淺談甲醇制烯烴急冷水固含量高的原因分析

李哲晰

摘 要：自神華包頭煤制低碳烯烴示范項目于2010年8月竣工和投產，為全世界開辟了一條全新的生產乙烯、丙烯等低碳烯烴的生產路線，積累了多年的生產經驗，通過技改、技措以及科研項目，不斷地優化工藝，解決了MTO生產的瓶頸。本文通過對急冷水中固含量高影響因素進行分析，并且提出解決急冷水固含量高的方法。

關鍵詞：急冷水;甲醇制烯烴;高溫萃取劑

在甲醇制烯烴工藝中急冷水的固含量高是影響裝置長周期滿負荷運行的一項重要因素。一方面在運行過程中隨急冷水固含量的增加，催化劑細粉不斷在急冷水系統積累，造成急冷水系統堵塞問題日益加重。特別是當急冷水循環量由設計為500t/h降至約380t/h，進而引起急冷塔的換熱效果變差，最終導致水洗塔熱負荷變大，裝置被迫降負荷或者停車檢修。另一方面，隨著催化劑細粉堵塞換熱器導致降低換熱效率，固含量高還會磨損輸送泵葉輪等部件，同時冬季空冷器管束凍裂風險提高，增加生產檢維修成本。

1 急冷水水系統簡介

MTO反應是經典湍流流化床生產工藝，MTO反應產生乙烯、丙烯等復雜的烴類以及衍生物組成產品氣由急冷塔下部進入。急冷塔設有人字擋板，共計14層。自下而上的產品氣在人字擋板處與急冷塔頂的循環冷卻水逆向接觸，不僅達到脫除產品氣中的水汽的作用，同時將產品氣急冷降溫，洗滌和脫除產品氣中夾帶的大量催化劑細粉。做為循環洗滌的急冷水自塔底分兩股;一股急冷水增壓泵增壓后分成兩路，一路送至烯烴分離單元作為低壓脫丙烷塔的熱源，經換熱后再經急冷水干式空冷器，冷卻到大約60℃后，返回MTO急冷水系統，急冷水通過循環利用、作為急冷劑返回急冷塔，大大降低了裝置的耗水量。另一路急冷水經急冷水旋液泵，增壓后進入急冷水旋液分離器，通過一級和二級旋液分離器后除去急冷水中攜帶的催化劑細粉，旋液頂部的清液排出返回急冷塔做為系統補水，其余濃縮后的急冷水由旋液分離器底部排出送至污水池，達到去除系統中固含量的目的。

由于旋液分離器一般采用金屬燒結的旋分單管構成，在細小催化劑細粉和無機鹽結晶的共同作用下，隨著時間推移造成旋液分離的分離效果逐漸變差，導致系統中的固含量升高。同時由于反再系統的工藝變化也會造成催化劑細粉含量升高或者催化劑跑損，導致急冷水系統中的固含量升高。

2 造成急冷水固含量高的因素

2.1 反應細粉量升高導致急冷水固含量升高

MTO反應為氣--固反應，固體催化劑在使用過程中因機械強度或水熱穩定性變差等原因導致催化劑破碎，從而產生細粉。由于新鮮催化劑加入到系統前為常溫且含有一定量的水分，加劑過程中，低溫的催化劑遇到再生器中高溫的催化劑劑，造成催化劑熱崩，破損，形成部分細粉。再次催化劑在反應器和再生器循環再生--反應--再生過程，流化狀態的顆粒之間互相磨損，流化床中氣泡破裂發生熱崩是催化劑產生高速運動而磨損，催化劑運動過程中與反應器和再生器內件接觸而產生破碎、生成細粉。甲醇制烯烴工業裝置為了減少急冷水中催化劑顆粒濃度，在反應器一、二級旋風分離器出口再設置了三級旋風分離器，它是依靠強旋流產生很強的離心效應把固體顆粒從氣相中分離出來，是裝置非常重要的設備之一。但是線速過低以及設備本身等條件制約，造成部分反應細粉（粒徑集中在0-20μm，平均粒徑小于10μm）不能夠進行有效的分離，隨著反應氣進入到下游水系統，造成急冷水系統中固含量升高。

2.2 立換（甲醇--反應氣換熱器）吹灰造成急冷水固含量升高

MTO生產工藝在三級旋風分離器下游設置了立換，由于反應油氣攜帶的的催化劑細粉具有一定的吸附性，會逐漸附著在甲醇--反應氣換熱器的管壁上，在管壁上形成熱阻，降低了換熱器的換熱效果，導致進急冷塔的反應氣溫度過高，增加整個水系統的熱負荷。為了提高立換的換熱效率，實現高位熱能的利用，對甲醇--反應氣換熱器的管束進行在線吹灰，利用高速氮氣氣流將氫氧化鈣顆粒吹進甲醇--反應氣換熱器的管束，將管束上附著的催化劑帶入急冷塔中，這也是增加急冷水系統固含量的原因之一。

2.3 旋液分離器易堵塞，除固能力下降，急冷水系統固含量升高

甲醇制烯烴裝置急冷水除固裝置采用的是旋液分離器，它是利用不同介質在旋流管內高速旋轉產生離心力不同，將催化劑從急冷水中分離出來。在細小催化劑細粉和無機鹽結晶的共同作用下，細小的催化劑顆粒堵塞旋風單管的孔隙，同時由于無機鹽結晶與催化劑細粉在管束表面形成垢層，除固能力下降，急冷水中的固含量升高。

