300kt/a甲醇裝置系統(tǒng)能量優(yōu)化

王會升

（中國平煤神馬集團藍天化工股份有限公司，河南駐馬店463000）

300kt/a甲醇裝置系統(tǒng)能量優(yōu)化

王會升

（中國平煤神馬集團藍天化工股份有限公司，河南駐馬店463000）

介紹了一套300kt/a的天然氣制甲醇裝置的系統(tǒng)能量優(yōu)化，包括蒸汽及余熱回收系統(tǒng)優(yōu)化，循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化和提高甲醇合成單程轉(zhuǎn)化率、降低循環(huán)比。

甲醇生產(chǎn)；能量優(yōu)化

平煤藍天化工300kt/a甲醇裝置于2006年建成投產(chǎn)，該裝置采用一段轉(zhuǎn)化、中壓合成、前補碳、三塔精餾工藝，原設(shè)計電耗為150kWh/t。經(jīng)過幾年的運行及工程技術(shù)人員的不斷探索，大膽創(chuàng)新，采取余壓余熱綜合利用等措施，截止目前，下降至70 kWh/t，綜合能耗下降至32GJ/t，每年可節(jié)約標準煤7200t，取得了較大的社會效益及經(jīng)濟效益?，F(xiàn)將系統(tǒng)能量優(yōu)化采取的措施及改造歸納總結(jié)，供同行業(yè)參考。

1 蒸汽及余熱回收系統(tǒng)優(yōu)化

1.1 排煙余熱回收

該裝置采用天然氣一段轉(zhuǎn)化工藝，其一段轉(zhuǎn)化爐排煙溫度原設(shè)計為136℃，實際運行溫度為160℃，煙氣量為160000Nm3/h，損失的熱量為4.16GJ/h，該廠技術(shù)人員采取在轉(zhuǎn)化爐對流段增設(shè)一組換熱盤管，對鍋爐給水進行加熱，改造后每小時能多產(chǎn)高壓蒸汽1t，可替代電力消耗約100kWh。對低品位的煙氣熱量如何再進行回收，同時又保證設(shè)備不出現(xiàn)露點腐蝕，值得深入探究。

1.2 蒸汽回收

該廠蒸汽系統(tǒng)共有4個壓力等級，分別為10.1MPa(G)、2.5 MPa(G)、0.5MPa(G)、0.2 MPa(G)。其中10.1MPa(G)蒸汽由轉(zhuǎn)化廢鍋產(chǎn)生，用來驅(qū)動合成氣壓縮機，該汽輪機為抽汽凝汽式，抽出2.5MPa(G)蒸汽一部分作為工藝蒸汽進入轉(zhuǎn)化爐，一部分直接減溫減壓至0.5MPa(G)蒸汽管網(wǎng)，作為甲醇精餾的熱源。該部分蒸汽約有20t，通過計算，發(fā)現(xiàn)直接減溫減壓損失的能量2000kW左右，該廠將鍋爐給水泵（800kW）、轉(zhuǎn)化爐引風機（400kW）由電機驅(qū)動改為汽輪機驅(qū)動，可節(jié)約電力消耗在1000kWh/h左右，全年可節(jié)約800萬kWh。

2 循環(huán)水系統(tǒng)能量優(yōu)化

2.1 控制循環(huán)水進出口溫差

該裝置循化水設(shè)計循環(huán)量為12000m3/h，上回水溫差為8℃，循環(huán)水壓力為0.4MPa，有4臺710kW的循環(huán)水泵運行。通過對上回水溫差的觀測，發(fā)現(xiàn)上回水的溫差一直在5℃左右，說明整個系統(tǒng)的循壞水流量偏大，所以該廠組織技術(shù)人員對全廠所有冷卻器的循環(huán)水進出口的溫差進行測量，發(fā)現(xiàn)溫差低于8℃的，對其進口閥門進行控制，直至其循環(huán)水進出口溫差不小于8℃。通過調(diào)整，成功停運1臺710kW的循環(huán)水泵，每年可節(jié)約電力消耗500多萬kWh。

