天然氣制甲醇裝置優(yōu)化探討

曾凡平，劉會禎，徐華銀，王彥賓（.重慶卡貝樂化工有限責任公司，重慶　400；.重慶化工設計研究院，重慶　400039）

天然氣制甲醇裝置優(yōu)化探討

曾凡平1，劉會禎2，徐華銀1，王彥賓1
（1.重慶卡貝樂化工有限責任公司，重慶401220；2.重慶化工設計研究院，重慶400039）

摘要：簡述了重慶卡貝樂85萬t甲醇裝置工藝流程，從裝置的工藝設計、開停車管理、生產運行操作、檢修四個方面來進行優(yōu)化探討，使裝置達到節(jié)能降耗的目的。

關鍵詞：優(yōu)化；氫碳比；補碳方式；運行操作；檢修

隨著社會經濟的快速發(fā)展，煤、石油、天然氣等能源在人們生活與生產中的地位越來越重要，特別是清潔能源天然氣，在近十多年內價格翻了幾倍，這對于以天然氣為原料的化工企業(yè)來說是一個嚴峻的挑戰(zhàn)，尤其是天然氣制甲醇裝置，80%以上的生產成本為天然氣原料。因此，如何優(yōu)化裝置、節(jié)能降耗、提高產品質量，在甲醇市場上博得一席之地是天然氣制甲醇企業(yè)亟待考慮的事情。以85萬t天然氣制甲醇裝置為例，對裝置工藝流程進行優(yōu)化探討。

1　工藝流程

重慶卡貝樂85萬t甲醇裝置引進英國Davy的工藝技術，采用天然氣前補碳進行蒸汽轉化、低壓銅基催化劑合成甲醇及三塔精餾工藝技術，簡易工藝流程如圖1所示。

圖1　85萬t天然氣前補碳工藝流程簡圖

2　工藝優(yōu)化

2.1合成氣優(yōu)化

2.1.1合成新鮮氣氫碳比控制

甲醇合成新鮮氣組分的氫碳比控制在2.05～2.15有利于甲醇合成反應［1］。

不同新鮮氣氫碳比合成反應及消耗情況如表1所示。

表1　不同新鮮氣氫碳比合成反應及消耗情況

從表1可以看出，新鮮氣量相差不大的情況下，合成新鮮氣氫碳比在2.05～2.15時，新鮮氣轉化率明顯要高，精甲醇產量要大，單位精甲醇天然氣消耗要低。

2.1.2合成CO、CO2含量控制

提高合成入塔氣CO含量有利于甲醇合成，既能增加合成甲醇產量和蒸汽量，也能提高粗醇濃度利于精餾節(jié)省蒸汽量，入塔氣中CO含量一般控制在2%～8%，不超過12%［2］。特別是催化劑初期，CO含量過高易使合成催化劑晶粒變大降低活性，同時也容易發(fā)生副反應生成雜質影響產品質量。適當的CO2含量（1%～8%）有利于穩(wěn)定床層溫度，保護催化劑活性，提高甲醇產量，但是隨著CO2含量繼續(xù)增加，影響H2在催化劑表面的吸附，使CO反應速率下降，從而合成塔出口CO含量也會增加，甲醇產量反而下降［3］。

2.2補碳方式

天然氣制甲醇工藝中CO2補入方式分為蒸汽轉化爐前補入和爐后補入。一般采用爐前補入CO2，不僅能降低轉化氣的氫碳比，還能提高轉化氣中CO含量［4-5］。85萬t甲醇裝置回收轉化爐排放煙氣中的CO2補入轉化爐前，既可以利用廢氣生產甲醇，又可以減少CO2對環(huán)境的污染。而河南中原甲醇廠采取回收煤制甲醇中變換尾氣補入至飽和塔前，進行了爐前補碳，根據CO2供應情況選擇性回收合成弛放尾氣中的有效碳，又進行了爐后補碳，也是一種補碳優(yōu)化方式。

