甲醇合成系統(tǒng)技術改造

尹艷江 陳煥峰 (河北金牛旭陽化工有限公司,河北 邢臺 054001）

河北金牛旭陽化工有限公司20萬t/a甲醇裝置以焦爐煤氣為原料，采用純氧—蒸汽轉化、低壓合成甲醇技術，經(jīng)三塔精餾工序制的99.99%（乙醇含量＜50ppm）。該裝置于2009年5月投產(chǎn)運行。針對合成系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)的制約甲醇提產(chǎn)問題、降低消耗的問題，采取技改等相應措施，實現(xiàn)生產(chǎn)平穩(wěn)運行。

1 項目提出的背景及項目的必要性

1.1 概述

河北金牛旭陽化工有限公司的20萬噸/年甲醇項目依托四川天一科技股份有限公司設計。裝置于2009年投運后，經(jīng)過一年的運行發(fā)現(xiàn)甲醇合成系統(tǒng)中馳放氣的CO的平均含量為3%（v/v），CO2的平均含量為6%（v/v），馳放氣量為18000Nm3/h、年損失碳1296萬Nm3，根據(jù)反應生成1噸甲醇需要700m3碳計算，如果進行合理回收每年多生產(chǎn)甲醇5554噸。于是在2010年通過在原合成塔后串聯(lián)增加一套小合成系統(tǒng)，將這些馳放氣中的碳資源進行了合理利用。

目前大合成塔設計催化劑裝填量為39.1m3，入塔氣氣量為470323Nm3/h。通過查找國內(nèi)幾家知名催化劑廠家 （四川天一、南京南華、大連瑞克）提供催化劑參數(shù)可知，催化劑空速6000-20000h-1、反應壓力4.0-15.0MPa、使用壽命2-3年，我廠催化劑空速理論計算值為12029h-1、反應壓力7.0MPa、生產(chǎn)6年共更換3次催化劑平均壽命為2年，可以看出我公司催化劑的使用情況與同行業(yè)企業(yè)相比屬于中等水平。

1.2 項目提出背景

目前我公司大合成系統(tǒng)在實際運行中存在以下幾個問題：

1.2.1 大合成塔催化劑裝填量較小僅為39.1m3、空速較高12029h-1、催化劑壽命較短僅為2年。

1.2.2 大合成塔反應壓力較高需保持在6.5-6.7MPa，導致前工序合成器壓縮機能耗較高。

1.2.3 轉化系統(tǒng)壓力長期處于高危值運行，系統(tǒng)加量難度較大無法保證裝置滿負荷生產(chǎn)，而且對生產(chǎn)裝置長周期、滿負荷、安全運行帶來巨大挑戰(zhàn)。

2 同行業(yè)解決辦法

唐山中潤煤化工有限公司有兩套年產(chǎn)10萬噸的焦爐煤氣甲醇裝置，于2009年3月投產(chǎn)、2012年對合成系統(tǒng)進行了技術改造（每套裝置都新增串聯(lián)了一臺小合成塔），再加上焦爐氣壓縮機鏜缸增加打氣量和系統(tǒng)補碳（補液態(tài)CO2）等一系列手段，單套裝置產(chǎn)量由原來的360t/增加到420t/d。通過技術交流，我們發(fā)現(xiàn)了對方增產(chǎn)降耗的原因。主要體現(xiàn)在下幾點：

2.1 催化劑裝填量：中潤單套100kt/a大、小合成塔催化劑裝填量為29.5m3、15m3，金牛200kt/a大、小合成塔催化劑裝填量為39.1m3、4m3。都折合成100kt/a這個平臺做比較，中潤是我們的2倍。

2.2 操作方式：中潤采用大小合成塔并聯(lián)操作、金牛采用大小合成塔串聯(lián)操作。原因：唐山中潤甲醇裝置是化二院設計的系統(tǒng)富余量較大（管道直徑、壓縮機功率都大）改造后期有加量余地，采用并聯(lián)操作可以多吃新鮮氣是增產(chǎn)的原因。金牛旭陽是由天一設計系統(tǒng)富余量較小，改造后期加量余地幾乎沒有采用串聯(lián)保持原有氣量不變情況下總碳轉化率較高是增產(chǎn)的原因。

2.3 空速：空速=合成氣氣量/催化劑裝填量，中潤：7206h-1、金牛：12029h-1。

2.4 反應壓力：唐山中潤：6.0MPa，金牛旭陽：7.0MPa。

2.5 使用周期：唐山中潤使用大連瑞克生產(chǎn)的RK-05型，使用周期為3年（最長一次3.5年），金牛旭陽使用四川天一生產(chǎn)的XCN-98型，使用周期僅為2年。

3 查證相關資料

空速的概念：在規(guī)定的條件下，單位時間單位體積催化劑處理的氣體量，單位為m3/(m3催化劑·h)，可簡化為h-1。反應器中催化劑的裝填數(shù)量的多少取決于設計原料的數(shù)量和質(zhì)量以及所要求達到的轉化率。

