甲醇裝置高負荷運行瓶頸探究

崔曉宇(榆林職業技術學院，陜西 榆林 719000)

0 引言

甲醇裝置是煤制烯烴項目主要的工藝生產裝置之一，生產的MTO級甲醇可作為下游烯烴裝置的原料。本文以某國內大型煤化工甲醇裝置為例進行介紹，該裝置采用英國Davy公司的大規模甲醇合成工藝技術，生產能力為180萬噸/年，5500噸/天(按100%負荷甲醇計)，此外還設有氫回收單元，其中包括兩套膜分離單元，一套PSA單元。目前高負荷生產過程中，存在催化劑床層溫度高、甲醇水冷器冷卻效果差、合成氣壓縮機GV閥開度大、馳放氣氣量增大的問題，如何解決制約高負荷生產的瓶頸成為穩定運行的關鍵。

1 甲醇裝置高負荷運行中存在的問題

甲醇裝置設計滿負荷為51萬Nm3/h氣量，目前平均負荷為56～57萬Nm3/h，加上氫回收返氫量后進入合成氣壓縮機的氣量可達到57～58萬Nm3/h，負荷達到117%，高負荷運行過程中主要存在以下問題：

1.1 催化劑床層溫度高

隨著負荷的提升，合成塔催化劑上部和底部床層溫度開始上升，個別床層中間部分的溫度點偶爾升高至報警值，若繼續加負荷可導致床層溫度高聯鎖跳車。

原因分析：裝置提負荷的過程中，合成氣壓縮機轉速也需要適當提高，但是因為系統循環氣量大，合成氣壓縮機已達到最大處理能力，壓縮機GV閥已開至95%，若GV閥持續維持在較大開度，容易造成機組軸振動、軸位移波動，導致機組聯鎖跳車。為了保證機組的正常運行，只能通過降低轉速或者降負荷方法使得GV閥開度變小，降低轉速的同時合成塔空速降低合成系統床層溫度升高。

1.2 甲醇水冷卻器后溫度高

甲醇水冷卻器使氣體甲醇冷凝成甲醇液體，同時降低未反應的氣體溫度返回壓縮機循環使用。隨著季節環境溫度的上升，在高負荷運行下，水冷卻器換熱效果變差，甲醇氣體不能有效冷卻，甲醇氣體直接帶入循環氣壓縮機及合成塔影響甲醇反應的進行。

原因分析：甲醇裝置合成塔出口氣體經過空冷器和水冷器后進入粗甲醇分離器的溫度高達60℃(設計要求是45℃)，導致粗甲醇分離效果不好，致使壓縮機負荷增加、合成塔的單程轉換率下降，入塔氣中的甲醇含量較高，不利于甲醇反應的進行，同時易生成副產物二甲醚、高級醇。因此，現有裝置運行時，空冷器和水冷器的冷卻能力就已經不足；如果將負荷繼續提高至120%，空冷器和水冷器的能力是主要的限制因素之一。

1.3 前工段組分變化

新鮮氣的組分一般是由前工段(變換、凈化)來控制調節的，但高負荷運行條件下，氣化爐CO稍有波動，變換、凈化裝置調節不及時，造成到合成裝置的CO、CO2組分波動較大，合成裝置操作彈性較小，極易導致合成工況波動，直接影響甲醇產量。

原因分析：目前，氣化裝置6臺氣化爐運行、1臺備用、1臺檢修，由于煤質變化氣化爐產生的有效氣及惰氣都影響甲醇合成生產。

(1)惰氣增加對合成系統的影響。入塔氣中氫氣、CO有效氣分壓降低，反應速率隨之降低，系統壓力升高，弛放氣量增大，壓縮機載荷過高。

(2)CO、CO2增加對合成系統的影響。CO上漲合成反應劇烈，催化劑床層溫度升高，CO2上漲系統壓力下降，系統CO、CO2累積嚴重。

1.4 馳放氣氣量增大

當合成氣催化劑活性進入中后期，甲醇合成反應變差，工藝上只能通過適當提高入口溫度或汽包壓力改善反應，如果氣化工段煤質稍有變化，有效氣組分波動以及變換、低甲調整不及時，極易造成合成裝置反應壓力升高。裝置不得不通過增大馳放氣氣量或者現場放空至火炬，造成合成氣中有效組分的浪費。

