280 kt/a氨醇系統(tǒng)開車及生產(chǎn)運(yùn)行總結(jié)

王 斌,李 強(qiáng)

[山西陽煤豐喜肥業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司臨猗分公司,山西臨猗 044100]

0 引 言

2008年底至2009年初,受國際金融危機(jī)影響,國內(nèi)甲醇行業(yè)市場低迷、價(jià)格持續(xù)走低,國內(nèi)好多甲醇生產(chǎn)企業(yè)相繼減產(chǎn)或停產(chǎn)。山西陽煤豐喜集團(tuán)臨猗分公司甲醇分廠原有甲醇產(chǎn)能200 kt/a,虧損較為嚴(yán)重,公司為使企業(yè)走出困境,穩(wěn)定人心和市場,適應(yīng)市場經(jīng)濟(jì)變化的需要,決定對其進(jìn)行技術(shù)改造,調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu),盤活資產(chǎn),使甲醇分廠同時能夠生產(chǎn)甲醇和尿素,提升企業(yè)抵御市場風(fēng)險(xiǎn)的能力。

改造后,甲醇分廠總氨年產(chǎn)能340 kt/a(其中液氨產(chǎn)能240 kt/a,甲醇產(chǎn)能100 kt/a),尿素產(chǎn)能400 kt/a。整套裝置于2010年7月10日一次性投料開車成功,經(jīng)過十個月多的生產(chǎn)運(yùn)行,各項(xiàng)工藝指標(biāo)和產(chǎn)量均達(dá)到或優(yōu)于工藝設(shè)計(jì)要求,裝置運(yùn)行穩(wěn)定,噸氨各項(xiàng)消耗水平低。

我公司280 kt/a氨醇裝置采用湖南安淳的醇烴化精制工藝和ⅢJD氨合成工藝技術(shù),現(xiàn)將工藝流程和開車運(yùn)行情況總結(jié)如下。

1 生產(chǎn)工藝流程簡介

1.1 醇烴化工藝流程

壓縮機(jī)送來22.0 MPa的原料氣經(jīng)醇化補(bǔ)氣氨冷后和醇化循環(huán)氣混合,進(jìn)入醇化油分分離油水,經(jīng)醇化預(yù)熱器管間換熱,進(jìn)入醇化塔內(nèi)換熱器,加熱至210～220℃,進(jìn)入催化床層反應(yīng),反應(yīng)后氣體經(jīng)醇化塔內(nèi)換熱器出醇化塔,再進(jìn)入醇化預(yù)熱器、醇化水冷器降溫至40℃,進(jìn)入醇分離器分離甲醇;分離甲醇后的醇后氣經(jīng)烴化預(yù)熱器管間加熱后從下部進(jìn)入烴化塔內(nèi)換熱器管間,提溫至210～220℃進(jìn)入烴化催化層進(jìn)行反應(yīng),出催化床層后經(jīng)塔內(nèi)換熱器換熱降溫出烴化塔,再經(jīng)烴化預(yù)熱器管內(nèi)降溫到60℃左右,入烴化物分離器分離液態(tài)醇烴后,進(jìn)入烴化水冷器、氨冷器降溫至5～8℃,再進(jìn)入烴化水分離器,分離水和少量醇烴后,作為合格的氨合成原料氣進(jìn)入氨合成系統(tǒng)。醇烴化工藝流程簡圖如圖1。

圖1 醇烴化流程示意1—醇化補(bǔ)充氨冷器;2—醇化補(bǔ)氣油分;3—醇化塔;4—醇化預(yù)熱器;5—醇化水冷器;6—醇分離器;7—烴化油分;8—烴化塔; 9—烴化預(yù)熱器;10—烴化物分離器;11—烴化水冷器;12—烴化氨冷器;13—烴化水分離器;14—循環(huán)機(jī)

