甲醇合成裝置增產(chǎn)擴(kuò)能改造分析與研究

王建軍，常 宣，陳大波，吳詩(shī)勇

（1.煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司，北京100013；2.陜西延長(zhǎng)石油榆林凱越煤化有限責(zé)任公司，陜西 榆林721000；3.杭州牛墨科技有限公司，浙江 杭州321000；4.華東理工大學(xué)，上海200237）

陜西延長(zhǎng)石油榆林凱越煤化有限責(zé)任公司（簡(jiǎn)稱(chēng)榆林凱越）60萬(wàn)t/a煤制甲醇項(xiàng)目于2014年一次試車(chē)成功，產(chǎn)出合格甲醇產(chǎn)品。項(xiàng)目原采用英國(guó)戴維過(guò)程技術(shù)有限公司的水冷+氣冷反應(yīng)器合成工藝，經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)工藝存在以下不足：原料煤制漿系統(tǒng)采用常規(guī)的單棒磨制漿工藝，成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)不到60%，3臺(tái)棒磨機(jī)一直處于全開(kāi)狀態(tài)，無(wú)備機(jī)，設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)影響后續(xù)氣化和合成工序；運(yùn)行中氣冷塔易超溫，影響催化劑使用壽命，增加了生產(chǎn)成本，降低了實(shí)際運(yùn)行時(shí)間。

2019年，榆林凱越針對(duì)煤制甲醇項(xiàng)目中存在的問(wèn)題，進(jìn)行了甲醇合成系統(tǒng)的增產(chǎn)擴(kuò)能改造，新增1臺(tái)水冷反應(yīng)器（含汽包），與原水冷反應(yīng)器并聯(lián)后再與原氣冷反應(yīng)器串聯(lián)，同時(shí)采用分級(jí)研磨制漿技術(shù)對(duì)制漿系統(tǒng)進(jìn)行了提濃改造，現(xiàn)介紹如下。

1 增產(chǎn)擴(kuò)能改造方案

1.1原料煤性質(zhì)

對(duì)原料煤進(jìn)行了多次檢測(cè)分析，其進(jìn)料性質(zhì)穩(wěn)定，基本性質(zhì)見(jiàn)表1。由表1可知，煤的空氣干燥基低位發(fā)熱量平均值為26.21 MJ/kg，灰分為6.08%（控制在8%以下）。

表1 原料煤的基本性質(zhì)

1.2改造方案

1.2.1 煤漿制備單元

采用煤科總院研發(fā)的第二代煤漿提濃工藝對(duì)原有煤漿制備單元進(jìn)行技術(shù)改造：正常工況下煤漿提濃系統(tǒng)分別對(duì)應(yīng)3條棒磨機(jī)生產(chǎn)線，新增1條粗粉線，當(dāng)1臺(tái)棒磨機(jī)檢修或故障時(shí)，另外2臺(tái)棒磨機(jī)和粗粉線與新上細(xì)漿系統(tǒng)混合制備水煤漿，滿足生產(chǎn)需要，從根本上解決棒磨機(jī)無(wú)備機(jī)及后續(xù)生產(chǎn)負(fù)荷波動(dòng)的難題。

正常工況下，3臺(tái)棒磨機(jī)同時(shí)工作，煤漿制備（模式一）工藝流程示意圖見(jiàn)圖1。每臺(tái)棒磨機(jī)投煤量為45.00 t/h，將棒磨機(jī)出料槽中占比約12%～15%的煤漿通過(guò)配漿泵計(jì)量后，與一定比例的水在粗漿槽中混合稀釋至質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%～48%的粗漿。然后由粗漿泵將粗漿計(jì)量后輸送至臥式細(xì)磨機(jī)中磨礦，經(jīng)研磨合格（平均粒徑30 μm）的細(xì)漿帶壓流入細(xì)漿槽。細(xì)漿槽的細(xì)漿通過(guò)細(xì)漿泵按照設(shè)定的比例和流量送入棒磨機(jī)中，通過(guò)逐步減少進(jìn)入棒磨機(jī)的總制漿用水量及粗細(xì)煤漿的合理搭配，使煤漿粒度級(jí)配更合理，從而將煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)由低于60%提高到64%以上。

