新型水管型甲醇合成塔在徐州華裕甲醇合成裝置上的應(yīng)用

周傳華，孫新莊，崔志杰，王俊峰，申屠梁，胡亮華，劉 維

（1.杭州林達(dá)化工技術(shù)工程有限公司，浙江 杭州 310012；2.徐州華裕煤氣有限公司，江蘇 徐州 221000）

1 項目背景

隨著城市煤氣需求量日益增長和環(huán)保要求的不斷升級，徐州環(huán)宇焦化作為徐州市唯一人工煤氣氣源廠亟需進(jìn)行異地擴(kuò)能改造，為加快搬遷擴(kuò)能改造工程建設(shè)，成立了徐州華裕煤氣有限公司，作為項目公司實施搬遷改造工程。

工程年供應(yīng)城市煤氣達(dá)3×108m3以上，年產(chǎn)焦炭1300kt，配套150kt／a甲醇裝置用于煤氣調(diào)峰。其中，甲醇裝置以焦?fàn)t煤氣為原料，氣體經(jīng)凈化、轉(zhuǎn)化、壓縮，制備合格的甲醇合成原料氣，裝置包括了由賽鼎工程有限公司設(shè)計的空分、壓縮、甲醇合成和精餾、甲醇罐區(qū)等單元；甲醇合成系統(tǒng)壓力6.0MPa，合成工藝選用杭州林達(dá)的新型水管型甲醇合成反應(yīng)器專利技術(shù)；催化劑選用四川天一科技股份有限公司的φ6×5mm催化劑（重量57.9t）；設(shè)計副產(chǎn)壓力＞1.5MPa蒸汽。2009年開工建設(shè)，2012年11月3日成功投產(chǎn)。

2 甲醇合成工藝流程（圖1）

合成氣壓縮機(jī)P3301出口的轉(zhuǎn)化氣與循環(huán)氣形成的混合氣，壓力5.5MPa、溫度約55℃，在塔前換熱器E3301中被出甲醇合成塔R3301的反應(yīng)氣預(yù)熱至200℃后，進(jìn)入甲醇合成塔R3301，進(jìn)塔氣至上而下通過催化劑層進(jìn)行甲醇合成反應(yīng)，反應(yīng)熱使反應(yīng)器列管內(nèi)的鍋爐水汽化，并經(jīng)自然循環(huán)在汽包V3301中分離出蒸汽。

反應(yīng)后氣體出R3301，經(jīng)E3301管程加熱入塔氣，然后經(jīng)蒸發(fā)式冷卻器E3302冷卻至40℃，氣體中甲醇和水絕大部分被冷凝，并在甲醇分離器F3301中分離下來。分離后的氣體，一部分作為循環(huán)氣去P3302提壓重新返回合成塔；另一部分作為弛放氣經(jīng)洗醇塔T3301回收甲醇后減壓，再分別去焦?fàn)t、轉(zhuǎn)化裝置燃燒或并入燃料管網(wǎng)。

F3301分離下來的粗甲醇經(jīng)甲醇過濾器過濾雜質(zhì)后，去閃蒸槽F3302減壓閃蒸出溶解氣后，至甲醇精餾工序。閃蒸壓力為0.5MPa（G），閃蒸氣與弛放氣一并作燃料氣。

3 甲醇合成主要設(shè)備（表1）

表1 甲醇合成系統(tǒng)主要設(shè)備一覽表

4 甲醇合成反應(yīng)器

甲醇合成反應(yīng)器是甲醇生產(chǎn)的核心設(shè)備，新型水管型合成塔（圖2）不同于管殼塔結(jié)構(gòu)，其由高壓外筒、內(nèi)件和催化劑三部分組成。外筒由Q345R、15CrMoR多層板包扎而成；殼體上部設(shè)計有一對法蘭，用于內(nèi)件安裝和檢修；上球形封頭設(shè)有兩組測溫?zé)犭娕冀涌冢瑥捻敳看怪辈迦氪呋瘎┐矊樱拷M測溫?zé)犭娕紲y8個點，相鄰兩點距離約800mm，同平面有2個測溫點。內(nèi)件為全不銹鋼管，管內(nèi)介質(zhì)為飽和水及蒸汽，管外介質(zhì)為催化劑；內(nèi)件由多組同心環(huán)形管束組成，各組環(huán)形管束在催化劑層的上下連接成一體，并通過膨脹石墨／膨脹節(jié)與外殼連接，以保證受熱后的自由伸縮；內(nèi)件支承在殼體下球形封頭上。

圖1 甲醇合成系統(tǒng)流程示意

圖2 新型水管型甲醇合成塔結(jié)構(gòu)示意

新型水管型合成塔最大的優(yōu)點是：一是內(nèi)件采用普通的無縫不銹鋼管，避免催化劑層內(nèi)列管存在焊縫，內(nèi)件泄漏可能性降低；二是從結(jié)構(gòu)上根除熱應(yīng)力，結(jié)構(gòu)可靠性增加，設(shè)備投資省，此外，內(nèi)件安裝和檢修方便；三是鍋爐水自然循環(huán)，節(jié)省能耗。