2.2 部分風機由電驅(qū)動改為水輪機驅(qū)動

敞開式循環(huán)水裝置一般采取軸流風機對循環(huán)水進行冷卻，該廠循環(huán)水裝置一共設(shè)置4臺功率為132kW的風機，為了滿足裝置高點換熱器的進水需求，循環(huán)水回到?jīng)鏊膲毫?，一般都控制?.2MPa左右，如果將這0.2MPa的余壓利用上，每小時將產(chǎn)生200多kW的功率，所以將其中2臺風機由電機驅(qū)動改為水輪機驅(qū)動。

2.3 循環(huán)水水量采取無級調(diào)節(jié)

循環(huán)水裝置的水量應(yīng)采取無級調(diào)節(jié)的方式進行調(diào)節(jié)，隨著裝置負荷的升降，隨時進行調(diào)節(jié)，可以對循壞水泵電機采用變頻的方式來實現(xiàn)。

3 提高合成單程轉(zhuǎn)化率、降低循環(huán)比

在甲醇合成過程中，氣體通過催化劑床層的單程轉(zhuǎn)化率CO約為45%，CO2約為30%，為了提高CO、CO2總的轉(zhuǎn)化效率，必須讓出塔氣體排出一部分惰性氣體后再進行循環(huán)，為此需設(shè)置一臺循環(huán)壓縮機專門用于該部分氣體循環(huán)，而循環(huán)量的高低直接決定著循環(huán)機的電耗。影響單程轉(zhuǎn)化率的因素主要有操作壓力、反應(yīng)溫度、原料氣組成、催化劑活性和空速。

3.1 維持適宜操作壓力

甲醇合成反應(yīng)為體積縮小的反應(yīng)，提高壓力有利于反應(yīng)向正方向進行，但是壓力過高，又會增加合成氣的壓縮功。所以，甲醇合成反應(yīng)應(yīng)確定一個適宜的壓力，一般30萬t/a甲醇裝置合成壓力為5.0MPa。

3.2 控制熱點溫度

在催化劑使用初期，通?？刂戚^低的熱點溫度，這樣可以延緩銅基催化劑金屬晶體的生長速度，較好地保護催化劑的活性。但如果熱點溫度過低，達不到反應(yīng)的最佳條件，合成反應(yīng)同樣會受到限制。一般認為，催化劑的催化活性起活溫度并不是甲醇合成最適宜的熱點溫度。最適宜的熱點溫度不僅與催化劑起活溫度有關(guān)，而且還受操作壓力的影響，這是因為化學(xué)反應(yīng)速度和化學(xué)平衡主要是靠操作壓力和熱點溫度推動，但這兩者的推動結(jié)果是不一樣的。對甲醇合成而言，并不是溫度越高其反應(yīng)速度就越快。當溫度升高到一定限度時，伴隨著各類副反應(yīng)與甲醇合成反應(yīng)競爭的發(fā)生和反應(yīng)深化的加劇，甲醇合成的反應(yīng)速度會降低。所以，在操作壓力一定的情況下，應(yīng)通過不斷優(yōu)化，找出最適宜的熱點溫度，以使甲醇合成氣體總轉(zhuǎn)化率達到最大。

3.3 優(yōu)化入塔氣成分

從甲醇合成的化學(xué)方程式來看，合成甲醇的CO和CO2對化學(xué)平衡的推動有很大的影響，CO和CO2不同配比，引起各自的單程轉(zhuǎn)化率有很大差別。這主要是因為催化劑對CO2和CO的催化選擇性不同造成的。一般在低溫下催化劑對CO2反應(yīng)的選擇性要大于對CO的選擇性，所以CO和CO2要有一個科學(xué)的配比，嚴格進行物料衡算。催化劑在不同的使用時期對CO2和CO有不同的配比要求。使用初期，由于催化劑活性較高，應(yīng)盡可能地維持較高的氫碳比，讓CO2多參加反應(yīng)，控制CO的含量，穩(wěn)定熱點溫度。針對這一思路，本公司通過技術(shù)論證和技術(shù)改造，采用入塔合成氣體高氫碳比運行。

