甲醇裝置高負(fù)荷運(yùn)行瓶頸探究

崔曉宇(榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西榆林719000)

0 引言

甲醇裝置是煤制烯烴項(xiàng)目主要的工藝生產(chǎn)裝置之一，生產(chǎn)的MTO級甲醇可作為下游烯烴裝置的原料。本文以某國內(nèi)大型煤化工甲醇裝置為例進(jìn)行介紹，該裝置采用英國Davy 公司的大規(guī)模甲醇合成工藝技術(shù)，生產(chǎn)能力為180 萬噸/年，5500 噸/天(按100%負(fù)荷甲醇計(jì))，此外還設(shè)有氫回收單元，其中包括兩套膜分離單元，一套PSA 單元。目前高負(fù)荷生產(chǎn)過程中，存在催化劑床層溫度高、甲醇水冷器冷卻效果差、合成氣壓縮機(jī)GV 閥開度大、馳放氣氣量增大的問題，如何解決制約高負(fù)荷生產(chǎn)的瓶頸成為穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。

1 甲醇裝置高負(fù)荷運(yùn)行中存在的問題

甲醇裝置設(shè)計(jì)滿負(fù)荷為51萬Nm3/h 氣量，目前平均負(fù)荷為56～57萬Nm3/h，加上氫回收返氫量后進(jìn)入合成氣壓縮機(jī)的氣量可達(dá)到57～58萬Nm3/h，負(fù)荷達(dá)到117%，高負(fù)荷運(yùn)行過程中主要存在以下問題：

1.1 催化劑床層溫度高

隨著負(fù)荷的提升，合成塔催化劑上部和底部床層溫度開始上升，個別床層中間部分的溫度點(diǎn)偶爾升高至報警值，若繼續(xù)加負(fù)荷可導(dǎo)致床層溫度高聯(lián)鎖跳車。

原因分析：裝置提負(fù)荷的過程中，合成氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速也需要適當(dāng)提高，但是因?yàn)橄到y(tǒng)循環(huán)氣量大，合成氣壓縮機(jī)已達(dá)到最大處理能力，壓縮機(jī)GV 閥已開至95%，若GV 閥持續(xù)維持在較大開度，容易造成機(jī)組軸振動、軸位移波動，導(dǎo)致機(jī)組聯(lián)鎖跳車。為了保證機(jī)組的正常運(yùn)行，只能通過降低轉(zhuǎn)速或者降負(fù)荷方法使得GV 閥開度變小，降低轉(zhuǎn)速的同時合成塔空速降低合成系統(tǒng)床層溫度升高。

1.2 甲醇水冷卻器后溫度高

甲醇水冷卻器使氣體甲醇冷凝成甲醇液體，同時降低未反應(yīng)的氣體溫度返回壓縮機(jī)循環(huán)使用。隨著季節(jié)環(huán)境溫度的上升，在高負(fù)荷運(yùn)行下，水冷卻器換熱效果變差，甲醇?xì)怏w不能有效冷卻，甲醇?xì)怏w直接帶入循環(huán)氣壓縮機(jī)及合成塔影響甲醇反應(yīng)的進(jìn)行。

原因分析：甲醇裝置合成塔出口氣體經(jīng)過空冷器和水冷器后進(jìn)入粗甲醇分離器的溫度高達(dá)60℃(設(shè)計(jì)要求是45℃)，導(dǎo)致粗甲醇分離效果不好，致使壓縮機(jī)負(fù)荷增加、合成塔的單程轉(zhuǎn)換率下降，入塔氣中的甲醇含量較高，不利于甲醇反應(yīng)的進(jìn)行，同時易生成副產(chǎn)物二甲醚、高級醇。因此，現(xiàn)有裝置運(yùn)行時，空冷器和水冷器的冷卻能力就已經(jīng)不足；如果將負(fù)荷繼續(xù)提高至120%，空冷器和水冷器的能力是主要的限制因素之一。

1.3 前工段組分變化

新鮮氣的組分一般是由前工段(變換、凈化)來控制調(diào)節(jié)的，但高負(fù)荷運(yùn)行條件下，氣化爐CO稍有波動，變換、凈化裝置調(diào)節(jié)不及時，造成到合成裝置的CO、CO2組分波動較大，合成裝置操作彈性較小，極易導(dǎo)致合成工況波動，直接影響甲醇產(chǎn)量。

原因分析：目前，氣化裝置6臺氣化爐運(yùn)行、1臺備用、1臺檢修，由于煤質(zhì)變化氣化爐產(chǎn)生的有效氣及惰氣都影響甲醇合成生產(chǎn)。

(1)惰氣增加對合成系統(tǒng)的影響。入塔氣中氫氣、CO有效氣分壓降低，反應(yīng)速率隨之降低，系統(tǒng)壓力升高，弛放氣量增大，壓縮機(jī)載荷過高。

(2)CO、CO2增加對合成系統(tǒng)的影響。CO上漲合成反應(yīng)劇烈，催化劑床層溫度升高，CO2上漲系統(tǒng)壓力下降，系統(tǒng)CO、CO2累積嚴(yán)重。

