焦爐煤氣制甲醇精餾工段技術改造探索與研究

孔力軍(河北金牛旭陽化工有限公司，河北 邢臺 054000)

0 引言

隨著我國經濟的飛速發展，鋼鐵行業對焦炭的需求量越來越大，煉焦產業發展迅速。但由于焦炭產能的無序性擴展，其生產副產品焦爐煤氣對焦炭產業園區周邊的環境造成嚴重影響。此外，部分單一煉焦企業還存在將煉焦剩余焦爐煤氣直接燃燒排空的現象，既污染環境又浪費資源。焦爐煤氣的充分利用不僅符合資源節約型社會的建設需要，還可以為社會經濟的可持續發展提供能源支撐。目前，我國化工產業越來越重視甲醇制備技術的發展，焦爐煤氣制甲醇有助于促進甲醇綜合性制備質量改進。精餾可以將物質提取為純凈組態，焦爐煤氣制甲醇精餾工段技術在化工產業中得到了較廣的應用[1]。但隨著工藝技術的發展和設備性能的優化，原有焦爐煤氣制甲醇精餾工段技術也暴露出了一些弊端。為了實現技術的改造升級，本文以10萬噸/年的焦爐煤氣制甲醇精餾工段技術的改造為例，對甲醇精餾工作的技術改造進行了探討。

1 焦爐煤氣制甲醇工藝技術介紹

焦爐煤氣可以制取合成氨，發電等，但就目前的市場和社會環境綜合考量，最具有經濟效益的方法是生產甲醇[2]。自2004年，世界上第一套焦爐煤氣制甲醇項目在中國建成投產以來，國內有越來越多的焦爐煤氣制甲醇裝置投入使用，創造了較大的經濟效益，但也帶來一定的環境問題，引發社會關注。

焦爐煤氣制甲醇的典型工藝流程圖如圖1所示。焦爐煤氣濕法脫硫后通過氣柜經焦爐煤氣壓縮機加壓到2.1 MPa，溫度為40 ℃后再進行精脫硫處理。脫硫處理合格后，焦爐煤氣進入轉化爐并往里加入蒸汽，與高純氧氣發生部分燃燒反應。在轉化爐的催化劑床層進行高溫焦爐煤氣的甲烷催化反應，生成二氧化碳、氫氣、一氧化碳；過程中焦爐煤氣溫度控制在其轉化中的甲烷體積分數低于0.6%[3]。經過轉化處理的焦爐煤氣送到合成氣壓縮機工段加壓后，送到合成塔生產出甲醇。

圖1 焦爐煤氣制甲醇的典型工藝流程

2 焦爐煤氣制甲醇精餾工段工藝流程

精餾是焦爐煤氣制甲醇工藝流程中的重要工段，本研究以10萬噸/年的焦爐煤氣制甲醇精餾工段工藝流程為例，其流程示意圖如圖2所示。

圖2 焦爐煤氣制甲醇精餾工段工藝流程示意圖

將從甲醇合成工段來的粗甲醇引入粗甲醇貯槽中并經粗甲醇泵送入粗甲預熱器。將粗甲醇預熱到約70 ℃后進入預精餾塔的32、34、36層塔板，用堿液泵向預精餾塔中泵入質量分數5%的NaOH水溶液以中和粗甲醇中的酸性物質[4]。預精餾塔塔頂出來的氣體，經過冷凝器I和Ⅱ用循環水分級冷凝后成為甲醇溶液收集回預塔回流槽內，再經回流泵加壓后，進入預塔內。

從預塔塔底出來的預后甲醇，經預后甲醇泵送入加壓精餾塔8、10、12層塔板進行加壓精餾。塔頂出來的甲醇蒸汽在常壓塔再沸器中冷凝形成甲醇冷凝液，通過出口流入加壓回流槽，一部分經加壓塔回流泵送回加壓精餾塔上部進行回流，另一部分作為成品甲醇經過粗甲醇預熱器、精甲醇冷卻器，進入精甲醇中間槽[5]。

通過控制加壓精餾塔塔釜液面可以讓過剩產物進入常壓塔18、22、26層塔板。常壓塔底部產物經加壓精餾塔頂產物的冷凝熱再沸，塔頂出來的蒸汽經塔頂冷凝器冷卻后進入常壓塔回流槽，一部分精甲醇液經常壓塔回流泵進入常壓塔上部進行回流，剩余的經過處理后送入精甲醇中間槽，分析合格后再送到成品罐區貯存。常壓塔底部排出的殘液經殘液泵進入殘液冷卻器冷卻后要么作為萃取液進入粗甲醇槽，要么送入污水處理站進行生化處理。

3 焦爐煤氣制甲醇精餾工段的技術改造

3.1 精餾再沸器加熱改造

3.1.1 改造原因

改造前的精餾再沸器加熱工藝流程圖如圖3所示，通過研究該流程圖及生產實際可以看出原來的精餾再沸器加熱工藝存在弊端，主要包括以下三點：(1)以往的焦爐煤氣制甲醇精餾工段技術的精餾再沸器多采用低壓蒸汽加熱，但實踐發現該系統蒸汽消耗量較高[6]。目前正常生產時粗甲醇系統每小時進料量約為16～18 m3，其精餾工段每小時就需要消耗13～15 t蒸汽。(2)精餾再沸器通過大量低壓蒸汽加熱時會產生較多的蒸汽冷凝液。這些蒸汽冷凝液大部分會直接排入廠區系統的堿性循環池或用作其他工段蒸發補水，回收率和利用率較低。(3)甲醇轉化工段鍋爐生產時給水預熱器后轉化氣的溫度高達150～200 ℃，但經第一水冷器循環水冷卻后溫度下降到30～40 ℃，其中溫差過大極易導致第一水冷器管束泄漏。而在日常轉運中一旦發生第一水冷器管束泄漏，其堵漏工作不僅將會消耗非常多的人力物力，還會給整個甲醇裝置的正常運行留下隱患。為了保證設備運行安全，在精餾再沸器加熱采用低壓蒸汽加熱的情況下，第一水冷器的使用周期較短，一般一年更換一次，增加了設備消耗費[7]。