2.3蒸汽水系統(tǒng)合理優(yōu)化利用

蒸汽系統(tǒng)可分為高壓蒸汽（10.0 MPa）、中壓蒸汽（3.0 MPa）、低壓蒸汽（0.45 MPa）三級，高壓蒸汽用于驅動合成氣壓縮機/循環(huán)機透平，中壓蒸汽用于轉化爐入爐工藝蒸汽，驅動天然氣壓縮機，鼓、引風機等各類機泵透平，低壓蒸汽用于精餾、CO2系統(tǒng)的再沸器或者蒸汽加熱器，透平凝液及低壓蒸汽凝液通過凝液泵加壓后又返回至除氧器重復利用，本裝置的高、中、低蒸汽管網疏水是直接現場排放，直接損失部分蒸汽，特別是在冬季既影響工廠面貌又造成消耗增加，可以采取高壓疏水至中壓蒸汽網—中壓疏水至低壓蒸汽網—低壓疏水至凝液系統(tǒng)，然后再回收至除氧器的回收方式，回收過程加強水質數據分析監(jiān)控。各蒸汽管網之間通過減溫減壓器、透平等蒸汽用戶來平衡控制，蒸汽通過透平來做功，而蒸汽減壓閥閥位盡量不開或者開度很小，維持蒸汽管道處熱態(tài)，蒸汽通過減溫減壓器時降低了做功能力從而導致可用能的損失［6］。

3　開停車管理

天然氣制甲醇裝置開停車過程就是裝置從冷態(tài)到生產正常運行和裝置從生產正常運行到停止并冷卻下來，開車過程主要包括開車準備、轉化開車（啟動鼓風機、引風機、天然氣壓縮機三大機組、轉化氮氣循環(huán)升溫、轉化蒸汽升溫、天然氣脫硫升溫、轉化投料、轉化催化劑還原、轉化提負荷等）、合成開車（合成氣壓縮機組開車、合成系統(tǒng)氮氣循環(huán)升溫、合成催化劑還原、合成投料及提負荷等）、精餾開車與系統(tǒng)優(yōu)化，轉化原始開車升溫曲線圖見圖2。裝置除在原始開車及轉化爐大面積重新澆筑的情況下按升溫曲線進行外，其他情況下的開車，一般把轉化150℃恒溫去吸附水時間減少至4～8 h，如果在空氣濕度較低的地區(qū)，去吸附水的時間還可以減少，如青海中浩60萬t甲醇裝置150℃恒溫可以減至2 h左右，而350℃恒溫去結晶水階段可以減至4 h甚至取消，對有些開車步驟可以同步交叉進行，優(yōu)化開車各個環(huán)節(jié)，轉化開車由原來的66 h后投料減少到48 h左右。

圖2　85萬t甲醇裝置轉化爐升溫曲線圖

合成催化劑還原階段優(yōu)化，在2013年原始開車時，裝置合成催化劑還原階段就花了7天多時間，當時約40%轉化負荷運行，轉化氣幾乎全都放空，很少一部分用于催化劑還原，相當于50 000 Nm3/h天然氣放空至火炬燃燒，共約840萬Nm3。2016年1月通過增加雙塔同時還原、催化劑裝填量優(yōu)化及轉化氣回收等一系列技改，2016年2月裝置新裝催化劑還原只花了40 h，還原時轉化負荷優(yōu)化至30%左右運行，回收一部分轉化氣用作轉化爐燃料，替換部分燃料天然氣，相當天然氣放空降至35 000 Nm3/h，共約140萬Nm3，此項節(jié)省開車費用約1 134萬元。

裝置停車過程相當于是開車的逆過程，但停車所需要的時間比開車要短，停車所產生的費用也比開車要低得多，合理組織停車及裝置設備系統(tǒng)保護良好有利于系統(tǒng)再次開車。