1.2 氨合成工藝流程

從合成油分出來氨含量2.5%左右的未反應(yīng)氣體分成兩股:一股75%～80%經(jīng)塔外熱交加熱至175～190℃進(jìn)入塔內(nèi)下熱交的管內(nèi),由下而上上升被加熱后,再經(jīng)塔內(nèi)上熱交加熱至370℃,經(jīng)中心管到達(dá)催化床“0”米,與由冷管出來25%～20%、370℃的另一股未反應(yīng)氣混合,依次通過催化劑的軸徑向床層反應(yīng),再進(jìn)入塔內(nèi)下熱交管間,被管內(nèi)冷氣冷至320～340℃,從合成塔下部出來,進(jìn)入廢熱鍋爐(副產(chǎn)2.5 MPa蒸汽),換熱后溫度降至200～210℃,進(jìn)熱交換器冷卻至80℃,再進(jìn)循環(huán)水冷排冷卻至35℃,進(jìn)入冷交管間,溫度降至10～15℃并分離液氨,然后經(jīng)過氨冷、氨分二次分氨,補(bǔ)入從烴化來的22.0 MPa新鮮氣,使混合氣溫度達(dá)到-10℃左右,再進(jìn)入冷交管內(nèi),回收冷量之后,氣體升溫至25℃,再進(jìn)循環(huán)機(jī)、油分、進(jìn)塔,出塔,再進(jìn)入廢鍋,熱交……如此循環(huán)。氨合成工藝流程簡圖如圖2。

1.3 工藝流程特點(diǎn)

(1)醇烴化精制工藝優(yōu)于雙甲精制工藝。用烴化催化劑取代甲烷化催化劑,大部分 CO、CO2轉(zhuǎn)化成在常溫下可冷凝為液態(tài)的烴類產(chǎn)物,極少量轉(zhuǎn)化為甲烷。與雙甲精制工藝相比,少耗33%的H2,氨合成放空量減少28%,甲醇產(chǎn)量增加,合成氨產(chǎn)量增加2%～3%。

(2)烴化系統(tǒng)設(shè)置兩級分離。熱交之后,一級分離出長碳鏈液態(tài)的烴化物;二級設(shè)置氨冷器,使氣體中水蒸氣含量降到34×10-6以下,最大限度地保護(hù)了氨合成催化劑。

圖2 氨合成工藝流程圖1—油分離器;2—氨合成塔;3—廢熱回收器;4—熱交換器; 5—軟水加熱器;6—合成水冷器;7—冷交換器;8—氨冷器; 9—氨分離器;10—循環(huán)機(jī)

(3)工藝氣體凈化精制度高。甲醇化出口CO+CO2為0.03%～0.3%,烴化出口 CO+ CO2≤15×10-6;副產(chǎn)粗甲醇質(zhì)量高,生成的醇醚化物可作汽車燃料,是價(jià)廉質(zhì)高的二次能源,無污染物質(zhì)排放,清潔、環(huán)保。

(4)冷交熱氣走管外,有利于氨的分離。傳統(tǒng)流程中反應(yīng)后熱氣由上而下走管內(nèi),再由下而上經(jīng)中心管離開冷交,被管外冷氣冷凝的液氨部分積留在管內(nèi),影響冷卻效果。而新的流程含氨氣體走管外,管子是螺旋管,冷凝的液氨沿管壁螺紋槽旋轉(zhuǎn)而下,在分離段分離,提高了冷卻效果。

(5)進(jìn)熱交換器的冷氣溫度35～40℃,使進(jìn)水冷器的熱氣溫度降到小于80℃,提高了熱回收率,減少了設(shè)備投資。

(6)循環(huán)機(jī)位置放在塔前,其優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約了冷凍量;補(bǔ)氣位置在氨冷氨分離器后,減少氨冷負(fù)荷,節(jié)約了冷凍量,同時又降低了氣體中氨含量,有利氨合成反應(yīng)。

(7)醇化、烴化、合成設(shè)為同一壓力, 22.0 MPa等級,節(jié)約一臺循環(huán)機(jī),提高了醇化、烴化的生產(chǎn)能力。本裝置采用的流程是節(jié)能流程。

2 氨醇裝置主要設(shè)備簡介

2.1 主要設(shè)備特點(diǎn)

醇化塔 內(nèi)件結(jié)構(gòu)為兩軸兩徑,氣體分流進(jìn)塔,且催化劑床層徑向段占總床高80%左右,塔阻力小,內(nèi)件催化劑容積約35.0 m3,催化劑可自卸;φ2 000 mm,H凈18 m,醇化塔內(nèi)裝填有粒徑為φ5×(4.0～6.0)mm圓柱狀的DC207催化劑47.3 t。

烴化塔 內(nèi)件為兩軸一徑的絕熱反應(yīng)器,徑向段占催化劑床層的42%。內(nèi)件催化劑容積約31.3 m3,催化劑可自卸;φ1800 mm,H凈18 m,裝填粒徑為2.5～6.7 mm的XAC催化劑89.3t。

