煤制甲醇合成裝置改造與優化

易洪民

(中國神華煤制油化工有限公司新疆分公司，新疆 烏魯木齊　830019)

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煤制甲醇合成裝置改造與優化

易洪民

(中國神華煤制油化工有限公司新疆分公司，新疆 烏魯木齊830019)

摘要：通過對比國內同類型180萬t/h煤制甲醇合成裝置的工藝設計，分析其實際生產情況中出現的問題及產生的原因，提出相應的技術改造和調整方案，對筆者所在公司甲醇合成裝置進行了改造和優化，取得了顯著的效果。

關鍵詞：煤制甲醇合成裝置；合成；改造；優化

1項目裝置簡介

國內某新建180萬t/a煤制甲醇項目為目前全球最大規模煤制甲醇裝置之一，該項目計劃于2016年5月底開始投料試車，7月初生產出合格甲醇產品。該煤制甲醇裝置主要由空分裝置、氣化裝置、凈化硫回收裝置、甲醇合成裝置4個裝置組成。煤制甲醇項目流程示意圖如圖1所示。

圖1　煤制甲醇項目流程示意圖

本文主要討論甲醇合成裝置的改造與優化：

甲醇合成裝置采用英國Davy工藝技術有限公司(Davy Process Technology，簡稱DPT公司)的甲醇合成工藝技術及英國莊信萬豐公司(Johnson Matthey)的甲醇合成催化劑來生產MTO級甲醇。該技術具有合成氣轉化率高(99%)、原料消耗低、系統壓降小、能耗利用合理、流程簡練、控制簡單、三廢排放少等特點，其流程采用雙反應器串并聯的方式，如圖2所示。

圖2　甲醇合成流程示意圖1、2-合成塔；3、4-合成汽包；5-鍋爐給水預熱器；6、7-空冷器；8-循環氣壓縮機；9、10-水冷器；11、12-甲醇分離器；13-閃蒸槽；14、15-中間換熱器

2煤制甲醇裝置運行情況

筆者所在公司的該套180萬t/a煤制甲醇裝置為全球最大規模裝置之一，現國內已有成功運行的180萬t/a煤制甲醇裝置，因此煤制甲醇合成裝置在工藝和設計上有很多值得借鑒的地方。

通過和其它同類裝置的對比，發現了其工藝流程的設計、設備選型、儀表電器控制方案等存在的問題、缺陷和潛在的不安全因素。為了從根本上解決以上問題，消除設計缺陷，相關技術人員從實踐中摸索經驗，提出了相應的技術改造和優化方案，取得了顯著的效果。

3煤制甲醇合成裝置改造與優化

3.1　甲醇合成裝置合成氣脫硫的改造與優化

3.1.1存在問題

(1)包頭某公司選擇的脫硫催化劑是銅鋅催化劑，活性溫度為150～190℃，在脫硫前，需要對催化劑中的氧化銅進行還原，增加了操作難度和時間。

(2)由于活性溫度較高，需要較大換熱面積的合成凈化預熱器，增加了投資成本。如圖3所示：

圖3　包頭某公司甲醇合成凈化系統流程圖

3.1.2改造內容

(1)選擇低溫活性的氧化鋅催化劑，不需要還原，活性溫度為110～130℃。

(2)根據新疆煤質分析，氯離子超標，增加脫氯槽。

3.1.3改造效果

(1)氧化鋅催化劑不需要還原，減輕了操作負擔，節約了開車時間。

(2)氧化鋅催化劑活性溫度比銅鋅催化劑低，合成凈化預熱器減小，節約了投資。

(3)增加脫氯槽，脫除合成氣中的氯，起到保護合成塔催化劑，延長其使用壽命的作用。如圖4所示。

3.2　甲醇合成裝置PSA變壓吸附單元的改造與優化

3.2.1存在問題

(1)包頭某公司PSA單元的操作壓力低，入口1.9MPa，產品氫氣壓力1.7map，由于外送給下游裝置的H2需要壓力3.2MPa，需要一臺氫氣壓縮機提壓，增加操作負擔和投資。

