甲醛催化劑產(chǎn)能低原因分析及解決方案探討

唐 浩

(瀘天化(集團(tuán))有限責(zé)公司，四川瀘州，646000)

1 TΦPSOE甲醛催化劑運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)

1.1 TΦPSOE甲醛催化劑產(chǎn)能統(tǒng)計(jì)

甲醛催化劑廠家在進(jìn)行催化劑的研發(fā)、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中，都會(huì)考慮一個(gè)非常重要的評(píng)價(jià)催化劑綜合性能的指標(biāo)——催化劑的設(shè)計(jì)產(chǎn)能，即在經(jīng)濟(jì)性前提下，每爐甲醛催化劑能生產(chǎn)出37%甲醛的最大量(噸)。甲醛催化劑產(chǎn)能指標(biāo)，以每kg催化劑生產(chǎn)37%甲醛的量(噸)來(lái)表示。甲醛裝置4爐催化劑都是TΦPSOE公司生產(chǎn)的專利產(chǎn)品，其實(shí)際運(yùn)行情況、催化劑產(chǎn)能情況統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 4爐TΦPSOE甲醛催化劑運(yùn)行產(chǎn)能統(tǒng)計(jì)表

1.2 4 爐甲醛催化劑運(yùn)行最終壓力統(tǒng)計(jì)

從表2可見，4爐甲醛催化劑更換，都是因?yàn)榧兹┭b置系統(tǒng)壓力(即甲醛循環(huán)風(fēng)機(jī)K-101出口壓力)達(dá)到了甲醛循環(huán)風(fēng)機(jī)K-101出口的最大壓力，導(dǎo)致甲醛裝置不能在83%以上負(fù)荷下運(yùn)行，由于甲醛產(chǎn)量不能滿足下游1,4-丁二醇裝置的需求，而被迫更換新的甲醛催化劑。而甲醛裝置系統(tǒng)壓力主要是由第一、二甲醛反應(yīng)器R-101、R-102催化劑床層壓降和系統(tǒng)壓降構(gòu)成。

表2 4爐TΦPSOE甲醛催化劑運(yùn)行最終壓力統(tǒng)計(jì)表

1.3.4 爐甲醛催化劑運(yùn)行期間裝置平均負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

4爐甲醛催化劑運(yùn)行期間裝置平均負(fù)荷統(tǒng)計(jì)情況如表3。

從表3可見，第1爐催化劑平均負(fù)荷約82%、第2爐催化劑平均負(fù)荷約90%、第3爐催化劑平均負(fù)荷約81.5%，第4爐催化劑平均負(fù)荷約76%最低。

表3 4爐甲醛催化劑運(yùn)行期間裝置平均負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表

(表3說(shuō)明：“裝置平均負(fù)荷”=“37%甲醛總量”÷(“運(yùn)行時(shí)間”×30)÷200×100%；“200”是甲醛裝置滿負(fù)荷生產(chǎn)37%甲醛的日產(chǎn)量；“30”是每月按30天計(jì)算。)

據(jù)了解，云天化甲醛裝置使用PERSTORP生產(chǎn)的催化劑，在70-80%負(fù)荷下產(chǎn)能一般都在30 T.AF-37/kg.cat以上、曾經(jīng)最高達(dá)到42 T.AF-37/kg.cat。

2 TΦPSOE甲醛催化劑產(chǎn)能低原因分析

根據(jù)前面對(duì)表1、表2和表3的數(shù)據(jù)分析可得，更換第1爐TΦPSOE甲醛催化劑，不是因?yàn)榇呋瘎┑幕钚杂袉?wèn)題；不是因?yàn)閷?dǎo)熱油壓力提不上去的問(wèn)題；也不是因?yàn)榇矊訜狳c(diǎn)溫度過(guò)高的問(wèn)題，而最重要的原因是因?yàn)榉磻?yīng)器R-101和R-102催化劑床層壓降增加了27.68kPa，使K-101的能力不夠(出口壓力和打量)，導(dǎo)致甲醛裝置只能在83%以下負(fù)荷運(yùn)行；K-101出口壓力最高達(dá)到78 kPa，已經(jīng)超過(guò)了K-101允許的最高出口壓力76kPa，出口空氣量調(diào)節(jié)閥已全開，不可能再增加空氣量，意味著裝置不能增加生產(chǎn)負(fù)荷。第2、第3、第4爐TΦPSOE甲醛催化劑的更換原因與第1爐一致。

據(jù)了解，云天化甲醛裝置單臺(tái)反應(yīng)器在末期的壓降就達(dá)到20kPa。按這樣推算，TΦPSOE甲醛裝置兩臺(tái)串聯(lián)反應(yīng)器R-101、R-102催化劑的壓降之和最大可以允許達(dá)到40kPa；如果K-101能力夠的話(在空氣量不變的情況下、出口壓力提到100kPa)，按兩臺(tái)串聯(lián)反應(yīng)器平均每月增加1.73kPa壓降計(jì)算(這是根據(jù)4爐催化劑運(yùn)行數(shù)據(jù)總結(jié)出來(lái)的)，催化劑還能運(yùn)行7個(gè)月。