氨合成塔 內(nèi)件結(jié)構(gòu)為一軸兩徑,未反應(yīng)氣體并聯(lián)分流進(jìn)塔,且徑向段占整個催化劑床層的82%,塔阻力小。內(nèi)件催化劑容積約68.5 m3。催化劑可自卸。φ2 500 mm,H凈22 m,塔設(shè)計(jì)壓差≤0.8 MPa,內(nèi)裝有粒徑為φ3～5 mm的球形催化劑A201Q和HA310Q共203.8 t。

氨合成塔內(nèi)件特點(diǎn) 氨合成塔內(nèi)件中有三個換熱器,進(jìn)換熱器的三股未反應(yīng)氣是并聯(lián)分流進(jìn)入的,只有少量冷氣調(diào)溫,大大減少了冷激氣量,更有利于提高氨凈值,提高單塔產(chǎn)氨能力;中心管換熱器組件為可拆卸式,安裝簡單方便。

塔前預(yù)熱器和換熱器 換熱管采用橫紋管,傳熱系數(shù)比光滑管高30%～50%,相應(yīng)可減少換熱面積;大高徑比,H/D≥10,適當(dāng)提高氣流速度,增加傳熱效果;換熱器分為兩段,熱端為抗氫鋼材料,冷端為碳鋼材料,確保安全運(yùn)行,又降低了造價(jià)。

淋灑式水冷器 醇烴化水冷器和氨合成水冷器均為淋灑式,克服了本地水質(zhì)條件差易結(jié)垢的缺點(diǎn),便于維修和清洗,強(qiáng)化了換熱效果。

2.2 主要設(shè)備一覽表(表1)

表1 主要設(shè)備一覽表

3 原始開車情況

整套裝置經(jīng)過設(shè)備、管道和內(nèi)件安裝,系統(tǒng)吹除、試壓、試氣密等工序,醇烴化工段于2010年5月底安裝結(jié)束,氨合成工段于6月10日安裝結(jié)束。安裝結(jié)束后,整套裝置進(jìn)入原始開車階段,現(xiàn)將原始開車階段情況總結(jié)如下。

3.1 醇烴化系統(tǒng)催化劑還原

3.1.1 醇化塔

醇化塔于6月6日0:00開一臺(最后開3臺)循環(huán)機(jī)開始升溫還原,累計(jì)還原時間100 h,計(jì)劃還原時間104 h,比計(jì)劃還原時間縮短4 h。本次催化劑還原采用低氫氣濃度還原方案,采用99.9%的N2作為催化劑還原的熱載體,整個還原過程安全穩(wěn)定,還原過程中系統(tǒng)壓力控制2.9～3.5 MPa,空速控制3 000 h-1,83℃開始出物理水,164℃開始向還原系統(tǒng)中補(bǔ)入 H2, H2含量＜1%(氣源為氨合成新鮮氣)。催化劑還原主期控制 H2含量＜1%,后期可根據(jù)還原情況適當(dāng)往高調(diào)整。

3.1.2 烴化塔

烴化塔于6月9日0:00開一臺(最后開3臺)循環(huán)機(jī)開始升溫還原,累計(jì)還原時間160 h,計(jì)劃還原時間168 h,比計(jì)劃還原時間縮短8 h。本次催化劑還原采用氨合成新鮮氣還原方案,還原過程中系統(tǒng)壓力初期和中期控制在3.0～3.5 MPa,空速控制3 000 h-1,還原過程中以催化劑出水為目的,以水汽濃度的控制為調(diào)節(jié)手段;下層催化劑的還原壓力可根據(jù)還原情況適當(dāng)往高調(diào)整,整個還原過程安全穩(wěn)定。值得注意的是,催化劑還原主后期,存在大量較高濃度氨水外送的問題,要提前做好準(zhǔn)備工作。特別注意還原過程中氨水濃度大于5%時,氨冷溫度才能降到0℃以下操作。

3.2 氨合成系統(tǒng)催化劑還原

氨合成塔上層裝填A(yù)201Q球形催化劑,下層裝填HA310Q球形催化劑,于6月17日7:00開一臺循環(huán)機(jī)(最后開5臺)開始升溫還原,累計(jì)還原時間210 h,計(jì)劃還原時間210 h。本次催化劑還原采用氨合成新鮮氣為氣源的還原方案,還原過程中初期系統(tǒng)壓力控制4.1～4.2 MPa,空速控制3 000～5 000 h-1,催化劑還原后期可根據(jù)還原情況將系統(tǒng)壓力適當(dāng)往高調(diào)整。

3.3 三塔催化劑還原工作總結(jié)