2.4 生產異常波動導致急冷水固含量升高

產品氣壓縮機做為反應器壓力調節的唯一手段，調整幅度較大時會導致反應器壓力波動。再有氣相甲醇進料負荷過大或過小、氣相甲醇進料負荷升降過快等都會破壞反應器中流態化的平衡，同時造成反應一二級旋風分離器入口線速過低或過高，催化劑跑損，最終導致急冷水固含量升高。

在生產工藝過程中，不能及時解決急冷水固含量生產問題，隨著固含量的不斷積累，會影響裝置的長周期穩定運行。在實際生產過程中通過技術改造、工藝操作優化等方式進行多方面的改善。

3 優化措施

3.1 工藝操作優化

3.1.1 減少催化劑跑損

通過減少催化劑的跑損降低急冷水的固含量;第一，維持兩器藏量平穩運行，優化催化劑日常的程序，采用小型自動加劑系統。能夠減少使用人工小型手動加劑頻次。通過調節小型自動加劑的頻次和加劑量，控制反再兩器藏量在100-105t范圍內，能夠有效的減少減少催化劑的跑損;第二，維持反應系統壓力的穩定，控制好兩器壓差。通過下游水洗塔中加入阻垢分散劑和定期添加高溫萃取劑來維持水洗水系統和急冷水系統的穩定，防止因水洗塔或者急冷塔的壓差大幅波動從而影響反應壓力波動，造成反應器線速變化較大導致催化劑跑損增加;第三，在調節甲醇進料量時，升或降要平緩操作。幅度調節甲醇氣化蒸汽閥門，禁止大幅調節導致甲醇進料量大幅波動，同時通過調節外補稀釋蒸汽量控制反應器一、二級入口旋風分離器入口線速在18-21m/s范圍內。

3.1.2 提高反應三級旋風分離器的分離效果

在正常生產工況下，對反應三級旋風分離器的分離效率影響最大而且可以控制的就是泄氣量。當泄氣量大時，反應氣會攜帶催化劑流入后路系統;當泄氣量太小時，集器室粉塵太多，排塵不暢，各個單管的排塵口顆粒返混互竄，分離效率下降。當正常泄氣量是進氣量的3%-5%時，分離效率為最佳。為了保證三級旋風分離器泄氣量穩定，在分離器底部排出口設置四級旋風分離器和細粉收集儲罐，及時定期清理細粉收集罐內的催化劑細粉，提高反應三旋的分離效率，使細粉進行有效的收集，減少細粉進入到急冷塔的機率。

3.2 急冷水系統技術改造和優化

3.2.1 急冷塔底及旋液外排工藝改造

急冷塔塔底部由擋板將急冷水分為急冷側和旋液側。在急冷側上方增設斜角為45°的擋板，將循環利用的急冷水通過擋板的引流作用在旋液側進行沉降，然后液位升高溢流到急冷側。這樣使催化劑主要集中在旋液側沉降，一定程度上降低了返塔急冷水的固含量。為了防止急冷水洗滌產生的大量催化劑細粉在急冷塔底旋液側沉積，造成旋液分離器底流管容易堵塞，將旋液塔底抽出段的水平管線改為斜管（管徑未變），有效緩解了塔底催化劑淤泥堵塞的問題。并且在抽出根部閥后增加管徑為DN100的排污閥，此處將含有大量催化劑細粉的污水排至污水池處理。改造后，旋液排污能力從原來的3-8t/h提高到20-30t/h，提高了旋液分離器分離效率，降低了急冷水的固含量。

3.2.2 增設急冷水沉降罐和注入高溫萃取劑降低急冷水固含量

高溫萃取劑具有反相作業、電中和作用、凝聚和絮凝作用、架橋作用，可以加速固液分離，中和固體懸浮物表面負電性化學劑，在污水中形成較大的絮團，通過架橋方式形成絮凝。通過在急冷水泵出口管線增設急冷水水沉降罐配套設施，在進急冷水沉降罐前的管道前將高溫萃取劑注入到管線內，與急冷水混合均勻后，進入到沉降罐內。經過沉降后，上層清液經急冷水泵增壓后送至烯烴分離裝置。催化劑泥漿大部分從沉降罐底部定期外排，懸浮物大量去除，最終達到凈化水體的目的。

通過以上技術改造及投用，急冷水固含量由5500-8500mg/L降至1000 mg/L以下，并且在較小的范圍內波動，高溫萃取劑的加入明顯降低了急冷水固含量。隨著急冷水固含量的大幅減少，急冷水系統的運行周期已長達一年兩個月，急冷水循環量能夠維持在500t/h。急冷水中的固體雜質由急冷水旋液分離系統將固相分離，從旋液底流排入污水池，從而有效地降低急冷水中的固含量。同時，大大降低了水系統換熱設備的檢維修成本。

4 小結與展望

急冷水系統固含量高的問題是困擾DMTO生產工藝的一項難題，部分企業也在積極嘗試改造。目前急冷水除固技術主要有以下三種;一種是本文提到的利用沉降加藥降低固含量，其缺點是需要大量排污，對污水處理能力要求高。另一種是寧波禾元、延長（中煤）靖邊等項目與石家莊某公司合作，改造投用的新型過濾器，其缺點是投資成本高（每臺750萬左右）。還有是蒙大公司利用低壓蒸汽蒸煮后再進行反沖洗的過濾器改造，但對急冷水pH要求苛刻，控制在6-7之間，對設備長周期運行影響不利。

隨著甲醇制烯烴生產工藝的不斷優化，提高催化劑的機械強度、水熱穩定性等性能從根本上解決急冷水固含量高的技術難題。

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