圖3 改造前精餾再沸器加熱工藝流程圖

3.1.2 改造方法及效果

基于精餾再沸器低壓蒸汽加熱的不足及目前技術對當前的精餾再沸器熱源進行了改進，用轉化氣代替蒸汽，新增了再沸器2臺，轉化氣第一分離器1臺，轉化氣第二分離器1臺，改造后精餾再沸器加熱工藝流程圖如圖4所示。其改造后精餾再沸器加熱工藝具有以下優勢：(1)改造后預塔再沸器均使用轉化氣加熱，轉化氣的熱量足夠為再沸器提供充足熱源，基本不需要外補低壓蒸汽。加壓精餾塔實際蒸汽消耗量下降，在粗甲醇進料量不變的情況下，精餾工段每小時可降低7 t低壓蒸汽損耗，極大地節約了物料[8]。(2)轉化氣代替低壓蒸汽進行再沸器加熱可以減少蒸汽冷凝的產生，促進了整個管網的水平衡。改造后循環水池不需再通入蒸汽冷凝液，既減輕了循環水池涼水塔的負荷，又避免了其他工段帶來潛在隱患，還實現了節能減排的目標。(3)轉化氣代替低壓蒸汽進行再沸器加熱降低了轉化氣溫度，彌補原來因第一水冷器前后溫差較大而存在設備泄漏風險。改造后經過第一冷水器的溫差僅有50 ℃，較原來的120～160 ℃明顯下降，設備的換熱負荷也有了明顯減輕，既減輕了潛在危險又提高了整個系統的換熱效率。此外，溫差降低后設備損耗問題也得到了改善，延長了第一水冷器的使用周期。

圖4 改造后精餾再沸器加熱工藝流程圖

3.2 精餾工段不凝氣的處理

3.2.1 改造原因

焦爐煤氣制甲醇精餾工段的生產會使得設備上部聚集不凝氣。不凝氣是指一定溫度、壓力下無法在冷凝裝置中液化的氣體，常見的有甲烷、氫氣、一氧化碳等[9]。目前生產中焦爐煤氣制甲醇精餾工段產生的不凝氣多被現場高空排空，這樣做會在一定程度上污染環境。而精餾殘液送入污水處理站進行生化水處理，每立方米的處理費用為28元，整體成本較高，影響企業的收益。在節能減排增效的大背景下，需要企業不斷創新廢棄、廢料處理工藝，所以提出了通過精餾殘液洗滌精餾工段不凝氣的改造。

在對焦爐煤氣制甲醇精餾工段產生的殘液和廢氣成分進行分析后，發現其廢氣由59.33%CO2，11.55 %(CH3)2O，9.74% CH3OH，9.02% H2，4.90% H2O，2.61% CO，2.12% CH4，0.84% N2組成；而廢液里則含有不少能夠回收的液體和氣體。基于節能減排增效的原則，廢液中有用的成分可以回收外賣，而未被吸收的氣體則多為CO2能夠為甲醇生產原料氣體補充碳成分，以提高甲醇產量。

3.2.2 工藝流程及效果

其主要流程包括：(1)液體流程：常壓塔底部的殘液加壓冷卻后送入回收塔頂部噴淋并與排放槽的不凝氣體逆流接觸。在回收塔塔底設置了回流泵并在其出口開設了兩條路徑，一條通往回收塔，參與塔頂回流，另一條則通往排放槽，最終進入雜醇貯槽，洗滌的液體收集后可作為添加劑外賣。(2)氣體流程：不凝氣體通過排放槽后進入回收塔底部，同來自回收塔頂部的殘液逆流接觸，將不凝氣里的可燃氣體比如：二甲醚、甲醇等回收后，剩下的大部分(氣體成分為59.33%CO2、11.55%(CH3)2O、9.74% CH3OH、9.02% H2、4.90% H2O、2.61% CO、2.12% CH4、0.84% N2)進入氣柜入口，用于焦爐煤氣碳原子補充，進一步對氣體中的碳原子進行回收，以便減少不凝氣直接排空的情況。

目前正常生產情況下精餾工段不凝氣流量約為80～100 m3/h，殘液流量約為3～5 m3/h，其中殘液中的H2O質量分數為98.5%，CH3OH為0.4%，高沸點醇為1.1%。這些不凝氣體及殘液中的醚類、醇類物質能夠用作燃料添加劑。洗滌后，精餾工段產生的不凝氣和液體可以進行回收，作為半成品比如雜醇或燃料添加劑外賣，醇含量較高可作為粗甲醇出售，既減少了直接對空排放所造成的環境污染，又提高了經濟收益。

4 結語

總而言之，隨著生產需要的升級和技術的進步，原有焦爐煤氣制甲醇精餾工段的技術逐漸暴露出弊端，對精餾工段的技術進行優化改造可以彌補之前的設計缺陷，提升該階段轉化氣的熱效率，實現節能減排增效的目的。本研究探討了精餾再沸器加熱改造和精餾工段不凝氣的處理，這兩項改進可以有效減少精餾工段的設備損耗，減少浪費，降低環境污染，增加公司產品收益。