甲醇合成系統技術改造

尹艷江 陳煥峰 (河北金牛旭陽化工有限公司,河北 邢臺 054001）

河北金牛旭陽化工有限公司20萬t/a甲醇裝置以焦爐煤氣為原料，采用純氧—蒸汽轉化、低壓合成甲醇技術，經三塔精餾工序制的99.99%（乙醇含量＜50ppm）。該裝置于2009年5月投產運行。針對合成系統運行過程中出現的制約甲醇提產問題、降低消耗的問題，采取技改等相應措施，實現生產平穩運行。

1 項目提出的背景及項目的必要性

1.1 概述

河北金牛旭陽化工有限公司的20萬噸/年甲醇項目依托四川天一科技股份有限公司設計。裝置于2009年投運后，經過一年的運行發現甲醇合成系統中馳放氣的CO的平均含量為3%（v/v），CO2的平均含量為6%（v/v），馳放氣量為18000Nm3/h、年損失碳1296萬Nm3，根據反應生成1噸甲醇需要700m3碳計算，如果進行合理回收每年多生產甲醇5554噸。于是在2010年通過在原合成塔后串聯增加一套小合成系統，將這些馳放氣中的碳資源進行了合理利用。

目前大合成塔設計催化劑裝填量為39.1m3，入塔氣氣量為470323Nm3/h。通過查找國內幾家知名催化劑廠家 （四川天一、南京南華、大連瑞克）提供催化劑參數可知，催化劑空速6000-20000h-1、反應壓力4.0-15.0MPa、使用壽命2-3年，我廠催化劑空速理論計算值為12029h-1、反應壓力7.0MPa、生產6年共更換3次催化劑平均壽命為2年，可以看出我公司催化劑的使用情況與同行業企業相比屬于中等水平。

1.2 項目提出背景

目前我公司大合成系統在實際運行中存在以下幾個問題：

1.2.1 大合成塔催化劑裝填量較小僅為39.1m3、空速較高12029h-1、催化劑壽命較短僅為2年。

1.2.2 大合成塔反應壓力較高需保持在6.5-6.7MPa，導致前工序合成器壓縮機能耗較高。

1.2.3 轉化系統壓力長期處于高危值運行，系統加量難度較大無法保證裝置滿負荷生產，而且對生產裝置長周期、滿負荷、安全運行帶來巨大挑戰。

2 同行業解決辦法

唐山中潤煤化工有限公司有兩套年產10萬噸的焦爐煤氣甲醇裝置，于2009年3月投產、2012年對合成系統進行了技術改造（每套裝置都新增串聯了一臺小合成塔），再加上焦爐氣壓縮機鏜缸增加打氣量和系統補碳（補液態CO2）等一系列手段，單套裝置產量由原來的360t/增加到420t/d。通過技術交流，我們發現了對方增產降耗的原因。主要體現在下幾點：

2.1 催化劑裝填量：中潤單套100kt/a大、小合成塔催化劑裝填量為29.5m3、15m3，金牛200kt/a大、小合成塔催化劑裝填量為39.1m3、4m3。都折合成100kt/a這個平臺做比較，中潤是我們的2倍。

2.2 操作方式：中潤采用大小合成塔并聯操作、金牛采用大小合成塔串聯操作。原因：唐山中潤甲醇裝置是化二院設計的系統富余量較大（管道直徑、壓縮機功率都大）改造后期有加量余地，采用并聯操作可以多吃新鮮氣是增產的原因。金牛旭陽是由天一設計系統富余量較小，改造后期加量余地幾乎沒有采用串聯保持原有氣量不變情況下總碳轉化率較高是增產的原因。

2.3 空速：空速=合成氣氣量/催化劑裝填量，中潤：7206h-1、金牛：12029h-1。

2.4 反應壓力：唐山中潤：6.0MPa，金牛旭陽：7.0MPa。

2.5 使用周期：唐山中潤使用大連瑞克生產的RK-05型，使用周期為3年（最長一次3.5年），金牛旭陽使用四川天一生產的XCN-98型，使用周期僅為2年。

3 查證相關資料

空速的概念：在規定的條件下，單位時間單位體積催化劑處理的氣體量，單位為m3/(m3催化劑·h)，可簡化為h-1。反應器中催化劑的裝填數量的多少取決于設計原料的數量和質量以及所要求達到的轉化率。