1.4 馳放氣氣量增大

當(dāng)合成氣催化劑活性進(jìn)入中后期，甲醇合成反應(yīng)變差，工藝上只能通過適當(dāng)提高入口溫度或汽包壓力改善反應(yīng)，如果氣化工段煤質(zhì)稍有變化，有效氣組分波動以及變換、低甲調(diào)整不及時，極易造成合成裝置反應(yīng)壓力升高。裝置不得不通過增大馳放氣氣量或者現(xiàn)場放空至火炬，造成合成氣中有效組分的浪費(fèi)。

2 甲醇合成提負(fù)荷措施

2.1 合成氣壓縮機(jī)技改

甲醇新鮮氣量在57萬Nm3/h(加新增膜分離返氫)時，透平的調(diào)速氣閥開度已經(jīng)達(dá)到了98%，轉(zhuǎn)速5300rpm，消耗蒸汽量也達(dá)到了108t/h(設(shè)計(jì)最大為111.9t/h)，透平基本沒有余量。負(fù)荷介于現(xiàn)有壓縮機(jī)的最大可調(diào)轉(zhuǎn)速是5401rpm，如果繼續(xù)提負(fù)荷至60萬Nm3/h 新鮮氣量，勢必要提高壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，若長時間保持壓縮機(jī)在5401rpm 運(yùn)行，甲醇裝置運(yùn)行完全沒有彈性，不利于裝置長期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

(1)提高4.1MPa 蒸汽壓力。目前合成氣壓縮機(jī)4.1MPa 蒸汽壓力維持在3.80～3.95MPa，通過提高蒸汽壓力可以有效降低壓縮機(jī)調(diào)速閥開度。蒸汽壓力調(diào)節(jié)需要與熱電、凈化聯(lián)系，壓力過高會造成凈化減溫減壓站4.1MPa 蒸汽安全閥起跳，因此提高壓力也要適度。另一方面，利用大檢修機(jī)會，更換減溫減壓站安全閥等級，保證蒸汽壓力。

(2)增加一臺壓縮機(jī)。裝置合成氣57萬Nm3/h 負(fù)荷下，循環(huán)氣壓縮機(jī)的流量達(dá)到820000kg/h，如果負(fù)荷提至60萬Nm3/h，循環(huán)氣壓縮機(jī)的流量達(dá)到850000kg/h。增加一臺壓縮機(jī)將會有效地降低原壓縮機(jī)負(fù)荷，保證壓縮機(jī)在額定工況下運(yùn)行，有利于壓縮機(jī)的安全、平穩(wěn)運(yùn)行。經(jīng)過改造可以增大循環(huán)氣量，能有效降低催化劑床層溫度，有利于保護(hù)催化劑，同時提高成品甲醇的純度。最終實(shí)現(xiàn)提高裝置負(fù)荷率，甲醇裝置的新鮮氣處理量可提高至60萬Nm3/h，加上氫回收返氫量后進(jìn)入合成氣壓縮機(jī)的氣量可達(dá)到62.5萬Nm3/h。

2.2 空冷器、水冷器技改

(1)增加空冷器數(shù)量。在現(xiàn)有28個空冷器的基礎(chǔ)上，1#、2#空冷器再增加2～4組，實(shí)際操作中1個空冷器降溫2℃，如果1#、2#各增加4臺，空冷后溫度能在原有基礎(chǔ)上下降8℃。

(2)并聯(lián)甲醇水冷器。1#、2#各并聯(lián)一臺水冷器，可以隨時切換水冷器，實(shí)現(xiàn)在線除蠟。

2.3 增加一套膜分離

原有膜分離處理馳放氣能力為23000Nm3/h，當(dāng)裝置負(fù)荷較高時及催化劑進(jìn)入末期馳放氣氣量勢必增加，增加一套膜分離采用并聯(lián)模式，運(yùn)行中可以緩解一套膜分離的處理量，有效回收反應(yīng)氣中的氫氣。

3 結(jié)語

針對甲醇合成裝置高負(fù)荷運(yùn)行瓶頸問題，從甲醇合成裝置生產(chǎn)運(yùn)行工藝方面進(jìn)行分析研究，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：(1)合成裝置催化劑處于初期階段，活性較好，提負(fù)荷的主要影響因素是壓縮機(jī)循環(huán)量和水冷器溫度。增加空冷器和水冷器以保證循環(huán)氣體能夠被充分冷卻，在甲醇分離器內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)有效充分地分離，保證甲醇產(chǎn)量的穩(wěn)定。(2)高負(fù)荷運(yùn)行條件下，合成氣壓縮機(jī)GV 閥開度較大，造成機(jī)組軸振動、軸位移波動，新增一臺壓縮機(jī)降低原有壓縮機(jī)負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)高負(fù)荷運(yùn)行工況。(3)甲醇合成生產(chǎn)大型化是未來甲醇行業(yè)的發(fā)展方向，新型合成反應(yīng)器和高效合成催化劑是研究的重點(diǎn)。目前國內(nèi)外企業(yè)都在研究新型合成反應(yīng)器，通過改進(jìn)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，降低塔壓差、能耗，提高換熱效果。(4)不斷研發(fā)新型催化劑，以加強(qiáng)催化劑的活性、選擇性、耐熱性以及穩(wěn)定性。進(jìn)而推動甲醇工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。