5 催化劑升溫還原

甲醇合成催化劑的升溫還原方案由催化劑廠家、林達(dá)公司及車間技術(shù)人員共同討論確定：以焦?fàn)t氣為還原介質(zhì)，還原壓力約1.0MPa；將2.5MPa蒸汽通過開工噴射器補(bǔ)入循環(huán)鍋爐水系統(tǒng)，進(jìn)行催化劑的升溫還原。

物理出水從常溫至140℃，還原出水從140℃至220～230℃，整個過程通過出水量控制升溫還原進(jìn)程，小時出水量＜150kg，還原末期通過進(jìn)、出塔氣氫氣濃度判定還原是否結(jié)束。

還原后床層溫度降至210℃，通入轉(zhuǎn)化氣進(jìn)行置換，催化劑層溫差控制為，軸向＜30℃、徑向＜5℃。

實際操作情況：還原前出物理水1988kg，自2012年10月31日12：25配入經(jīng)精脫硫的焦?fàn)t氣開始還原，至11月3日9：30開始導(dǎo)氣投產(chǎn)；還原累計耗時69h，還原過程比較平穩(wěn)，累計出化學(xué)水6753.6kg，總出水量8742kg、約占催化劑總質(zhì)量的15%。

6 甲醇合成塔運行情況

甲醇合成系統(tǒng)于11月3日轉(zhuǎn)入輕負(fù)荷生產(chǎn)后，合成系統(tǒng)自產(chǎn)壓力＞1.5MPa蒸汽，關(guān)閉開工噴射器前后切斷閥，將開工蒸汽從系統(tǒng)中切出，鍋爐水系統(tǒng)利用兩側(cè)鍋爐水密度差實現(xiàn)自然循環(huán)，副產(chǎn)的蒸汽與鍋爐水一起從甲醇反應(yīng)器頂部進(jìn)入汽包進(jìn)行氣液分離。11月6日開始加量生產(chǎn)，運行數(shù)據(jù)如表2、表3。

表2 合成原料氣、入塔氣及甲醇產(chǎn)量情況

表3 甲醇合成塔壓力和溫度分布情況

目前，在轉(zhuǎn)化氣量48985m3／h，入塔CO＋CO2約11.57%（mol），CO＋CO2的總轉(zhuǎn)化率＞90%情況下，日產(chǎn)精甲醇429t。催化劑層平面溫差＜5℃、軸向溫差＜30℃，合成塔阻力僅0.1MPa。

7 對運行情況的幾點看法

（1）甲醇合成塔采用水冷方式移熱，與氣冷方式相比，操作穩(wěn)定性好，催化劑層溫度基本不會受原料氣量或組成變化而大幅波動，生產(chǎn)控制容易。合成塔鍋爐水為自然循環(huán)方式與催化劑層換熱，裝置內(nèi)不設(shè)鍋爐循環(huán)水泵，一是減少了循環(huán)水泵這部分投資和運行費用，二是杜絕了循環(huán)水泵突然停車對催化劑層溫度控制的影響。

（2）甲醇合成塔內(nèi)的催化劑裝在列管外，催化劑裝填系數(shù)大（約70%）。本項目合成塔內(nèi)徑為2800mm，同規(guī)模管殼式塔內(nèi)徑預(yù)計為3800mm，雖然塔徑相對較小，但催化劑層氣體流通面積比管殼式塔大，阻力小，從而有利于降低循環(huán)機(jī)功耗。相較于管殼式反應(yīng)器，水管型反應(yīng)器更易于大型化。

（3）塔前換熱器設(shè)計面積富裕，有利于提高合成塔進(jìn)口溫度，雖然設(shè)備的一次性投入增加，但進(jìn)塔氣溫度提高有利于提高上層催化劑活性，對提高CO、CO2的單程轉(zhuǎn)化率有利，同時，進(jìn)塔氣溫度提高后，理論上副產(chǎn)蒸汽量也將增加，可提高反應(yīng)熱回收率。

（4）蒸發(fā)式水冷器在本項目中運用，有利于降低冷卻水消耗，每臺水冷器的補(bǔ)水量僅為6m3／h。北方特別是冬季氣溫低，充分利用空氣中的冷量更有利于節(jié)省冷卻水消耗。與列管式換熱器相比，雖然一次性投入相對較高、占地面積較大，但總體運行費用低。另外，本項目為3組蒸發(fā)式水冷器并聯(lián)運行，實際操作中可以降低負(fù)荷完成水冷器在線分別除蠟，故可以提高年運行天數(shù)。