圖1 3臺(tái)棒磨機(jī)同時(shí)運(yùn)行時(shí)煤漿制備（模式一）工藝流程示意圖

單臺(tái)棒磨機(jī)檢修或故障時(shí)（以棒磨機(jī)C檢修或故障時(shí)為例）的煤漿制備（模式二）工藝流程示意圖見(jiàn)圖2。棒磨機(jī)A線和棒磨機(jī)B線保持原有的生產(chǎn)模式，破碎后的原料煤輸送至棒磨機(jī)A和棒磨機(jī)B，其負(fù)荷由原來(lái)的45.00 t/h提高到51.75 t/h，2臺(tái)棒磨機(jī)的總處理煤量為103.50 t/h。在低壓煤漿槽抽出相當(dāng)于原煤37.82 t/h的煤漿，經(jīng)過(guò)加水稀釋?zhuān)谂P式細(xì)磨機(jī)中研磨成細(xì)漿；其中一半細(xì)漿去棒磨機(jī)A和棒磨機(jī)B進(jìn)口，提高煤漿濃度；另一半細(xì)漿去新建配漿線處配漿攪拌，與粒度符合要求（D95≤1 mm）的粗粉進(jìn)入雙軸攪拌器和高剪切均質(zhì)槽混合攪拌、均質(zhì)和熟化，待煤漿完全混勻后通過(guò)合格漿泵輸送至氣化爐前成品漿槽，作為氣化原料漿備用。兩種工況下3條線共計(jì)投煤量均為135 t/h。

圖2 棒磨機(jī)C檢修時(shí)煤漿制備（模式二）工藝流程示意圖

1.2.2 甲醇合成單元

對(duì)甲醇合成系統(tǒng)進(jìn)行改造：通過(guò)新增1臺(tái)水冷反應(yīng)器（含汽包），與原有水冷反應(yīng)器并聯(lián)后再與原氣冷反應(yīng)器串聯(lián)。改造后的甲醇合成工藝流程示意圖見(jiàn)圖3。經(jīng)合成氣凈化槽凈化后的合成氣（9.4 MPa），與經(jīng)過(guò)冷循環(huán)中間換熱器和熱循環(huán)中間換熱器加熱后的循環(huán)氣混合后，進(jìn)入水冷反應(yīng)器A/B管程，在管內(nèi)銅基催化劑的作用下，發(fā)生甲醇合成反應(yīng)，當(dāng)氣體溫度超過(guò)管外溫度后，反應(yīng)熱被管殼間爐水帶走，并副產(chǎn)2.0 MPa～4.0 MPa蒸汽。出水冷反應(yīng)器A/B的甲醇?xì)?，部分?jīng)熱循環(huán)中間換熱器冷卻后與來(lái)自合成氣凈化槽剩余的體積分?jǐn)?shù)不到20%的原料氣混合，然后從氣冷反應(yīng)器底部進(jìn)入，通過(guò)管程到達(dá)其頂部混合后，通過(guò)殼程的銅基催化劑，在相對(duì)較低的溫度下發(fā)生甲醇合成反應(yīng)，以達(dá)到更高的轉(zhuǎn)化率。

圖3 改造后的甲醇合成工藝流程示意圖

1.3改造后數(shù)據(jù)采集

改造完成后，通過(guò)對(duì)生產(chǎn)裝置的各個(gè)取樣點(diǎn)進(jìn)行技術(shù)監(jiān)測(cè)，對(duì)技改后的工藝運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，以了解裝置改造后的實(shí)際技術(shù)性能。