空速越高表示催化劑活性越高，裝置處理能力越大。但是，空速不能無限提高。對于給定的裝置，進料量增加時空速增大，空速大意味著單位時間里通過催化劑的原料多，原料在催化劑上的停留時間短，反應深度淺。相反，空速小意味著反應時間長，降低空速對于提高反應的轉化率是有利的。

所以，較低的空速意味著在相同處理量的情況下需要的催化劑數量較多，而在目前我公司大合成塔的催化劑裝填料數量無法改變情況下，結合我公司實際生產情況，行之有效的辦法就是再增加一臺新合成塔提高催化劑的裝填量，以此能達到降低空速的目的。

最后技術人員經過認真分析論證，現已提出系統技改方案：即在現有甲醇合成塔旁邊并聯一臺催化劑裝填量為20m3的合成塔，使合成催化劑的裝填量達到59.1m3，共用現有氣氣換熱器、汽包、蒸發冷和甲醇分離器不增加其他設備。改造完成后可明顯降低催化劑的空速、同時合成反應壓力也隨之降低，并解決了系統壓力過高造成的能量損失，以達到提高裝置整體高效、穩定和安全性。

4 工藝和施工方案

4.1 工藝方案

新增合成塔與現有大合成塔并聯操作，共用一個氣氣換熱器、蒸發冷、甲醇分離器。從聯合機經加壓后的入塔氣經氣氣換熱器換熱后同時進入大合成塔和新增合成塔參與反應。由于采用并聯操作法，中控操作難易性幾乎沒有發生改變。

4.2 施工方案

新增合成塔R0603入塔氣進出口碰口位置：在R0603進口前增加一道DN600自調閥并聯在SG0602-600A-E16M4-H4上，R0603出口與SG0602-600A-E16M4-H4并聯。

與開工蒸汽碰口位置：與MUS0601-100-D6M4-H8管線并聯，引外來過熱蒸汽用于開車操作。

該方案由我公司技術部人員自己設計、自己實施、以便壓縮項目投資成本。

5 項目實施規劃

5.1 項目投資估算

該項目估算投資需：合成塔（1臺，設備規格：DN3000）600萬元；管道閥門115萬元；電氣儀表70萬元；土建60萬元；安裝110萬元；其他15萬元，合計970萬元。

5.2 項目經濟效益評價

5.2.1 節約電費

項目完成后系統壓力（由7.0MPa降低到6.0MPa計算），合成氣壓縮機有用功由5656Kw降到5000Kw,節省了11.5%，年節約電費為：5656*11.5%*8000*0.68/10000=353.84萬元。

5.2.2 提高甲醇產量

項目完成后，合成催化劑裝填量由39.1m3增加到59.1m3，最大的改善體現在CO和CO2轉化率長期維持在高限水平，增產按照全年平均進氣量52000m3/h、總碳含量38.5%、平均總碳轉化率94%、全年累計生產8000小時計算。每小時產量=52000*0.385*0.94/700=26.88t/h，合計全年產量：26.88*8000=215040噸。目前按照210000計算，每年多增產5000噸甲醇。

參照2014年甲醇價格平均2228元/噸，再參照2015年1-5月份甲醇價格2350。平均價格在2300元/噸，我公司甲醇每噸凈利潤為300元，全年可以增加效益：300*5000=150萬元。

6 結語

6.1 綜合評價

6.1.1 合成系統改造項目只是在原有合成塔旁邊并聯一個較小的合成塔，共用原有入塔氣換熱器和蒸發冷，其余設備不增加，不增加操作難度和工作量，不額外增加占地面積，簡便易行。

6.1.2 項目完成后節能帶來的年效益為353.84萬元；增產帶來的年經濟效益為150萬元。兩項合計年經濟效益503.84萬元。

6.1.3 本項目完成后由于降低了合成催化劑運行空速，使合成系統運行壓力（系統運行參數）降低，因此可大大提高系統運行的安全性和可靠性。由此帶來的綜合效益要遠遠大于直接經濟效益。

6.2 結語

6.2.1 本項目完成后年均創造直接效益503.84萬元，投資970萬元設備折舊92.15萬元（970*0.95/10），投資回收期為：970（/503.84-92.15）=2.36，即兩年三個月就可收回投資。

6.2.2 本項目具有良好的經濟效益和社會效益，項目完成后可明顯提升公司經濟實力和競爭能力。