圖4　新疆某公司甲醇合成凈化系統工藝流程圖

(2)PSA單元設計處理尾氣能力最大為7159m3(標)/h，在催化劑末期，馳放氣量大，不能滿足需求，不僅導致大量的馳放氣放空、能耗增加，還不利于環保。

(3)當產品氫氣質量不合格、壓力波動、PSA故障或停車等非正常生產情況時，需要切斷去下游裝置的產品氫氣，影響下游裝置的穩定生產。如圖5所示：

圖5　包頭某公司PSA單元工藝流程圖

3.2.2改造內容

(1)提高PSA單元的操作壓力，入口3.4MPa，產品氫氣壓力3.2MPa，滿足外送氫氣壓力要求，少用一臺氫氣壓縮機，減輕操作負擔和減少投資。

(2)由包頭某公司的8個吸附塔，增加到10個吸附塔，提高PSA單元處理能力，最大能夠處理34500m3(標)/h，在催化劑末期，能滿足處理大量馳放氣的要求。如圖6所示。

圖6　新疆某公司PSA單元工藝流程圖

(3)增加4個高壓氫氣儲罐(100m3)，在PSA系統非正常情況下，不僅能穩定外送產品氫氣壓力，還能保證下游裝置用氫量。

3.2.3改造效果

減輕操作負擔、節約投資、滿足氫氣回收和下游裝置用氫氣的要求、降低能耗、節能減排。

3.3　甲醇合成塔改造及操作優化

3.3.1存在問題

(1)包頭某公司180萬t/a煤制甲醇自投料以來，甲醇合成塔上部催化劑床層局部溫度一直處于超溫狀態。床層最高時熱點溫度至309℃，系統穩定裝填下，1#塔上部2熱點溫度均在292～301℃，在系統負荷調整過程中容易超309℃，導致系統高負荷運行時存在隱患。

(2)系統結蠟嚴重、水冷器后分離氣體溫度高(設計45℃，運行中最高到達60℃)、合成塔的循環量過大(設計量為671t/h，運行中最高達到845t/h)、壓縮機長期滿負荷運行，不僅嚴重影響甲醇合成反應，還存在潛在隱患。

3.3.2原因分析

(1)合成塔設計方面

在合成塔設計方面(如圖7所示)，甲醇合成塔為徑向流反應器蒸汽上升式合成塔，催化劑裝填在反應器的殼側，從汽包來的鍋爐水進入反應器的底部然后向上流動帶走甲醇合成反應所產生的反應熱，汽包內副產中壓蒸汽。新鮮的合成氣從反應器底部的中心管進入，中心管管壁上有分配孔以保證氣體的分布均勻，氣體沿徑向從內到外通過反應器的催化劑床層。

a)合成塔的上部由于沒有開孔收集器，熱氣體需向下折流經過中下部的催化劑后進入收集器才能流出塔外，造成合成塔上部熱量累積超溫。

b)超溫處催化劑范圍內不含有換熱的列管，屬于絕熱反應，熱量只能靠氣體帶出，所以反應熱帶出較慢，造成合成塔上部熱量累積超溫。

c)包頭某公司合成塔內換熱管數量為1040根，換熱能力不足，不能有效的將反應熱帶出，是合成塔床層溫度超溫的重要原因之一。

d)合成塔從底部進氣，相對中下部直接徑向流出塔外的氣體而言，氣體在塔中上部滯留時間較長，反應熱不能及時帶走，造成合成塔頂部超溫。

e)高溫操作，造成甲醇合成反應副產物增加(如生成石蠟、高級醇、醚類等)，生成的石蠟不僅嚴重影響空冷器和水冷器的換熱能力，還影響甲醇分離器的分離效果。由于甲醇不能很好的分離，帶入合成塔后使合成反應進一步惡化，同時造成合成系統循環量嚴重超過設計的671.0t/h，最高達到845t/h，壓縮機長期滿負荷運行；同時壓縮機一級密封氣存在石蠟等雜質，會造成壓縮機干氣密封組件磨損，存在安全隱患；其他的副產物的生成，給后續穩定精餾塔單元增加了負擔。

f)粗甲醇過濾器選型不對，不能很好的過濾生成的石蠟等雜質，給后系統造成負擔。

g)空冷器和水冷器的冷量設計不足、分離器的分離效果差，造成甲醇不能有效分離，增加了合成塔的負擔，為了滿足生產負荷的需要，必需提高床層溫度，也是造成合成塔溫度超溫的原因。

圖7　包頭某公司甲醇合成塔示意圖

(2)工藝方面有幾個原因

a)合成塔進出口調溫副線開度過大(現在開度為：45%左右)，造成出口氣體不能很好的換熱，熱量后移，給后面空冷和水冷器增加負擔。

b)氣體組分對合成塔床層溫度的影響，在系統調整負荷時，新鮮氣中的CO2含量控制不穩定，忽高忽低，在CO2含量過低的情況下，加劇了CO和H2氣的反應，導致合成塔催化劑床層超溫；

c)合成系統內惰性氣體控制過低(小于8%)，在催化劑使用初期，其活性好，惰性氣體含量減少，勢必會提高有效氣體的分壓，造成反應劇烈，導致床層溫度超溫。

3.3.3改造內容及處理方法

(1)改變進氣方式，由原來的從合成塔底部進氣，改為上下同時進氣。從塔頂進氣的合成氣體經催化劑反應后直接排出，不會在上部滯留時間較長，能夠有效的將反應熱帶出，減輕上部溫度超溫的現象的發生。如圖8所示：