另外，從反應(yīng)熱來看，CO合成甲醇放出的反應(yīng)熱高于CO2合成甲醇的反應(yīng)熱。在生產(chǎn)中我們充分認識到移熱才是增產(chǎn)的關(guān)鍵，這有利于維持熱點溫度的穩(wěn)定，延長催化劑的低溫活性。只有在催化劑使用后期，才通過提溫或增加CO的含量來刺激催化劑的高溫活性，以達到維持產(chǎn)量的目的。

甲醇合成氣體中的惰性氣體也是影響入塔合成氣體單程轉(zhuǎn)化率的因素之一。生產(chǎn)中通過弛放部分氣量調(diào)整系統(tǒng)壓力的方法來保證參加反應(yīng)有效氣體的分壓，并把弛放氣送入燃料氣管網(wǎng)作氣體燃料。生產(chǎn)中一般控制循環(huán)氣中惰性氣體體積分數(shù)為18%～22%。

3.4 優(yōu)選催化劑和優(yōu)化運行參數(shù)

催化劑的活性在很大程度上受催化劑本身及催化劑還原操作和還原程度的影響，這種影響一般在還原結(jié)束時就已經(jīng)形成。操作中，應(yīng)盡可能維持穩(wěn)定的氣體成分和熱點溫度，防止熱點溫度變化過大。通過對運行中工藝參數(shù)的分析、計算可以得出合成氣體的轉(zhuǎn)化率，并以此評定催化劑的活性，作為優(yōu)化工藝指標、調(diào)整和考核運行參數(shù)的依據(jù)。本裝置采用的XNC-98型甲醇合成催化劑，具有良好的低溫活性。

3.5 優(yōu)化反應(yīng)空速

反應(yīng)采用較低的空速，反應(yīng)過程中氣體混合物的組分與反應(yīng)平衡較接近，轉(zhuǎn)化率較高，但催化劑的生產(chǎn)強度降低。較小的空速使氣體循環(huán)的動力消耗較低，入塔預(yù)熱器達到入塔氣體預(yù)熱程度所需的換熱面積就??；較大的空速使催化劑的生產(chǎn)強度增加，但增大了預(yù)熱所需的換熱面積，熱能利用率降低，增加了動力消耗，并且由于反應(yīng)后氣體混合物中反應(yīng)產(chǎn)物減少，因換熱效果差，造成反應(yīng)產(chǎn)物難以冷凝、分離。

總之，工藝條件（運行參數(shù)）在很大程度上影響了甲醇合成氣體的轉(zhuǎn)化率，制約了裝置高產(chǎn)、低耗目標的實現(xiàn)。因此，實際生產(chǎn)中，應(yīng)通過分析，計算出甲醇合成氣體在催化劑不同使用時期的單程轉(zhuǎn)化率，找出影響甲醇合成反應(yīng)單程轉(zhuǎn)化率的主要因素，制定相應(yīng)的操作運行條件，在工藝條件許可的情況下優(yōu)化操作，達到高效運行，盡可能提高甲醇合成反應(yīng)的單程轉(zhuǎn)化率，降低循環(huán)氣量，從而實現(xiàn)循環(huán)功的降低。

4 結(jié)語

通過本廠技術(shù)人員的不懈努力與探索，300kt/a甲醇裝置工藝優(yōu)化和技術(shù)改造使其能耗得到了降低，每年節(jié)約標煤7200t，取得了較為明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。隨著科技和裝備的進步，化工廠產(chǎn)生的低品位熱源及余壓如何得到有效利用，值得深入探究。

Energy optimization of a 300kt/a methanol production plant

WANG Hui-sheng
(China Pingmei Shenma Group Lantian Chemical industry Co.,Ltd.,Zhumadian 463000,China)

Energy-saving optimization of a 300 kt/a natural gas-based methanol plant was described,which included the optimization of the steam,waste heat recovery and circulating water systems,the improvement of single pass conversion and the reducement of recycle ratio.

methanol production;energy optimization

TQ223.121

B

1001-9219(2016）02-75-03

2016-02-19；作者簡介：王會升（1981-），工學(xué)學(xué)士，工程師，電話15346393099，電郵kinghs@163.com。