空速越高表示催化劑活性越高，裝置處理能力越大。但是，空速不能無限提高。對于給定的裝置，進料量增加時空速增大，空速大意味著單位時間里通過催化劑的原料多，原料在催化劑上的停留時間短，反應深度淺。相反，空速小意味著反應時間長，降低空速對于提高反應的轉化率是有利的。

所以，較低的空速意味著在相同處理量的情況下需要的催化劑數(shù)量較多，而在目前我公司大合成塔的催化劑裝填料數(shù)量無法改變情況下，結合我公司實際生產(chǎn)情況，行之有效的辦法就是再增加一臺新合成塔提高催化劑的裝填量，以此能達到降低空速的目的。

最后技術人員經(jīng)過認真分析論證，現(xiàn)已提出系統(tǒng)技改方案：即在現(xiàn)有甲醇合成塔旁邊并聯(lián)一臺催化劑裝填量為20m3的合成塔，使合成催化劑的裝填量達到59.1m3，共用現(xiàn)有氣氣換熱器、汽包、蒸發(fā)冷和甲醇分離器不增加其他設備。改造完成后可明顯降低催化劑的空速、同時合成反應壓力也隨之降低，并解決了系統(tǒng)壓力過高造成的能量損失，以達到提高裝置整體高效、穩(wěn)定和安全性。

4 工藝和施工方案

4.1 工藝方案

新增合成塔與現(xiàn)有大合成塔并聯(lián)操作，共用一個氣氣換熱器、蒸發(fā)冷、甲醇分離器。從聯(lián)合機經(jīng)加壓后的入塔氣經(jīng)氣氣換熱器換熱后同時進入大合成塔和新增合成塔參與反應。由于采用并聯(lián)操作法，中控操作難易性幾乎沒有發(fā)生改變。

4.2 施工方案

新增合成塔R0603入塔氣進出口碰口位置：在R0603進口前增加一道DN600自調(diào)閥并聯(lián)在SG0602-600A-E16M4-H4上，R0603出口與SG0602-600A-E16M4-H4并聯(lián)。

與開工蒸汽碰口位置：與MUS0601-100-D6M4-H8管線并聯(lián)，引外來過熱蒸汽用于開車操作。

該方案由我公司技術部人員自己設計、自己實施、以便壓縮項目投資成本。

5 項目實施規(guī)劃

5.1 項目投資估算

該項目估算投資需：合成塔（1臺，設備規(guī)格：DN3000）600萬元；管道閥門115萬元；電氣儀表70萬元；土建60萬元；安裝110萬元；其他15萬元，合計970萬元。

5.2 項目經(jīng)濟效益評價

5.2.1 節(jié)約電費

項目完成后系統(tǒng)壓力（由7.0MPa降低到6.0MPa計算），合成氣壓縮機有用功由5656Kw降到5000Kw,節(jié)省了11.5%，年節(jié)約電費為：5656*11.5%*8000*0.68/10000=353.84萬元。

5.2.2 提高甲醇產(chǎn)量

項目完成后，合成催化劑裝填量由39.1m3增加到59.1m3，最大的改善體現(xiàn)在CO和CO2轉化率長期維持在高限水平，增產(chǎn)按照全年平均進氣量52000m3/h、總碳含量38.5%、平均總碳轉化率94%、全年累計生產(chǎn)8000小時計算。每小時產(chǎn)量=52000*0.385*0.94/700=26.88t/h，合計全年產(chǎn)量：26.88*8000=215040噸。目前按照210000計算，每年多增產(chǎn)5000噸甲醇。

參照2014年甲醇價格平均2228元/噸，再參照2015年1-5月份甲醇價格2350。平均價格在2300元/噸，我公司甲醇每噸凈利潤為300元，全年可以增加效益：300*5000=150萬元。

6 結語

6.1 綜合評價

6.1.1 合成系統(tǒng)改造項目只是在原有合成塔旁邊并聯(lián)一個較小的合成塔，共用原有入塔氣換熱器和蒸發(fā)冷，其余設備不增加，不增加操作難度和工作量，不額外增加占地面積，簡便易行。

6.1.2 項目完成后節(jié)能帶來的年效益為353.84萬元；增產(chǎn)帶來的年經(jīng)濟效益為150萬元。兩項合計年經(jīng)濟效益503.84萬元。

6.1.3 本項目完成后由于降低了合成催化劑運行空速，使合成系統(tǒng)運行壓力（系統(tǒng)運行參數(shù)）降低，因此可大大提高系統(tǒng)運行的安全性和可靠性。由此帶來的綜合效益要遠遠大于直接經(jīng)濟效益。

6.2 結語

6.2.1 本項目完成后年均創(chuàng)造直接效益503.84萬元，投資970萬元設備折舊92.15萬元（970*0.95/10），投資回收期為：970（/503.84-92.15）=2.36，即兩年三個月就可收回投資。

6.2.2 本項目具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益，項目完成后可明顯提升公司經(jīng)濟實力和競爭能力。