4　生產運行操作優(yōu)化

裝置在操作上優(yōu)化主要是核心指標控制，對生產消耗及產品質量影響較大，如蒸汽轉化水碳比指標控制在2.65～2.75，轉化氣氫碳比控制在2.05～2.15，轉化氣中CO含量控制在18%以上，合成惰性氣體（甲烷和氮氣等）含量控制40%以下，精餾回流比控制在2～4等?，F場操作同樣可以優(yōu)化降低成本，減少隱患，如潤滑油操作規(guī)范管理、機泵機組日常操作維護、現場漏點巡檢、安全隱患排查管理等，減少一次事故停車就是最大的效益。

5　檢修優(yōu)化

裝置檢修一般分為檢修項目計劃、計劃審批與材料采購、檢修項目實施、檢修項目驗收四個階段，合理組織安排檢修計劃有利于裝置節(jié)約成本。根據裝置的運行情況及甲醇消費市場狀況來安排檢修時間，有嚴重影響裝置長周期安穩(wěn)運行因素存在時或者甲醇消費市場處在低迷階段時考慮安排檢修，這樣保證裝置盡可能獲得大的利潤。影響本裝置長周期安穩(wěn)運行情況的因素有：裝置重點設備（主要有轉化爐、合成氣壓縮機、天然氣壓縮機、鼓引風機、CO2壓縮機、合成塔等大型設備與機組）運行狀況差、轉化和合成催化劑使用壽命到期、裝置運行中存在的重大安全隱患及意外因素裝置整體跳車等。這些項目的檢修一般檢修計劃時間長，作為重點檢修項目，檢修結果影響裝置安穩(wěn)長滿優(yōu)運行，并且這些項目判斷的準確性有利于降低檢修成本及運行成本［7］。某大型機組在運行時發(fā)現某點振動高報，在檢修期間拆開機組檢修，對軸瓦間隙進行重新找正回裝，但是重新開啟機組后發(fā)現振動沒有得到解決，反而增加了軸瓦溫度出現高報，增加了機組蒸汽消耗，且影響裝置的負荷。

6　結束語

甲醇裝置一般要經歷設計、建設、開停車、生產運行、檢修等主要五個階段，在設計、建設階段主要對裝置的工藝技術方面進行優(yōu)化，也可以在大修中進行技術改造來優(yōu)化工藝。而已建成的裝置主要對開停車、運行操作、檢修三個方面進行優(yōu)化，可以降低噸甲醇消耗或者讓消耗更加接近理論設計消耗值。每一個裝置無論處于什么階段，都有自己的特點，對每個裝置每個階段要進行具體問題具體分析，找到適應各個裝置各個階段優(yōu)化的具體辦法，從而起到節(jié)能降耗的作用。

參考文獻：

［1］張固.甲醇新鮮合成氣氫碳比的優(yōu)化方法探討［J］.化工設計，2004，12（5）：6-10.

［2］趙紹民，王磊，邵立紅.合成氣成分對甲醇合成生產的影響［J］.煤化工，2003（2）：41-44.

［3］石玉千，李濤，應衛(wèi)勇，等.大型甲醇合成反應器工況的數值分析［J］.高?；瘜W工程學報，2006，20（3）：490-492.

［4］張桂林，天然氣混合制氫弛放氣生產甲醇的補碳方法探討［J］.天然氣化工，2009，34（4）：53-55.

［5］徐華銀，劉會禎.CO2對天然氣制甲醇裝置的節(jié)能作用［J］.化工設計，2010，20（1）：23-25.

［6］羅向龍，華賁，張冰劍.石化企業(yè)蒸汽動力系統(tǒng)的多周期運行優(yōu)化［J］.計算機與應用化學，2006，23（1）：41-44.

［7］王燕飛，楊沐華.王皓關于化工裝置年度停車大檢修管理［J］.設備管理與維修，2014（12）：16-17.

中圖分類號：TQ050.5，TQ223.121

文獻標識碼：B

文章編號：1003-3467（2016）04-0035-03

收稿日期：2016-02-21

作者簡介：曾凡平（1981-），男，高級工程師，從事甲醇化工生產與管理工作，電話：13997391121。