淺談煤制甲醇合成裝置節能減排措施

易洪民

(神華新疆化工有限公司，新疆烏魯木齊 830019)

1 項目裝置簡介

神華新疆化工有限公司1 800 kt/a煤制甲醇項目為目前全球最大規模煤制甲醇裝置之一，該項目于2016年6月一次性投料生產出合格MTO級甲醇產品。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[1-3]。煤制甲醇項目工藝流程如圖1所示。

圖1 煤制甲醇項目工藝流程

甲醇合成裝置采用英國Davy工藝技術有限公司的甲醇合成工藝技術及英國莊信萬豐公司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，見圖2。

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.中間換熱器圖2 甲醇合成裝置工藝流程示意

2 煤制甲醇合成裝置運行情況及特點

該套1 800 kt/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1 800 kt/a煤制甲醇裝置，因此煤制甲醇合成裝置在環境保護工作上有很多值得借鑒的地方。通過與其他同類裝置對比，發現了其環境保護存在的問題、缺陷和潛在的不安全因素。為了從根本上解決問題、消除設計缺陷，相關技術人員從實踐中積累經驗，提出了相應的技術改造和優化措施，取得了顯著的效果。

甲醇合成裝置節能減排特點：①采用DPT典型串級合成回路，合成壓力為7.5～8.0 MPa(表壓)，甲醇合成塔采用徑向蒸汽上升式合成塔，流程短，轉化率高；②合成副產2.1 MPa(表壓)蒸汽，比較節能；③合成氣壓縮機和循環氣壓縮機共用1臺中壓抽凝式蒸汽透平驅動，占地小，投資省，易維修；④弛放氣首先采用膜分離回收氫，滲透氣回到合成系統，非滲透氣采用PSA回收高純度氫，少量氫去下游裝置，大量氫去上游低溫甲醇洗作汽提用，與凈化氣一起返回合成系統，盡可能地提高氫的回收率，降低了原料氣及原料煤的消耗，減少CO2排放；⑤合成回路設置1臺鍋爐給水預熱器，用合成塔的出塔氣預熱進合成汽包的鍋爐給水，降低了合成空冷器和水冷器的熱負荷，同時提高了蒸汽產量；⑥生產裝置中換熱設備盡量使用空氣冷卻，如合成氣/循環氣壓縮機透平表冷器、1#甲醇冷凝器、2#甲醇冷凝器、穩定塔回流預冷凝器全部采用空冷，以降低循環水用量；⑦閃蒸氣、精餾不凝氣和PSA尾氣回收作為蒸汽加熱爐燃料，減少燃料氣消耗，合成副產蒸汽過熱后去界外；⑧裝置內的蒸汽冷凝液和透平冷凝液全部回收綜合利用，以降低脫鹽水消耗；⑨裝置在開停車和事故時的氣體排放去火炬系統處理，避免了大氣污染[4-5]。

3 甲醇裝置節能減排措施

3.1 裝置平面布置優化措施

裝置平面設計必須貫徹執行資源節約、環境友好的方針，合理利用土地，結合現場條件和自然條件，因地制宜，合理布置，達到節約用地、降低能耗及節約投資的目的。具體布置原則如下：①嚴格執行國家頒布的有關安全、防火、防爆及環境保護等的標準規范及規定；②裝置布置應符合全廠總體設計要求；③符合生產工藝、物流和運輸方面的要求，布置力求主要生產流程順暢、布局緊湊，以縮短生產區內部的物流輸送距離；④根據生產的特點，將各生產單元按功能要求分區布置，將生產特點相同、原料和生產過程關系密切的生產裝置集中布置，做到集中控制；⑤合理預留用地，以滿足企業發展需要。

3.2 工藝節能降耗措施

(1) 采用先進的串級式甲醇合成工藝，合成塔廢熱副產中壓蒸汽；

(2) 采用膜分離與PSA結合回收弛放氣中的氫，大部分氫返回合成回路，盡量減少原料氣消耗，從而節約能耗；

(3)閃蒸氣、精餾不凝氣和PSA尾氣作為蒸汽加熱爐燃料，以減少燃料氣的消耗；

(4) 采用高效率機泵、透平，以減少功耗；

(5) 裝置內的蒸汽冷凝液和透平冷凝液全部回收綜合利用，降低脫鹽水消耗，從而節約能耗；

(6) 合成回路設置1臺鍋爐給水預熱器，用合成塔的出塔氣預熱進合成汽包的鍋爐給水，降低了合成空冷器和水冷器的熱負荷，同時提高了蒸汽產量；

(7) 汽包的連續排污進入連續排污擴容器，回收部分低壓蒸汽；

(8) 合成塔的出塔氣用于預熱入塔氣，廢熱得到利用；

(9) 弛放氣設置甲醇洗滌塔，回收其中的甲醇，提高了甲醇的回收率，降低了原料氣消耗。

3.3 能耗指標分析

單位產品能耗見表1，甲醇合成裝置能耗對比見表2。

表1 單位產品能耗(以100%甲醇計)

