天然氣制甲醇原料氧氣、氮氣管線并網改造

顧興博

大慶油田化工有限公司市場開發分公司

大慶油田化工集團甲醇分公司現有4 500 m3/h（標況，下同）空分裝置一套，生產的氧氣主要用于甲醇裝置純氧二段爐生產，生產的氮氣主要用于合成氨裝置生產液氨及本廠和周邊廠輔助用氮。醋酸分公司現有8 000 m3/h 空分裝置一套，生產的氧氣用于焦炭氣化爐制備高純度一氧化碳，氮氣一部分用于NHD 脫碳再生氣提，多余的氧氣、氮氣放空。

本著“把公用工程做精，優化空分系統，將醋酸空分裝置與甲醇空分裝置的氧氣、氮氣管線聯網，停運甲醇空分裝置，實現氧氣、氮氣資源共享”的原則，在不改變現有裝置主工藝流程的前提下進行技術改造[1]，實現降低生產成本的目的。

為此，將8 000 m3/h 空分裝置外送氧氣、氮氣管線各加一條分支引至甲醇4 500 m3/h 空分裝置，同時給兩個廠供應氧氣、氮氣。因此在實現醋酸空分裝置與甲醇空分裝置并網以后，可以停掉甲醇分公司4 500 m3/h 空分裝置，降低整體能耗，實現節能減排。

1 裝置簡介

目前集團兩套空分裝置氮氣、氧氣使用情況見表1。

表1 化工集團兩套空分裝置氧氣、氮氣使用情況Tab.1 Use of oxygen and nitrogen in two sets of air separation units of the Chemical Industry Group

1.1 年產6×104 t甲醇裝置

本甲醇裝置采用傳統的高壓法生產技術，是以天然氣為原料、一段蒸汽轉化、25 MPa 高壓合成、雙塔精餾的甲醇生產工藝。該裝置采用純氧二段爐生產技術，應用國際上比較先進的低溫氧化鋅脫硫，二段蒸汽轉化、低壓合成，三塔精餾的工藝路線生產甲醇，同時采用汽提塔蒸汽汽提精餾殘液的環保技術。核心設備合成氣壓縮機組和純氧二段爐，引進意大利卡薩利純氧燒嘴并配套冷卻工藝[2]。

1.2 KDON—4500/10000空分裝置

裝置設計生產能力為：氧氣4 500 m3/h；氮氣10 000 m3/h（折氣態）；精液氬130 m3/h（折氣態）。裝置由杭州杭氧有限公司成套提供。該裝置采用由分子篩凈化空氣的帶增壓膨脹機，上塔采用填料塔、全精餾制氬的流程。空氣經過凈化精餾可生產純度達到99.6%的氧氣4 500 m3/h，99.999%的氮氣100 000 m3/h，99.997%精液氬130 m3/h（折氣態）。該裝置為一甲醇車間轉化工序提供氧氣，為全廠保護氣管網提供氮氣，為合成氨裝置提供原料氮氣，為全廠氣動儀表系統提供氣源。

1.3 KDON—8000/8800空分裝置

裝置主要是為造氣工序提供氧氣，為脫硫脫碳工序提供氮氣，由杭州杭氧有限公司成套提供。采用由分子篩凈化空氣的帶增壓膨脹機，液氧自增壓，上塔采用填料塔、全精餾制氬的流程。裝置能力為：氧氣8 000 m3/h；液氧150 m3/h（折氣態）；氮氣8 800 m3/h；液氮150 m3/h（折氣態）；精液氬240 m3/h（折氣態）[3]。

2 裝置工藝原理

2.1 甲醇裝置工藝原理

本甲醇裝置工藝上采用純氧二段爐生產技術，應用國際上比較先進的低溫氧化鋅脫硫，二段蒸汽轉化、低壓合成，三塔精餾的工藝路線生產甲醇，同時采用汽提塔蒸汽汽提精餾殘液的環保技術。包括的工序為：天然氣壓縮工序、天然氣轉化工序、甲醇合成工序、氫回收工序、甲醇精餾工序、CO2回收工序、甲醇中間罐區工序。

用油田氣和水蒸氣在鎳觸媒的作用下進行吸熱反應，生成CO、CO2、H2的反應方程式為

一段爐：

純氧二段爐：

鈷鉬加氫器是里邊裝有鈷鉬催化劑，在有氫氣存在時，把天然氣中的有機硫轉變為無機硫的設備，反應如下：

氧化鋅脫硫槽是吸收H2S 和R—SH、R—S—R’的裝置，具體有以下的反應:

合成氣在225 ℃，銅觸媒的作用下，CO和CO2與H2發生化學反應，生產粗甲醇反應方程式如下：

用氫氣和一氧化碳、二氧化碳合成的粗甲醇中，除甲醇外還有含有一甲醚、異丁基油、水等其他雜質[4]。

2.2 空分裝置工藝原理

兩套空分裝置都是杭氧股份有限公司設計生產制造，兩套裝置的工藝原理相同。基本原理是利用液化空氣中各組分沸點的不同而將各組分分離開來，要達到這個目的，選擇低溫精餾法，先將空氣冷卻至液化，然后在不同的沸騰溫度下選擇性地蒸餾成分。該工藝可以生產高純度氣體，能耗高。低溫分離過程要求熱交換器和分離塔緊密結合，以獲得良好的效率，所有制冷能量都由裝置入口的空氣壓縮機提供。為了達到較低的精餾溫度，空分設備需要利用節流裝置獲得制冷量即等溫節流效應（林德液化循環），或利用膨脹機獲取大的等熵膨脹制冷量（克勞特液化循環），將空氣液化，并且冷設備必須保持在一個絕緣的外殼內（通常稱為“冷箱”）[5]。空分裝置的工作包括下列過程[6]：①空氣的過濾和壓縮；②空氣中水分和二氧化碳的清除；③空氣被冷卻到液化溫度；④冷量的制取；⑤液化；⑥精餾；⑦危險雜質的排放。