圖8　新疆某公司甲醇合成塔示意圖

(2)增加合成塔內部換熱管，由包頭某公司合成塔內部的1040根，增加到筆者所在公司的1424根，能夠有效的將反應熱帶走，不僅減輕合成塔床層溫度超溫的現象，還能減輕后系統空冷器和水冷器的負擔。

(3)增加空冷器數量，由包頭某公司的1、2號空冷器的14臺、18臺增加到現在的18臺、22臺；將甲醇分離器的擋液板位置下移，將甲醇有效的分離，減輕合成塔的操作負擔、將合成氣循環量控制在設計值。

(4)選擇高效甲醇過濾器，能夠有效的將生成的石蠟等雜質過濾。

(5)配合凈化裝置控制好CO2體積分數在1.95%～3.0%左右，催化劑初期控制CO2偏高，防止催化劑超溫，同時合成催化劑處于使用初期，活性較好，這就要求將合成系統內的惰性氣含量控制在10%以上，來抑制甲醇合成反應的劇烈進行，保證床層溫度。

(6)盡量維持合成塔調溫副線在1%～5%的小開度范圍，進出口氣體充分換熱，降低空冷器和水冷器負擔，同時可根據催化劑使用情況適當降低汽包壓力，控制床層溫度，延長催化劑壽命。

3.3.4改造效果

通過以上措施，能有效解決合成塔頂床層溫度超溫、合成塔循環量大，壓縮機長期滿負荷運行、甲醇分離效果差、系統結蠟嚴重等問題。

3.4膜分離系統改造

3.4.1存在問題

(1)包頭某公司膜分離設計最大處理能力為22332m3(標)/h，在催化劑中后期馳放氣量能達到30000m3(標)/h左右，不能滿足處理的要求，導致大量馳放氣放空到火炬，增加能耗，不利于環保。

(2)膜組能承受的溫度最高位67℃，當2號空冷、水冷器冷卻效果不好和系統在線除蠟時，馳放氣溫度偏高，膜分離單元容易發生高溫聯鎖跳車。

3.4.2改造內容

(1)提高設計量到最大，34500m3(標)/h。

(2)選擇耐高溫的膜組，最高能夠承受85℃。

3.4.3改造效果

(1)在催化劑中后期，能完全處理馳放氣量，節能減排，增加經濟效益。

(2)高溫膜組的選擇，避免了膜組因高溫引發聯鎖的危險，保證膜分離單元長期穩定的運行。

3.5　甲醇合成催化劑還原中遇到的問題及解決辦法

3.5.1存在問題

由于新疆偏遠，不利于氫氣運輸，因此用傳統的氫氣槽車運輸不能保證催化劑高效還原。

3.5.2改造內容

增加甲醇裂解制氫氣裝置，產品氫氣由PSA提純后(壓力1.0MPa，1500m3(標)/h)，供催化劑還原時使用。

3.5.3改造效果

節約投資，保證還原用氫量。

4結語

通過以上措施，逐漸解決了生產和設計上存在的絕大部分問題，取得了顯著的效果，在以后建設的同類型大規模煤化工項目中值得借鑒。但也存在著一些尚未能解決的問題，如DAVY的合成塔的床層溫度分布不均勻、容易生成石蠟等還需要繼續探討解決方案并實施技術改造，從而逐漸消除制約長周期穩定優化運行的瓶頸。

Improvement and Optimization of Coal to methanol Synthesis Plant

YIHong-min

(China shenhua coal oil chemical Co.，Ltd. Xinjiang branch urumqi，Xinjiang)

Abstract：By comparison of technological design in domestic other 1 800 000 t/a coal to methanol synthesis pants，it analyzes the reasons of the problems in the production. It also puts forward the technological transformation and corresponding adjustment programs.

Key words：coal-to-methanol plant；gasification；synthesis；transform；optimization

中圖分類號：

文獻標志碼：A

文章編號：1003-6490(2015)01-0041-04

作者簡介：易洪民(1986-)，男，漢族，重慶市人，助理工程師，主要從事煤制甲醇生產技術工作。

收稿日期：2014-11-07