可是TΦPSOE專利技術(shù)甲醛循環(huán)風(fēng)機(jī)K-101數(shù)據(jù)表為：出口正常壓力56kPa、最低壓力49kPa、最高壓力76kPa；也就是說(shuō)，K-101只能承受27kPa的系統(tǒng)阻力降增加。如果一旦K-101出口的系統(tǒng)壓力PI0101≥76kPa，就難以在高負(fù)荷下繼續(xù)運(yùn)行，只能降負(fù)荷生產(chǎn)。

可見導(dǎo)致TΦPSOE甲醛催化劑產(chǎn)能較低的主要原因是：TΦPSOE公司對(duì)K-101設(shè)計(jì)選型出現(xiàn)了較大問(wèn)題；如果按云天化PERSTORP甲醛裝置設(shè)計(jì)思路考慮(單臺(tái)反應(yīng)器催化劑的壓降最大可達(dá)到20kPa)，K-101出口最高壓力應(yīng)至少為(56+20×2=)96kPa；也就是說(shuō)，K-101出口壓力至少偏低(96-76=)20kPa。

3 TΦPSOE甲醛催化劑產(chǎn)能低解決方案探討

根據(jù)前面的分析可知，TΦPSOE甲醛催化劑產(chǎn)能低的主要原因是：TΦPSOE專利技術(shù)公司在甲醛循環(huán)風(fēng)機(jī)K-101設(shè)計(jì)選型出了問(wèn)題，沒(méi)有考充分慮兩臺(tái)串聯(lián)反應(yīng)器甲醛裝置在甲醛催化劑末期最大壓降的疊加關(guān)系，導(dǎo)致在催化劑運(yùn)行末期K-101不能提供足夠高的壓力來(lái)維持裝置繼續(xù)運(yùn)行。

從達(dá)到降低電耗、又能充分徹底利用催化劑的產(chǎn)能，最終實(shí)現(xiàn)甲醛催化劑的最大生產(chǎn)能力、降低生產(chǎn)成本考慮，需要對(duì)甲醛循環(huán)風(fēng)機(jī)K-101進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)和升級(jí)改造，讓K-101出口最大壓力在現(xiàn)有基礎(chǔ)上提高約30kPa即達(dá)到100kPa，就可延長(zhǎng)甲醛催化劑使用壽命6-7個(gè)月，相當(dāng)于在現(xiàn)有使用壽命基礎(chǔ)上增加約50%，即每爐催化劑總運(yùn)行時(shí)間是現(xiàn)在的1.5倍；屆時(shí)甲醛催化劑的產(chǎn)能就可接近和達(dá)到設(shè)計(jì)值26.8T.AF-37/kg.催化劑(17.68×1.5=26.52)。

為了解決甲醛催化劑產(chǎn)能的問(wèn)題，必須延長(zhǎng)催化劑的使用壽命，需要將K-101出口壓力提高到100kPa。經(jīng)過(guò)多方面分析和研究后，提出提高甲醛循環(huán)風(fēng)機(jī)K-101出口壓力的三種技改方案。

3.1 在K-101后串聯(lián)一臺(tái)增壓風(fēng)機(jī)K-102

方案一的思路：在甲醛循環(huán)風(fēng)機(jī)K-101后、調(diào)節(jié)閥FV0102前串聯(lián)一臺(tái)380V(或6000V)的增壓離心風(fēng)機(jī)K-102，技改示意圖見圖1(紅色、虛線條部分)。目的是將K-101出口壓力升高20-30kPa，即K-102進(jìn)口壓力為70kPa、出口壓力達(dá)到100kPa、確保氣體打量不變(16000Nm3/h)。

K-102平時(shí)一般不用，只有在催化劑使用的中、后期，反應(yīng)器催化劑床層阻力降較高、系統(tǒng)壓力達(dá)到75kPa左右時(shí)才啟用。

圖1 在K-101后串聯(lián)一個(gè)增壓風(fēng)機(jī)K-102

這種技改方案是最簡(jiǎn)單和最經(jīng)濟(jì)的，K-102施工安裝過(guò)程和進(jìn)出口管道預(yù)制工作，對(duì)現(xiàn)有甲醛裝置正常運(yùn)行沒(méi)有影響，只有在碰管時(shí)才需要短期停車約5天配合。

3.2 將K-101改為變頻控制并改造葉輪

方案二的思路：利用現(xiàn)有的甲醛風(fēng)機(jī)K-101，通過(guò)將電機(jī)改為變頻控制以降低電耗，把風(fēng)機(jī)出口壓力提到100kPa；由于風(fēng)機(jī)出口壓力提高，需要同時(shí)對(duì)甲醛循環(huán)風(fēng)機(jī)的葉輪進(jìn)行改造。

這種方案需要改動(dòng)的地方很多，電機(jī)的基座需要重做，高壓電纜線需要重新鋪設(shè)，需要把葉輪運(yùn)回風(fēng)機(jī)廠家Continental公司進(jìn)行改造，廠家最快能在2周之內(nèi)加工生產(chǎn)這些葉輪，但所有改造工作必須在甲醛裝置停車期間進(jìn)行，停車時(shí)間約30天左右。