空氣中的危險雜質是碳氫化合物，特別是乙炔。在精餾過程中如乙炔在液空和液氧中濃縮到一定程度就有發生爆炸的可能，因此乙炔在液氧中的含量規定不得超過0.1×10-6（體積分數），這必須引起充分的注意[7]。

在液氧蒸發器中，由于液氧的不斷蒸發，有碳氫化合物濃縮的危險，但是只要從液氧蒸發器中連續排放部分液氧就可防止濃縮。

3 技術改造方案

鋪設DN400 氧氣線一條，長度為100 m；鋪設DN400氮氣線一條，長度為100 m。

氧氣出冷箱后經V102 閥，沿新鋪設管線送至甲醇空分裝置氧壓機入口，再由氧壓機送至用戶使用。氮氣出冷箱后經V104 閥，沿新鋪設管線送至甲醇空分裝置氮壓機入口，再由氮壓機送至用戶使用[8]。工藝流程見圖1。

圖1 改造后工藝流程Fig.1 Process flow after transformation

改造后實現的關鍵工藝指標：外送氧氣壓力100 kPa，外送氮氣壓力15 kPa，外送氧氣溫度23.5 ℃，外送氮氣溫度23.5 ℃。

項目改造的內容包括：①在氧氣、氮氣去造氣的管線上連接一條DN400管線至甲醇空分；②配套安裝DN400蝶閥兩個、DN400截止閥兩個及氧氣管道保溫[9]；③配套建設施工管墩12個。

2007.06.1—2007.07.01工藝安裝；2009.05.03—2009.05.23 外送氧氣，氧氣線并網成功；2011.08.27—2011.10.02外送氧氣、氮氣，最終并網成功。

4 投資成本核算

本投資估算未考慮土地征用費。本估算中所需的公用工程考慮依托原有裝置富余能力。

項目總投資：26.75萬元，具體組成見表2。

表2 項目投資費用Tab.2 Project investment costs

5 改造后裝置的運行情況

項目改造后，于2009.05.03—2009.05.23 氧氣并網成功，期間實現同時給醋酸和甲醇供氣；2011.08.27—2011.10.02 氧氣、氮氣同時并網成功，醋酸裝置處于停產狀態，單獨給甲醇送氣。改造后正常送氣與兩次并網時的主要運行參數進行對比見表3。

2009 年5 月并網時裝置生產負荷為90%左右，裝置各項運行參數基本平穩，與未并網時無明顯變化，醋酸分公司送氣時的空分正常生產負荷為72%；并網時，由于甲醇用氮氣量較大，為滿足用氣量裝置運行負荷提至90%。除裝置的生產負荷有變化外，由表3可以看出，其他各項參數無較大變化，均在控制范圍內，且運行比較平穩。因此，本次改造已達到預期設計效果。

表3 改造后主要運行指標Tab.3 Main operating indicators after transformation

6 經濟效益分析

本項目總投資為26.75 萬元，其中土建工程投資為4.55 萬元，設備直接費20.04 萬元，材料及安裝費2.16萬元。

空分裝置主要耗能是電和循環水，8 000 m3/h空分設計耗電量每年大約為3 360×104kWh，年運行費用1 982.4 萬元；4 500 m3/h 空分裝置全面停車，僅以其空分裝置2 200 kW 空壓機停運一項計，每年可節電1 760×104kWh，年運行費用1 038.4萬元。

改造前后正常送氣時的能源消耗見表4、表5、表6。

表4 改造前2008年的能源消耗Tab.4 Energy consumption in 2008 before transformation

表5 改造后2009年的能源消耗Tab.5 Energy consumption in 2009 after transformation

表6 改造后2011年的能源消耗Tab.6 Energy consumption in 2011 after transformation

由表4、表5、表6可以比較出，在三個不同時期的能源消耗量基本相差不大。并網期間能源消耗費用總計444.4萬元。

產品產量及銷售收入見表7。

表7 產品銷售收入Tab.7 Product sales revenue

本項目實施后，實現甲醇分公司4 500 m3/h 空分裝置全面停車，改造后裝置并網運行1 324.75 h，僅以空分裝置2 200 kW 空壓機停運一項計，節電291.45×104kWh，電單價按0.59 元計，節約171.95 萬元；循環水節省751 133.25 m3，水單價按0.45元計，節約33.8萬元，整個并網期間共為集團節約人民幣205.75萬元。

并網期間產品共收入992.67萬元，能源消耗費用共計444.4萬元，本改造工程總投資為26.75萬元，分公司實現利潤521.523 2萬元。

7 結論及建議

項目改造建成后，甲醇分公司4 500 m3/h 空分裝置停運，實現了公用工程資源的共享，而且8 000 m3/h 空分裝置能夠平穩運行，能夠保證兩家生產所需氧氣、氮氣，充分優化集團現有裝置資源，大量節約運行費用，如長期運行，經濟效益非常可觀。

醋酸空分裝置氮氣最大產量9 600 m3/h，在甲醇裝置正常生產運行時完全能夠保證7 500 m3/h 的用量，但是在甲醇裝置開、停車進行吹掃時氮氣用量一般在10 000 m3/h左右，這時所供氮氣將無法滿足甲醇生產運行需要。空分裝置所產污氮氣的含氧量一般在3%～8%（體積分數）完全可以滿足裝置吹掃用氣指標，所以，建議對空分的污氮氣管線進行改造，鋪設一條管線接至甲醇工藝用氣管線，以補充甲醇裝置開、停車吹掃時所用氮氣[10]。