工藝運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集是在生產(chǎn)系統(tǒng)滿負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行72 h，且在生產(chǎn)系統(tǒng)已經(jīng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行不少于12 h后開(kāi)始，每天8∶00∶00、16∶00∶00和24∶00∶00各采集一次，并盡可能保證在1 h內(nèi)完成，至少采集兩組數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集范圍包括煤漿制備單元、氣化單元和甲醇合成單元。改造前的數(shù)據(jù)是對(duì)近三年來(lái)工藝連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行期間的原始報(bào)表進(jìn)行加權(quán)平均后得出的。

2 改造效果分析與研究

2.1煤漿性能分析

方案優(yōu)化后，分別對(duì)技改前后工況下的煤漿性能進(jìn)行了檢測(cè)，技改前煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為59.50%、黏度為326 mPa·s，技改后煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到64.04%，黏度最高569 mPa·s；煤漿黏度與其濃度相關(guān)，濃度越高，黏度越大。煤漿黏度增加，流動(dòng)性有所降低，但穩(wěn)定性提高。技改后煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高了4.54個(gè)百分點(diǎn)，提濃效果顯著，達(dá)到了技改的目的；黏度雖有所提高，但僅為569 mPa·s，仍屬于低黏度優(yōu)質(zhì)水煤漿，達(dá)到了成品煤漿黏度低于1 200 mPa·s的要求。

2.2煤氣化過(guò)程分析

來(lái)自煤漿制備系統(tǒng)的合格料漿經(jīng)過(guò)攪拌器以保證煤漿處于均一狀態(tài)，而后由高壓煤漿泵送入氣化爐。在氣化爐燃燒室中，煤漿與氧在6.0 MPa、1 200℃～1 350℃的操作條件下主要發(fā)生5種化學(xué)反應(yīng)（見(jiàn)表2），制得粗煤氣。粗煤氣主要由CO、CO2、H2和CH4等組成，技改前后粗煤氣的主要組分及體積分?jǐn)?shù)見(jiàn)表3。

表2 煤氣化過(guò)程中主要化學(xué)反應(yīng)

表3 技改前后粗煤氣的主要組分及體積分?jǐn)?shù)%

由表3可知，技改后由于煤漿濃度的提高，粗煤氣中的CO占比增加，CO2占比降低。煤漿濃度提高后，煤漿中水含量減少，氧氣量幾乎不變，因此，結(jié)合表2中的煤氣化化學(xué)反應(yīng)式可知，CO濃度將增加，CO2濃度將降低，H2濃度將略微增加。與技改前相比，技改后有效氣的體積分?jǐn)?shù)（82.34%）高于技改前（80.22%），有效氣含量的提高可以提高后工段的甲醇產(chǎn)量。

2.3甲醇合成反應(yīng)分析

洗滌后的粗煤氣經(jīng)過(guò)變換工段輸入到甲醇合成單元，經(jīng)過(guò)銅基催化劑的催化，在相對(duì)較低的溫度下進(jìn)行甲醇合成反應(yīng)。技改前后甲醇合成水冷反應(yīng)器A/B進(jìn)、出口氣體中CO的體積分?jǐn)?shù)見(jiàn)表4。

由表4可知，技改前后水冷反應(yīng)器進(jìn)口氣體中CO的濃度較為接近；出口氣體組成中，技改后CO的濃度明顯低于技改前，這表明通過(guò)增加1臺(tái)水冷反應(yīng)器，進(jìn)料氣經(jīng)2臺(tái)水冷反應(yīng)器后反應(yīng)深度增加，CO轉(zhuǎn)化率提高，從而降低了氣冷反應(yīng)器的負(fù)荷，相應(yīng)地提高了整個(gè)甲醇合成系統(tǒng)裝置的處理能力。若甲醇合成系統(tǒng)裝置的處理量不變，則可提高催化劑的使用壽命，延長(zhǎng)裝置的檢修周期。

表4 水冷反應(yīng)器A/B進(jìn)、出口氣體中CO的體積分?jǐn)?shù)%

2.4主要物料和產(chǎn)物分析

技改前后主要物料數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 技改前后主要物料數(shù)據(jù)