3.3 把K-101重新整體更換一臺(tái)大風(fēng)機(jī)

方案三的思路：把現(xiàn)在的循環(huán)風(fēng)機(jī)K-101整體更換為一個(gè)更大、出口壓力更高的循環(huán)風(fēng)機(jī)；在確保打量為16000Nm3/h的前提下，把風(fēng)機(jī)出口壓力提到100kPa；這種大型離心式風(fēng)機(jī)，從節(jié)能考慮，必須采用變頻電機(jī)控制。

但這種方案需要改動(dòng)的地方很多，風(fēng)機(jī)和電機(jī)的土建基礎(chǔ)需要重做，高壓電纜線需要重新鋪設(shè)，進(jìn)出口管道需要做相應(yīng)處理；所有改造工作必須在甲醛裝置停車期間進(jìn)行，停車時(shí)間約30天左右。

4 提高甲醛循環(huán)風(fēng)機(jī)出口壓力方案評(píng)估

4.1 對(duì)三種解決方案進(jìn)行費(fèi)用測(cè)算

4.1.1 方案一費(fèi)用測(cè)算

假設(shè)在催化劑末期，每生產(chǎn)1噸37wt%的甲醛，運(yùn)行K-102所多耗費(fèi)的電力占K-101的1/4，即60.5×1/4=15kWh，則在83%負(fù)荷多運(yùn)行6個(gè)月多消耗的電力費(fèi)用為：

15kWh/T×200T/日×83%×30日/月×6月×0.68元/ kWh ÷10000=30.5萬(wàn)元。

估計(jì)設(shè)備改造一次性投入費(fèi)用約85萬(wàn)元人民幣。

4.1.2 方案二費(fèi)用測(cè)算

假設(shè)在催化劑末期，每生產(chǎn)1噸37wt%的甲醛，K-101進(jìn)行變頻控制所多耗費(fèi)的電力占1/6，即60.5×1/6=10kWh，則在83%負(fù)荷多運(yùn)行6個(gè)月多消耗的電力費(fèi)用為：

10kWh/T×200T/日×83%×30日/月×6月×0.68元/ kWh÷10000=20.3萬(wàn)元。

估計(jì)設(shè)備改造一次性投入費(fèi)用約200萬(wàn)元人民幣。

4.1.3 方案三費(fèi)用測(cè)算

假設(shè)在催化劑末期，每生產(chǎn)1噸37wt%的甲醛，K-101進(jìn)行變頻控制所多耗費(fèi)的電力占1/6，即60.5×1/6=10kWh，則在83%負(fù)荷多運(yùn)行6個(gè)月多消耗的電力費(fèi)用為：

10kWh/T×200T/日×83%×30日/月×6月×0.68元/ kWh÷10000=20.3萬(wàn)元。

估計(jì)設(shè)備改造一次性投入費(fèi)用約300萬(wàn)元人民幣。

4.2 對(duì)三種解決方案進(jìn)行綜合評(píng)估

TΦPSOE提供的R-101和R-102催化劑，總費(fèi)用為約260萬(wàn)元人民幣。根據(jù)前面的統(tǒng)計(jì)和分析可知，目前裝置使用TΦPSOE催化劑的產(chǎn)能接近70%，也就是說(shuō)還有30%的產(chǎn)能沒(méi)有發(fā)揮出來(lái)，被浪費(fèi)了。僅從這一點(diǎn)而言，每爐催化劑成本損失的費(fèi)用為：260×30%=78萬(wàn)元。

三種解決方案具體比較內(nèi)容匯總見表4。

從表4比較結(jié)果可得：第一種方案：使用2.3爐催化劑即可全部收回成本，是最經(jīng)濟(jì)的；需要停車約5天配合改造，可利用短期停車機(jī)會(huì)進(jìn)行；第二種方案：使用6.5爐催化劑可全部收回成本，經(jīng)濟(jì)性差一些；由于要把葉輪送回廠家改造，需要停車約30天配合改造，這種停車機(jī)會(huì)幾乎不存在；

表4 提高甲醛循環(huán)風(fēng)機(jī)出口壓力三種方案綜合比較

第三種方案：使用17.0爐催化劑才能全部收回成本，經(jīng)濟(jì)性最差；需要停車約30天配合改造，這種停車機(jī)會(huì)幾乎不存在。

因此，三種方案綜合評(píng)估的優(yōu)先排序是：首先是方案一，其次是方案二，最后是方案三。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)甲醛催化劑產(chǎn)能低的原因進(jìn)行全面分析，篩選出主要影響因素，提出了提高甲醛循環(huán)風(fēng)機(jī)K-101出口壓力的解決方案；在對(duì)三種解決方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)進(jìn)行綜合評(píng)估的基礎(chǔ)上，確定“在甲醛循環(huán)風(fēng)機(jī)K-101后串聯(lián)一臺(tái)增壓離心風(fēng)機(jī)K-102”的技改方案是最優(yōu)方案，可以作為公司下一步對(duì)提高甲醛催化劑產(chǎn)能的優(yōu)先選擇方案。