2 甲醇合成提負荷措施

2.1 合成氣壓縮機技改

甲醇新鮮氣量在57萬Nm3/h(加新增膜分離返氫)時，透平的調速氣閥開度已經達到了98%，轉速5300rpm，消耗蒸汽量也達到了108t/h(設計最大為111.9t/h)，透平基本沒有余量。負荷介于現有壓縮機的最大可調轉速是5401rpm，如果繼續提負荷至60萬Nm3/h新鮮氣量，勢必要提高壓縮機轉速，若長時間保持壓縮機在5401rpm運行，甲醇裝置運行完全沒有彈性，不利于裝置長期安全穩定運行。

(1)提高4.1MPa蒸汽壓力。目前合成氣壓縮機4.1MPa蒸汽壓力維持在3.80～3.95MPa，通過提高蒸汽壓力可以有效降低壓縮機調速閥開度。蒸汽壓力調節需要與熱電、凈化聯系，壓力過高會造成凈化減溫減壓站4.1MPa蒸汽安全閥起跳，因此提高壓力也要適度。另一方面，利用大檢修機會，更換減溫減壓站安全閥等級，保證蒸汽壓力。

(2)增加一臺壓縮機。裝置合成氣57萬Nm3/h負荷下，循環氣壓縮機的流量達到820000kg/h，如果負荷提至60萬Nm3/h，循環氣壓縮機的流量達到850000kg/h。增加一臺壓縮機將會有效地降低原壓縮機負荷，保證壓縮機在額定工況下運行，有利于壓縮機的安全、平穩運行。經過改造可以增大循環氣量，能有效降低催化劑床層溫度，有利于保護催化劑，同時提高成品甲醇的純度。最終實現提高裝置負荷率，甲醇裝置的新鮮氣處理量可提高至60萬Nm3/h，加上氫回收返氫量后進入合成氣壓縮機的氣量可達到62.5萬Nm3/h。

2.2 空冷器、水冷器技改

(1)增加空冷器數量。在現有28個空冷器的基礎上，1#、2#空冷器再增加2～4組，實際操作中1個空冷器降溫2℃，如果1#、2#各增加4臺，空冷后溫度能在原有基礎上下降8℃。

(2)并聯甲醇水冷器。1#、2#各并聯一臺水冷器，可以隨時切換水冷器，實現在線除蠟。

2.3 增加一套膜分離

原有膜分離處理馳放氣能力為23000Nm3/h，當裝置負荷較高時及催化劑進入末期馳放氣氣量勢必增加，增加一套膜分離采用并聯模式，運行中可以緩解一套膜分離的處理量，有效回收反應氣中的氫氣。

3 結語

針對甲醇合成裝置高負荷運行瓶頸問題，從甲醇合成裝置生產運行工藝方面進行分析研究，得到以下幾點結論：(1)合成裝置催化劑處于初期階段，活性較好，提負荷的主要影響因素是壓縮機循環量和水冷器溫度。增加空冷器和水冷器以保證循環氣體能夠被充分冷卻，在甲醇分離器內能夠實現有效充分地分離，保證甲醇產量的穩定。(2)高負荷運行條件下，合成氣壓縮機GV閥開度較大，造成機組軸振動、軸位移波動，新增一臺壓縮機降低原有壓縮機負荷，實現高負荷運行工況。(3)甲醇合成生產大型化是未來甲醇行業的發展方向，新型合成反應器和高效合成催化劑是研究的重點。目前國內外企業都在研究新型合成反應器，通過改進反應器結構，降低塔壓差、能耗，提高換熱效果。(4)不斷研發新型催化劑，以加強催化劑的活性、選擇性、耐熱性以及穩定性。進而推動甲醇工業的可持續發展。