由表5可知，技改前有效氣含量及精甲醇產(chǎn)量偏低。技改后，由于煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至64%以上，投煤量由143.06 t/h增加至150.48 t/h，有效氣含量和精甲醇的產(chǎn)量也隨之增加，精甲醇產(chǎn)量比技改前提高了約8.65 t/h，其產(chǎn)量增長(zhǎng)了約9.58%，極大地提升了工藝的產(chǎn)量和規(guī)模。

榆林凱越2017年—2020年的甲醇年產(chǎn)量見(jiàn)圖4。經(jīng)過(guò)生產(chǎn)線的不斷改進(jìn)升級(jí)，甲醇年產(chǎn)量逐年增加，尤其是在制漿單元和合成單元聯(lián)合改進(jìn)后，甲醇年產(chǎn)量由技改前的62.80萬(wàn)t（2019年）增加至技改后的77.80萬(wàn)t（2020年），說(shuō)明技改后甲醇產(chǎn)量有了顯著提高。

圖4 2017年—2020年的甲醇年產(chǎn)量

2.5主要消耗指標(biāo)分析

對(duì)技改前后工藝中的主要消耗指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)匯總，結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可知，技改后由于煤漿濃度的提高，工藝中的主要消耗指標(biāo)如比煤耗、比氧耗、噸甲醇煤耗、氧耗及電耗均較技改前低。

表6 技改前后工藝中的主要消耗指標(biāo)比較

2.6經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)

經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)主要以原煤、氧氣、電、水等的消耗進(jìn)行測(cè)算，各物料單價(jià)分別為：原煤420元/t、氧氣0.183 5元/m3、電0.478 2元/(kWh)、水10.78元/t。經(jīng)過(guò)計(jì)算得到技改前后各項(xiàng)物料的消耗成本及噸甲醇費(fèi)用（成本）：技改前甲醇總成本約1 041.78元/t，其中原煤成本占比較大，約665.28元/t，其次為氧氣費(fèi)用163.32元/t，電費(fèi)137.20元/t和水費(fèi)75.98元/t。技改后，甲醇總成本約1 014.16元/t，較技改前降低了27.62元/t，總體成本減少了約2.65%，主要表現(xiàn)為原煤費(fèi)用明顯降低（-21.42元/t），另外氧氣費(fèi)用也有所降低（-10.83元/t），電費(fèi)、水費(fèi)變化不大。

3 結(jié) 論

3.1技改后由于增加了提濃工藝，煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)有了較大提高，由59.50%提高到64.04%。煤漿濃度的提高對(duì)氣化效果的影響較大，比煤耗和比氧耗有所降低，同時(shí)增加了系統(tǒng)投煤量，為后系統(tǒng)的增產(chǎn)創(chuàng)造了有利條件。

3.2技改后甲醇合成水冷反應(yīng)器A/B出口氣體中CO的濃度明顯低于技改前，這表明通過(guò)增加1臺(tái)水冷反應(yīng)器，進(jìn)料氣經(jīng)2臺(tái)水冷反應(yīng)器A/B后，反應(yīng)深度增加，CO轉(zhuǎn)化率提高，從而降低了氣冷反應(yīng)器的負(fù)荷，相應(yīng)地提高了整個(gè)甲醇合成系統(tǒng)裝置的處理能力，若甲醇合成系統(tǒng)裝置的處理量不變，則可提高催化劑的使用壽命，延長(zhǎng)裝置的檢修周期。

3.3技改前精甲醇產(chǎn)量為90.29 t/h，技改后精甲醇產(chǎn)量提高至98.94 t/h，增長(zhǎng)了約9.58%，2020年精甲醇產(chǎn)量達(dá)到了77.80萬(wàn)t，比技改前的2019年增加約15.00萬(wàn)t。以主要消耗指標(biāo)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)技改后噸甲醇費(fèi)用（成本）降低約2.65%。