該項(xiàng)目三個合成塔的催化劑裝填量大,催化劑還原質(zhì)量的好壞將直接影響到系統(tǒng)開車后能否穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行,各項(xiàng)工藝消耗指標(biāo)能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。三個合成塔的催化劑還原工作十分重要,為此我們專門成立了催化劑還原的組織機(jī)構(gòu),統(tǒng)一協(xié)調(diào)和指揮催化劑的還原工作,從技術(shù)準(zhǔn)備和行動上來保證還原工作的順利進(jìn)行。催化劑還原前,我們從人員理論培訓(xùn)、實(shí)踐操作和熟悉現(xiàn)場工藝流程等方面進(jìn)行了認(rèn)真、詳細(xì)的生產(chǎn)準(zhǔn)備工作。

針對甲醇催化劑高氫氣濃度還原不穩(wěn)定、容易飛溫、催化劑還原過程中不安全等問題,我們充分利用公司內(nèi)有效資源,采用99.9%的N2作為催化劑還原的熱載體,進(jìn)入還原主期開始補(bǔ)H2,控制 H2含量＜1%,來確保甲醇催化劑還原的穩(wěn)定性和成功率;烴化催化劑和氨合成催化劑的裝填量都比較大,為確保兩塔催化劑的還原質(zhì)量,我們采用催化劑分層還原的原則,采用“三高三低”的催化劑還原操作法,即高 H2含量、高電爐功率、高空速,低水汽濃度、低壓力、低氨冷溫度,來保證催化劑還原的質(zhì)量。從生產(chǎn)運(yùn)行情況看,三塔催化劑的還原是成功的,催化劑還原的質(zhì)量是可靠的。

4 生產(chǎn)運(yùn)行情況

山西陽煤豐喜集團(tuán)臨猗分公司2010年7月投產(chǎn)的DN2500合成氨裝置,設(shè)計(jì)總氨280 kt/a (液氨250 kt/a,粗醇30 kt/a),其中,醇烴化精制工序的主要任務(wù)是精煉精制工藝氣體(只設(shè)計(jì)一套醇化裝置),使合成氨原料氣中的CO+CO2≤15×10-6,不以產(chǎn)甲醇為主要目的。整套裝置于7月15日滿負(fù)荷生產(chǎn),到目前為止已運(yùn)行十個多月,整套裝置生產(chǎn)運(yùn)行的工藝指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計(jì)的工藝指標(biāo)?，F(xiàn)將裝置的生產(chǎn)運(yùn)行情況總結(jié)如下。

4.1 醇烴化工序生產(chǎn)狀況

(1)系統(tǒng)運(yùn)行工藝參數(shù)

原料氣流量 103000～106000 m3/h

原料氣壓力 14.1～15.1 MPa

醇化塔壓差 0.1 MPa

烴化塔壓差 0.05～0.1 MPa

系統(tǒng)壓差 0.3～0.4 MPa

烴化氨冷溫度 10～15℃

醇化水冷器溫度 27.6℃

烴化水冷器溫度 27.9℃

醇化塔爐溫 225±5℃

烴化塔爐溫 225±5℃

(2)醇烴化氣體成分(表2)

表2 醇烴化工序氣體成分

4.2 氨合成工序生產(chǎn)狀況

(1)系統(tǒng)運(yùn)行工藝參數(shù)

新鮮氣流量 99 500～103500 m3/h

系統(tǒng)壓力 15.1～16.0 MPa

系統(tǒng)壓差 1.1～1.2 M Pa

氨合成塔壓差 0.4～0.5 MPa

合成水冷器溫度 29.5℃

合成氨冷器溫度 -12℃

氨合成塔爐溫 475±5℃

(2)氨合成工序氣體成分(表3)

表3 氨合成工序氣體成分

4.3 產(chǎn)量情況(表4)

表4 醇氨產(chǎn)量

裝置最大生產(chǎn)能力921.25 t/d(液氨883.1t,甲醇38.15 t),平均生產(chǎn)能力902.84 t/d(液氨870.83 t,粗醇32.01 t)。合成氨裝置的運(yùn)行壓力均在 15.1～16.0 MPa,CH4含量 16%～18%,塔壓差0.5 MPa,系統(tǒng)壓差1.2 MPa。

4.4 生產(chǎn)運(yùn)行消耗(噸氨)