注： 1) 能耗與催化劑末期的原材料和公用工程消耗期待值相對應；2) 甲醇裝置能耗已考慮氣化、凈化的各種消耗，以凈化工序提供的合成氣能耗值為依據。

表2 甲醇合成裝置能耗對比

從表2可以看出：本項目噸甲醇綜合能耗為38.874 GJ，折合標煤1.326 4 t，高于天然氣和煤-氣聯合為原料生產甲醇的裝置。由于本項目生產MTO級甲醇，沒有精餾裝置，以噸甲醇產品計的能耗未計入甲醇精餾所需要的低壓蒸汽、電和循環冷卻水的能耗，故綜合能耗低于以煤為原料生產精甲醇的甲醇裝置，考慮到生產精甲醇所需要的能耗，本項目的綜合能耗與國內以煤為原料的大型甲醇裝置相當，屬于國內先進水平。

從噸甲醇能耗組成還可以看出：合成氣占總能耗約102%，因此從工藝上減少原料合成氣的消耗量是節能的主要方面；同時由于蒸汽在能耗計算中也占較高的權重，對甲醇裝置的能量進行回收、合理綜合利用以及采用高效的壓縮機和透平效率也很重要。

3.4 節水措施

(1) 由于本項目所在地新疆屬于缺水地區，生產裝置中換熱設備盡量使用空氣冷卻，如合成氣/循環氣壓縮機透平表冷器、1#甲醇冷凝器、2#甲醇冷凝器、穩定塔回流預冷凝器全部采用空冷，以降低循環水用量；

(2) 裝置內的蒸汽冷凝液和透平冷凝液全部回收綜合利用，以降低脫鹽水消耗，從而降低了新鮮水的消耗；

(3) 裝置內的相關設備采用節水設備。

3.5 廢氣處理措施

甲醇合成裝置外排廢氣主要為蒸汽加熱爐煙氣，廢氣排放總量為23 410 m3/h(標態)，主要含NOx，開停車和事故時排氣送火炬進行燃燒處理。主要廢氣處理措施如下：

(1) 甲醇裝置產生的不凝氣和閃蒸槽開停車事故時排放的閃蒸氣，主要含N2、H2、CH4、HCOOCH3和甲醇，送至本裝置蒸汽過熱爐作燃料，不外排；

(2) 蒸汽過熱爐外排氣經47 m高排氣筒達標外排；

(3) 甲醇裝置氫回收系統產生的甲烷富氣，主要含CO、H2、CH4、C2H6，送加熱爐作燃料氣回用；

(4) 裝置設有氫回收系統，甲醇合成放出的弛放氣經過膜回收成套系統回收弛放氣中的氫氣，富氫氣返回甲醇合成工序，與新鮮合成氣混合后進入合成回路。非滲透氣進入變壓吸附成套系統制取高純度氫氣，供凈化、烯烴分離、OCU和聚丙烯裝置使用。PSA解析氣和穩定塔不凝氣一起經過尾氣壓縮機壓縮后，送入蒸汽過熱爐作燃料氣，合成汽包產飽和蒸汽經蒸汽過熱爐過熱至300 ℃后送出界區。正常生產補充燃料氣和開車期間需要的燃料氣均來自燃料氣管網，閃蒸槽閃蒸氣也送入蒸汽過熱爐作燃料氣。合成弛放氣回收處理流程如圖3所示。

圖3 合成弛放氣回收處理流程

3.6 廢水處理措施

(1) 根據裝置排水的特點，排水系統劃分為生活污水系統、低濃度生產污水系統、初期污染雨水及事故排水系統、潛在污染雨水系統。

(3) 裝置產生的工藝冷凝液(103 m3/h)送脫鹽水站回用，不外排。

3.7 固廢處置措施

甲醇裝置固廢為脫氯產生的含CuO廢催化劑(43 m3/次，每4年更換1次)、合成氣凈化槽產生的含ZnO廢催化劑(52 m3/次，每6年更換1次)、甲醇合成塔產生的含CuO廢催化劑(199 m3/次，每4年更換1次)、甲醇裂解產生的含Al、Na廢催化劑(4 m3/次，僅開車使用)均由生產廠家回收處理，吸附塔產生的含分子篩、活性碳廢吸附劑(140 m3/次，每20年更換1次)送園區渣場填埋。

3.8 噪聲控制措施

裝置噪聲源主要有合成氣壓縮機、循環氣壓縮機、尾氣壓縮機、氫氣壓縮機和泵類等。噪聲的防治，首先應從設備的選型、噪聲源的合理布置等方面考慮。裝置設計中采取的噪聲防治措施：①設備選型時盡量選用低噪聲設備，如選用低噪聲轉化爐燒嘴；②噪聲較強的空冷器設置消聲器，操作崗位設有隔音室；③對總體布局進行合理布置，利用建筑物的屏障作用和距離衰減達到降噪要求，高噪聲設備盡量布置在室內。通過采取各種措施后，保證廠界噪聲滿足《工業企業廠界環境噪聲排放標準》(GB 12348—2008)3類標準要求。

