業空間較大,人工作業半徑增大,上部催化劑的裝填密度大于軸向相同位置催化劑的裝填密度。由于裝填密度的差異,導致氣體在不同區域催化劑內的流速不一樣,合成塔上部內側催化劑內氣體流速會小于其他區域催化劑內氣體的流速。因此,在同等放熱情況下,流速小的區域內催化劑會出現超溫現象。

合成塔內件及熱偶位置示意見圖2。

附圖說明 圖2中的兩幅圖為兩個合成塔共用。

圖2(a)中A～J點為熱偶沿塔軸向分布的測溫點。

圖2(b)中 T1～T4為熱偶沿塔徑向分布的測溫點。

1#塔 T1 151TI104/105,T2 151TI106/ 107,T3 151TI108/109,T4 151TI110/111

2#塔 T1 151TI123/124,T2 151TI125/ 126,T3 151TI127/128,T4 151TI129/130

3.2 出口氣體收集器的有孔區低于中心管的高度

圖2 甲醇合成塔內件及熱偶位置示意圖

兩個甲醇合成塔設計催化劑裝填量為94.5 m3,實際裝填量為 1#塔 96.5 m3,2#塔96.6 m3。從圖2(a)中可以看出,催化劑還原沉降后床層最高平面高于設計的還原后平面。甲醇合成塔屬于管殼式徑向流反應器,反應后的氣體通過塔內壁的氣體收集器后匯集至出口總管。合成塔的出口收集器是多孔結構,上部至催化劑A層熱點以上屬于無孔結構。在A層催化劑以上還有一節中心管,管內的氣體會沿徑向進入A層以上的催化劑區進行反應。由于沿徑向沒有開孔收集器,氣體要折流向下經過下部的催化劑后進入收集器再匯至出口管出塔。相對中下部徑向直接流出塔外的氣體而言,此處反應熱帶出的速度較慢,容易造成熱量累積,會出現超溫現象。

3.3 超溫區屬于絕熱區的邊緣

結合表1、表2及圖2,可以看出兩個合成塔床層超溫部分主要集中在T1及T2區域的A、B段催化劑床層。這是因為 T1區域處在內部絕熱層的外緣,絕熱區內沒有換熱管,氣體屬于絕熱反應,熱量全部由反應氣自身帶出,所以會導致T1區域內A、B段各點床層溫度偏高。由于T2區域處在列管區的外緣,加之絕熱反應區 T1溫升的影響,導致T2區域內A、B段各點床層溫度較外圍溫度偏高。

3.4 工藝操作方面的因素

甲醇合成塔上部床層局部超溫現象是無法避免的,但不合理的工藝操作會加劇床層超溫的趨勢。自從試開車以來,甲醇合成裝置多次的開停車,系統在提升負荷的過程中,往往會由于氣體組分不合適、導氣速度過快等人為因素而使床層溫度過快上漲,加劇了上部床層超溫的速度,使生產受到制約。

4 局部熱點超溫對催化劑整體活性的影響

經過DAV Y公司技術人員計算,兩個合成塔各區域內催化劑的裝填量占催化劑總裝填量的百分比大致為,T1區域為 16%,T2區域為35%,T3區域為50%,T4區域為87%。兩個合成塔內超溫部分催化劑分別占各塔催化劑總裝填量的12%左右。

DAV Y公司技術人員通過CFD(Computational Fluid Dynamics,流體動力學計算模型)模型進行了模擬計算。以催化劑設計活性為100%計,運行中催化劑操作溫度高于設計溫度30℃時,催化劑活性為設計活性的65%;催化劑操作溫度低于設計溫度5℃時,催化劑活性為設計活性的105%。兩個合成塔超溫區域內的催化劑約占各塔裝填總量的12%左右,則運行催化劑的實際活性為12%×65%+85%×105%= 96.7%,僅比設計活性低3.3%。

從表1和表2的數據可以看出,每個合成塔的催化劑床層軸向平均溫度均在250～260℃之間,尤其是主反應區(T2～T3)內各熱偶的軸向平均溫度低于該區域內熱偶的設計平均溫度(270～280℃)。

從以上兩個方面可以說明,合成塔催化劑上部床層局部熱點超溫對催化劑的整體活性不會造成大的影響。

5 控制甲醇合成塔床層超溫的對策及建議

經過幾個月的開車觀察,以及和專利商技術專家的共同討論,一致認同甲醇合成塔上部床層局部超溫現象是無法徹底解決的。但為了達到高負荷穩定生產,在生產操作上可以采取以下措施。

(1)控制合成塔汽包蒸汽壓力在1.6 MPa左右(設計值1.8～2.2 MPa),從而降低床層熱點溫度。

(2)根據合成塔床層上下部的溫差及熱點溫升趨勢,控制塔入口溫度在210℃左右(設計溫度215～220℃),降低入塔氣體溫度,控制床層內部絕熱區的反應熱,進而控制全塔的反應熱。

(3)調整新鮮氣氣體組分。提高新鮮氣中CO2氣體的含量至3.0%左右(摩爾分率,設計值為1.95%),降低新鮮氣的氫碳比,從而控制甲醇的反應熱。

(4)將甲醇合成塔床層熱點溫度聯鎖值由設計值290℃提高至295℃。

甲醇合成塔設有兩級床層溫度超溫聯鎖,一級為DCS系統聯鎖,聯鎖值為290℃,二級為SIS系統聯鎖,聯鎖值為300℃。因為有兩級聯鎖的保護,所以經過與專利商專家的協商,將DCS系統超溫聯鎖值由290℃提高至295℃,這樣增加操作余度,在不危害催化劑及設備的同時更有利于生產的穩定運行。

生產調節手段是有限的,如果要徹底解決這種塔型催化劑床層超溫現象,還要從設計上改進才能解決根本問題。此種塔型是DAV Y公司在煤制甲醇裝置上的第一套投產設備,相信經過生產實踐與戴維技術人員智慧的結合,以后的甲醇合成塔會得到進一步的優化。