甲醇合成裝置增產擴能改造分析與研究

王建軍，常 宣，陳大波，吳詩勇

（1.煤科院節能技術有限公司，北京100013；2.陜西延長石油榆林凱越煤化有限責任公司，陜西 榆林721000；3.杭州牛墨科技有限公司，浙江 杭州321000；4.華東理工大學，上海200237）

陜西延長石油榆林凱越煤化有限責任公司（簡稱榆林凱越）60萬t/a煤制甲醇項目于2014年一次試車成功，產出合格甲醇產品。項目原采用英國戴維過程技術有限公司的水冷+氣冷反應器合成工藝，經過多年運行，發現生產工藝存在以下不足：原料煤制漿系統采用常規的單棒磨制漿工藝，成漿質量分數不到60%，3臺棒磨機一直處于全開狀態，無備機，設備出現故障時會影響后續氣化和合成工序；運行中氣冷塔易超溫，影響催化劑使用壽命，增加了生產成本，降低了實際運行時間。

2019年，榆林凱越針對煤制甲醇項目中存在的問題，進行了甲醇合成系統的增產擴能改造，新增1臺水冷反應器（含汽包），與原水冷反應器并聯后再與原氣冷反應器串聯，同時采用分級研磨制漿技術對制漿系統進行了提濃改造，現介紹如下。

1 增產擴能改造方案

1.1原料煤性質

對原料煤進行了多次檢測分析，其進料性質穩定，基本性質見表1。由表1可知，煤的空氣干燥基低位發熱量平均值為26.21 MJ/kg，灰分為6.08%（控制在8%以下）。

表1 原料煤的基本性質

1.2改造方案

1.2.1 煤漿制備單元

采用煤科總院研發的第二代煤漿提濃工藝對原有煤漿制備單元進行技術改造：正常工況下煤漿提濃系統分別對應3條棒磨機生產線，新增1條粗粉線，當1臺棒磨機檢修或故障時，另外2臺棒磨機和粗粉線與新上細漿系統混合制備水煤漿，滿足生產需要，從根本上解決棒磨機無備機及后續生產負荷波動的難題。

正常工況下，3臺棒磨機同時工作，煤漿制備（模式一）工藝流程示意圖見圖1。每臺棒磨機投煤量為45.00 t/h，將棒磨機出料槽中占比約12%～15%的煤漿通過配漿泵計量后，與一定比例的水在粗漿槽中混合稀釋至質量分數為40%～48%的粗漿。然后由粗漿泵將粗漿計量后輸送至臥式細磨機中磨礦，經研磨合格（平均粒徑30 μm）的細漿帶壓流入細漿槽。細漿槽的細漿通過細漿泵按照設定的比例和流量送入棒磨機中，通過逐步減少進入棒磨機的總制漿用水量及粗細煤漿的合理搭配，使煤漿粒度級配更合理，從而將煤漿質量分數由低于60%提高到64%以上。

圖1 3臺棒磨機同時運行時煤漿制備（模式一）工藝流程示意圖

單臺棒磨機檢修或故障時（以棒磨機C檢修或故障時為例）的煤漿制備（模式二）工藝流程示意圖見圖2。棒磨機A線和棒磨機B線保持原有的生產模式，破碎后的原料煤輸送至棒磨機A和棒磨機B，其負荷由原來的45.00 t/h提高到51.75 t/h，2臺棒磨機的總處理煤量為103.50 t/h。在低壓煤漿槽抽出相當于原煤37.82 t/h的煤漿，經過加水稀釋，在臥式細磨機中研磨成細漿；其中一半細漿去棒磨機A和棒磨機B進口，提高煤漿濃度；另一半細漿去新建配漿線處配漿攪拌，與粒度符合要求（D95≤1 mm）的粗粉進入雙軸攪拌器和高剪切均質槽混合攪拌、均質和熟化，待煤漿完全混勻后通過合格漿泵輸送至氣化爐前成品漿槽，作為氣化原料漿備用。兩種工況下3條線共計投煤量均為135 t/h。

圖2 棒磨機C檢修時煤漿制備（模式二）工藝流程示意圖

1.2.2 甲醇合成單元

對甲醇合成系統進行改造：通過新增1臺水冷反應器（含汽包），與原有水冷反應器并聯后再與原氣冷反應器串聯。改造后的甲醇合成工藝流程示意圖見圖3。經合成氣凈化槽凈化后的合成氣（9.4 MPa），與經過冷循環中間換熱器和熱循環中間換熱器加熱后的循環氣混合后，進入水冷反應器A/B管程，在管內銅基催化劑的作用下，發生甲醇合成反應，當氣體溫度超過管外溫度后，反應熱被管殼間爐水帶走，并副產2.0 MPa～4.0 MPa蒸汽。出水冷反應器A/B的甲醇氣，部分經熱循環中間換熱器冷卻后與來自合成氣凈化槽剩余的體積分數不到20%的原料氣混合，然后從氣冷反應器底部進入，通過管程到達其頂部混合后，通過殼程的銅基催化劑，在相對較低的溫度下發生甲醇合成反應，以達到更高的轉化率。

圖3 改造后的甲醇合成工藝流程示意圖

1.3改造后數據采集

改造完成后，通過對生產裝置的各個取樣點進行技術監測，對技改后的工藝運行數據進行分析計算，以了解裝置改造后的實際技術性能。

工藝運行數據的采集是在生產系統滿負荷連續運行72 h，且在生產系統已經連續穩定運行不少于12 h后開始，每天8∶00∶00、16∶00∶00和24∶00∶00各采集一次，并盡可能保證在1 h內完成，至少采集兩組數據。數據采集范圍包括煤漿制備單元、氣化單元和甲醇合成單元。改造前的數據是對近三年來工藝連續穩定運行期間的原始報表進行加權平均后得出的。