3.9 防滲措施

(1) 根據環評要求，對甲醇生產區和裝置區內管廊采用硬化地坪進行防滲處理；

(2) 根據《石油化工防滲工程技術規范》，對甲醇生產裝置區的污水池池底和池壁進行防滲處理，生產污水/初期污染雨水地下管道(裝置內)采用管溝進行防滲處理；

(3) 對于裝置內排放系統采用導淋，經排放總管自流到地下排污槽的管線，采用管溝進行防滲處理。

3.10 環境風險防范措施

(1) 裝置在污染比較嚴重或可能產生污染的區域，按檢修道路分區，每個區設置1個大圍堰，并在圍堰內設置排水溝。當發生火災時，事故消防廢水首先進入圍堰內明溝，作為污染防控的第1道措施。裝置內設置初期污染雨水收集池，作為污染防控的第2道防線。當初期污染雨水收集池溢流時，則通過清凈雨水排水系統，重力輸送至全廠25 000 m3事故消防廢水池中，作為污染防控的第3道防線。為了不增加全廠污水處理站的負荷，應分期分批、小流量將不合格的事故消防廢水送污水處理廠處理。

(2) 裝置共設置污水收集池和雨水收集池各1座，以收集、提升各工序產生的生產廢水和初期污染雨水；2座水池設置在一起，用隔墻隔開。生產廢水收集池有效容積為65 m3，初期污染雨水收集池有效容積為250 m3。

(3) 停車檢修時，精餾工序的有關設備和管道需要倒空，為避免排出的甲醇進入污水管網或溢流至地面上，所有設備和管道的低點導淋均排至地下槽，再通過地下槽泵送到粗甲醇貯槽中。

(4) 開停車和事故狀態下(如停電、裝置內失火和裝置內氣體超壓)排放的大量可燃和有毒的工藝氣體送全廠火炬系統燃燒。合成系統開停車、事故時產生的合成氣送低壓富氫火炬燃燒處理，燃料氣送低壓富氫火炬燃燒處理。

3.11 污染物總量控制措施

(1) 根據項目環境影響報告書，每年全廠各項指標必須控制在SO21 076 t、NOx1 481 t、COD 239 t、氨氮19 t以內；

(2) 甲醇合成裝置所排NOx主要來自蒸汽過熱爐，年控制指標NOx3.75 t、COD和氨氮排放量根據全廠污水處理站最終排放量統一匯總控制。

3.12 環境監測措施

(1) 設置監測機構及人員

環境監測站與中央化驗室合并設置，配備專職的環境監測人員3～5名，分析人員和主要分析儀器依托中化室，根據需要委托當地有資質的環境監測機構進行定期和不定期的監測、分析。裝置的廢氣和廢水環境監測工作將依托全廠的環境監測站。

(2) 明確監測內容

環境監測主要指對甲醇裝置生產過程中排放的主要污染物和特征污染物進行定期監測和非正常排放、事故排放的不定期監測，判斷環境質量和環保設施的運行治理效果等。監測內容如下：①常規環境監測，分為裝置區周邊外環境質量監測和裝置區內污染排放監測；②事故監測，當發現環保處理設施發生故障或運行不正常時，應及時向上級報告，并必須即時進行取樣監測，分析污染物排放量，對事故發生的原因、事故造成的后果和損失等進行調查統計，并建檔上報。必要時應提出暫時停產措施，直至環保設施恢復正常運轉，堅決杜絕事故性排放。環境監測計劃見表3。

表3 環境監測計劃

4 環境保護投資

甲醇裝置環保投資估算見表4。

表4 甲醇裝置環保投資估算

注：弛放氣回收系統包括裂解制氫膜分離系統和變壓吸附系統，污水收集池包括生產廢水收集池和初期污染雨水收集池；甲醇合成裝置所依托的全廠污水處理站、火炬、危廢臨時堆庫的投資將計入項目公用工程和輔助設施中。

由表4可知：甲醇合成裝置環境保護設施的投資合計6 055萬元左右，占整個裝置投資的15%左右，有效地保證了整個裝置的正常運行，避免了環境污染事故的發生。

5 結語

通過以上節能減排措施，逐步解決了甲醇合成裝置在環境保護、節能減排上存在的絕大部分問題，取得了顯著效果，在以后建設的同類型大規模煤化工項目中值得借鑒。做好節能減排工作是實施新型工業化的基礎，也是企業生存發展的基礎，這項工作必須至始至終貫穿于整個企業管理工作的中心。雖然目前化工企業在環境保護、節能減排工作中仍有一些問題存在，但是我們相信只要關注技術革新、關注廢物利用、注重管理水平，就可以增加資源的利用效率，促使化工企業在可持續發展的道路上走得更遠。

參考文獻

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