循環(huán)機(jī)電耗 55～65 kW·h

冰機(jī)電耗 110～120 kW·h

烴化電爐電耗 15～18 kW·h

合成工段總電耗 180～203 kW·h

循環(huán)水消耗 65～70 t

2.5 MPa蒸汽 28.9 t/h(噸氨副產(chǎn)蒸汽≥0.8 t)

5 工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)體會

臨猗分公司合成裝置的工程特點(diǎn)是,單臺設(shè)備噸位重,吊裝難度大,其中,氨合成塔342 t,為整個項(xiàng)目中最重設(shè)備;管道壓力等級高,安裝焊接工作量大;內(nèi)件數(shù)量多,安裝內(nèi)件,打填料、試氣密工作要求專業(yè),工作程序繁瑣、嚴(yán)格,施工難度大;催化劑裝填種類多,噸位重(3種催化劑,共356 t),原始開車中催化劑裝填任務(wù)重;醇烴化工段、合成工段吹除、試漏、試氣密等原始開車準(zhǔn)備工作任務(wù)重。現(xiàn)將工程建設(shè)過程中的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)如下。

(1)若循環(huán)機(jī)是往復(fù)式循環(huán)機(jī),循環(huán)機(jī)相連接管道的振動問題要特別注意,最好是在設(shè)計(jì)和安裝階段就能夠很好地把往復(fù)式循環(huán)機(jī)連接管道的振動問題解決了。

(2)裝置中關(guān)鍵設(shè)備的制作,如氨合成塔、醇化塔、烴化塔、直通式廢熱鍋爐等設(shè)備,在選擇設(shè)備制作廠家時要謹(jǐn)慎,注重設(shè)備制作廠家的實(shí)力和工程業(yè)績。

(3)工程安裝要選擇合成裝置安裝業(yè)績多且專業(yè)的安裝施工單位。

6 裝置總結(jié)

整套裝置從工程設(shè)計(jì)到安裝,建設(shè)周期短,一次性開車成功。正常生產(chǎn)十個多月以來,生產(chǎn)工藝指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計(jì)工藝指標(biāo),裝置現(xiàn)場無任何廢氣和廢液排放,達(dá)到了環(huán)保的零排放,工藝裝置的先進(jìn)性和節(jié)能性非常突出。具體如下。

(1)醇烴化工序與氨合成工序均采用22.0 MPa壓力運(yùn)行,這樣設(shè)置的工藝流程更簡潔、更節(jié)能。同時氨合成工段還可省去兩臺高壓設(shè)備,節(jié)省了工程的投資費(fèi)用。

(2)醇烴化工序只作為氨合成原料氣的精制工序來使用,不以產(chǎn)醇為目的,醇化塔和烴化塔均只設(shè)置一臺即可滿足工藝氣體精制的需求。

(3)醇烴化與氨合成的循環(huán)機(jī)共用,正常生產(chǎn)時醇烴化工序不開循環(huán)機(jī),5臺循環(huán)機(jī)供氨合成工序使用;醇烴化工序只在催化劑還原時開循環(huán)機(jī),節(jié)省兩臺循環(huán)機(jī),既滿足了工藝需求又節(jié)省了工程投資。

(4)三個合成塔的外供熱源均采用電加熱器來提供。外供熱源還有蒸汽和導(dǎo)熱油加熱器,蒸汽和導(dǎo)熱油加熱器的設(shè)備投資大,我們均采用電加熱器來提供熱源。正常生產(chǎn)時,醇化塔電爐不工作,烴化塔電爐工作,烴化塔電爐噸氨耗電量為15～18 kW·h,而且操作簡單、方便。

(5)氨合成塔內(nèi)件采用三股氣體并聯(lián)分流進(jìn)塔,有效降低合成塔壓差和系統(tǒng)壓差,有效降低合成系統(tǒng)的單耗。

(6)列管式換熱器循環(huán)水在殼程換熱,殼程空間有限,容易堵,影響換熱效果。因而我公司這次選用了淋灑式水冷器,有條件的工廠也可選用蒸發(fā)式水冷器代替淋灑式水冷器。蒸發(fā)式水冷器采用軟水來強(qiáng)制冷卻,噸氨消耗低,設(shè)備占地面積小,更環(huán)保、節(jié)能。

(7)醇烴化精制工藝作為一種新型、節(jié)能、環(huán)保的合成氨原料氣精制工藝,與傳統(tǒng)的合成氨原料氣精制工藝相比,具有物料消耗小、精制純度高、制造成本低、環(huán)境污染小等諸多優(yōu)勢,其工藝指標(biāo)運(yùn)行穩(wěn)定,系統(tǒng)能夠低成本、長周期平穩(wěn)運(yùn)行,給企業(yè)帶來了良好的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保以及社會效益。

(8)氨合成工序工藝先進(jìn)可靠,操作簡單,勞動強(qiáng)度低,熱量和冷量利用合理,工作壓力低,噸氨消耗低,更節(jié)能。