2 改造效果分析與研究

2.1煤漿性能分析

方案優化后，分別對技改前后工況下的煤漿性能進行了檢測，技改前煤漿質量分數為59.50%、黏度為326 mPa·s，技改后煤漿質量分數增加到64.04%，黏度最高569 mPa·s；煤漿黏度與其濃度相關，濃度越高，黏度越大。煤漿黏度增加，流動性有所降低，但穩定性提高。技改后煤漿質量分數提高了4.54個百分點，提濃效果顯著，達到了技改的目的；黏度雖有所提高，但僅為569 mPa·s，仍屬于低黏度優質水煤漿，達到了成品煤漿黏度低于1 200 mPa·s的要求。

2.2煤氣化過程分析

來自煤漿制備系統的合格料漿經過攪拌器以保證煤漿處于均一狀態，而后由高壓煤漿泵送入氣化爐。在氣化爐燃燒室中，煤漿與氧在6.0 MPa、1 200℃～1 350℃的操作條件下主要發生5種化學反應（見表2），制得粗煤氣。粗煤氣主要由CO、CO2、H2和CH4等組成，技改前后粗煤氣的主要組分及體積分數見表3。

表2 煤氣化過程中主要化學反應

表3 技改前后粗煤氣的主要組分及體積分數%

由表3可知，技改后由于煤漿濃度的提高，粗煤氣中的CO占比增加，CO2占比降低。煤漿濃度提高后，煤漿中水含量減少，氧氣量幾乎不變，因此，結合表2中的煤氣化化學反應式可知，CO濃度將增加，CO2濃度將降低，H2濃度將略微增加。與技改前相比，技改后有效氣的體積分數（82.34%）高于技改前（80.22%），有效氣含量的提高可以提高后工段的甲醇產量。

2.3甲醇合成反應分析

洗滌后的粗煤氣經過變換工段輸入到甲醇合成單元，經過銅基催化劑的催化，在相對較低的溫度下進行甲醇合成反應。技改前后甲醇合成水冷反應器A/B進、出口氣體中CO的體積分數見表4。

由表4可知，技改前后水冷反應器進口氣體中CO的濃度較為接近；出口氣體組成中，技改后CO的濃度明顯低于技改前，這表明通過增加1臺水冷反應器，進料氣經2臺水冷反應器后反應深度增加，CO轉化率提高，從而降低了氣冷反應器的負荷，相應地提高了整個甲醇合成系統裝置的處理能力。若甲醇合成系統裝置的處理量不變，則可提高催化劑的使用壽命，延長裝置的檢修周期。

表4 水冷反應器A/B進、出口氣體中CO的體積分數%

2.4主要物料和產物分析

技改前后主要物料數據見表5。

表5 技改前后主要物料數據

由表5可知，技改前有效氣含量及精甲醇產量偏低。技改后，由于煤漿質量分數增加至64%以上，投煤量由143.06 t/h增加至150.48 t/h，有效氣含量和精甲醇的產量也隨之增加，精甲醇產量比技改前提高了約8.65 t/h，其產量增長了約9.58%，極大地提升了工藝的產量和規模。

榆林凱越2017年—2020年的甲醇年產量見圖4。經過生產線的不斷改進升級，甲醇年產量逐年增加，尤其是在制漿單元和合成單元聯合改進后，甲醇年產量由技改前的62.80萬t（2019年）增加至技改后的77.80萬t（2020年），說明技改后甲醇產量有了顯著提高。

圖4 2017年—2020年的甲醇年產量

2.5主要消耗指標分析

對技改前后工藝中的主要消耗指標進行監測匯總，結果見表6。由表6可知，技改后由于煤漿濃度的提高，工藝中的主要消耗指標如比煤耗、比氧耗、噸甲醇煤耗、氧耗及電耗均較技改前低。

表6 技改前后工藝中的主要消耗指標比較

2.6經濟效益評價

經濟效益評價主要以原煤、氧氣、電、水等的消耗進行測算，各物料單價分別為：原煤420元/t、氧氣0.183 5元/m3、電0.478 2元/(kWh)、水10.78元/t。經過計算得到技改前后各項物料的消耗成本及噸甲醇費用（成本）：技改前甲醇總成本約1 041.78元/t，其中原煤成本占比較大，約665.28元/t，其次為氧氣費用163.32元/t，電費137.20元/t和水費75.98元/t。技改后，甲醇總成本約1 014.16元/t，較技改前降低了27.62元/t，總體成本減少了約2.65%，主要表現為原煤費用明顯降低（-21.42元/t），另外氧氣費用也有所降低（-10.83元/t），電費、水費變化不大。

3 結 論

3.1技改后由于增加了提濃工藝，煤漿質量分數有了較大提高，由59.50%提高到64.04%。煤漿濃度的提高對氣化效果的影響較大，比煤耗和比氧耗有所降低，同時增加了系統投煤量，為后系統的增產創造了有利條件。

3.2技改后甲醇合成水冷反應器A/B出口氣體中CO的濃度明顯低于技改前，這表明通過增加1臺水冷反應器，進料氣經2臺水冷反應器A/B后，反應深度增加，CO轉化率提高，從而降低了氣冷反應器的負荷，相應地提高了整個甲醇合成系統裝置的處理能力，若甲醇合成系統裝置的處理量不變，則可提高催化劑的使用壽命，延長裝置的檢修周期。

3.3技改前精甲醇產量為90.29 t/h，技改后精甲醇產量提高至98.94 t/h，增長了約9.58%，2020年精甲醇產量達到了77.80萬t，比技改前的2019年增加約15.00萬t。以主要消耗指標進行經濟性評價，發現技改后噸甲醇費用（成本）降低約2.65%。