煤制甲醇生產(chǎn)線轉(zhuǎn)合成氨生產(chǎn)線改造方案及工藝路線研究

王江濤，曹真真，孟 雪

（河南心連心化學(xué)工業(yè)集團股份有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453700）

0 引 言

在現(xiàn)代煤化工項目中，以氣流床加壓氣化工藝等為龍頭的甲醇裝置建成投產(chǎn)后，由于裝置自身工藝技術(shù)相對先進，通常而言通過技術(shù)改造實現(xiàn)裝置盈利能力提升的潛力較小。甲醇作為基礎(chǔ)化工原料產(chǎn)品，甲醇裝置的盈利能力主要受甲醇產(chǎn)品市場價格的影響，而近年來甲醇與液氨的市場差價大致在1 500～1 800元／t，使得甲醇裝置的盈利能力遠低于同等規(guī)模的合成氨裝置。鑒于甲醇合成系統(tǒng)與氨合成系統(tǒng)的上游系統(tǒng)有較多相同的工藝配置，如空分、氣化、變換、低溫甲醇洗等，通過對甲醇裝置模塊進行補充改造，實現(xiàn)甲醇生產(chǎn)線（簡稱醇線）與合成氨生產(chǎn)線（簡稱氨線）的互相切換，構(gòu)建“一頭兩尾”的柔性生產(chǎn)模式，則可明顯提升甲醇企業(yè)抵御市場風(fēng)險的能力。以下以某600 kt／a煤制甲醇裝置為例，對甲醇生產(chǎn)線轉(zhuǎn)合成氨生產(chǎn)線的改造方案及工藝路線進行研究。

1 醇線轉(zhuǎn)氨線的整體工藝改造方案

該600 kt／a甲醇裝置配套1套80 000 m3／h空分裝置，氣化系統(tǒng)配置1 500 t／d水煤漿氣化爐3臺（兩開一備），所用原料煤為神華煤+陜西煤復(fù)配，可產(chǎn)有效氣約185 000 m3／h；變換系統(tǒng)采用配氣流程，低溫甲醇洗系統(tǒng)設(shè)置變換氣洗滌塔和未變換氣洗滌塔，凈化氣經(jīng)換熱器復(fù)熱后進入甲醇合成系統(tǒng)。

為提升企業(yè)抵御市場風(fēng)險的能力，結(jié)合所在園區(qū)現(xiàn)有工藝裝置情況——有1套閑置的醇氨聯(lián)產(chǎn)國產(chǎn)化合成氨裝置，經(jīng)技術(shù)可行性分析，計劃利用該600 kt／a甲醇裝置氣化系統(tǒng)所產(chǎn)粗合成氣進行甲醇生產(chǎn)線轉(zhuǎn)合成氨生產(chǎn)線的工藝改造，其主要內(nèi)容包括：空分裝置新增中壓氮氣系統(tǒng)，變換系統(tǒng)新增一段變換線，低溫甲醇洗系統(tǒng)2個主洗滌塔［變換氣洗滌塔（T01）和未變換氣洗滌塔（T08）］塔盤改造并增設(shè)副塔、CO2解吸系統(tǒng)改造、CO2解吸輔助塔塔盤改造［1］。具體而言，主要對原600 kt／a甲醇裝置變換系統(tǒng)和低溫甲醇洗系統(tǒng)進行配氣改造——提高變換線變換氣量占比至70%，將全變換線變換氣用于氨合成系統(tǒng)，將未變換氣與部分變換氣配氣用于甲醇合成系統(tǒng)，即將600 kt／a甲醇裝置約2／3的合成氣用于生產(chǎn)合成氨，實現(xiàn)轉(zhuǎn)產(chǎn)400 kt／a合成氨+230 kt／a甲醇。

2 整體改造工藝路線分析

600 kt／a甲醇裝置之醇線轉(zhuǎn)氨線改造，從系統(tǒng)整體物料平衡來說，甲醇合成生產(chǎn)線與氨合成生產(chǎn)線的主要區(qū)別在于變換系統(tǒng)和氣體凈化系統(tǒng)：甲醇合成生產(chǎn)線需將約1／2的粗合成氣變換，其低溫甲醇洗系統(tǒng)分別設(shè)置變換氣洗滌單元和未變換氣洗滌單元，未變換氣與部分變換氣配氣經(jīng)低溫甲醇洗系統(tǒng)凈化后作為甲醇合成系統(tǒng)的原料氣；氨合成生產(chǎn)線則需將粗合成氣全部變換，單獨設(shè)置變換氣的低溫甲醇洗系統(tǒng)，將全變換線變換氣經(jīng)凈化后作為氨合成系統(tǒng)的原料氣。因此，要實現(xiàn)600 kt／a甲醇裝置約2／3的粗合成氣用于生產(chǎn)合成氨，需對其未變換線進行改造，即新增變換爐，提高粗合成氣變換的比例，同時對低溫甲醇洗系統(tǒng)進行擴產(chǎn)改造。改造前甲醇裝置工藝流程示意圖見圖1，改造后主生產(chǎn)系統(tǒng)工藝流程示意圖見圖2。

圖1 改造前甲醇裝置工藝流程示意圖

圖2 改造后主生產(chǎn)系統(tǒng)工藝流程示意圖

改造的主要內(nèi)容是變換系統(tǒng)新增一段絕熱變換爐，用來將粗合成氣變換的比例由改造前的約50%提高至改造后的約70%，變換氣配部分未變換氣作為甲醇合成系統(tǒng)的原料氣使用；全變換生產(chǎn)線的變換氣，經(jīng)低溫甲醇洗系統(tǒng)脫除CO2和H2S后作為氨合成系統(tǒng)的原料氣，氨合成原料氣配氮在醇氨聯(lián)產(chǎn)合成氨裝置中實現(xiàn)，即在合成氨裝置高壓機部分利用空分裝置生產(chǎn)的氮氣進行配氮。改造后氨合成系統(tǒng)工藝流程示意圖見圖3。

圖3 改造后氨合成系統(tǒng)工藝流程示意圖

3 醇線轉(zhuǎn)氨線改造的具體內(nèi)容

3.1 空分裝置氮氣系統(tǒng)的改造

由于600 kt／a甲醇裝置配套空分裝置未設(shè)計中壓氮氣系統(tǒng)，故醇線轉(zhuǎn)氨線改造需新增中壓氮氣系統(tǒng)，以達到氨合成系統(tǒng)所需的合成氣氫氮比為3∶1［2］。整體排查園區(qū)氮氣來源后，決定通過“空分裝置低壓氮氣+部分污氮氣除氧改造”獲取中壓氮氣，中壓氮氣經(jīng)壓縮機加壓后供氨合成系統(tǒng)使用。其中，污氮氣的除氧原理為，在鈀催化劑的作用下，污氮氣中的O2和H2反應(yīng)生成H2O，從而將污氮氣中的O2含量脫至5×10-6以下。

3.2 變換系統(tǒng)的改造

變換系統(tǒng)改造需新增的設(shè)備包括原料氣預(yù)熱器、中壓蒸汽過熱器、中壓蒸汽發(fā)生器等，整個系統(tǒng)串聯(lián)在原未變換線內(nèi)，通過合成氣調(diào)節(jié)閥控制變換氣與未變換氣的配比［3］。改造后變換系統(tǒng)工藝流程示意圖見圖4（云線內(nèi)為新增設(shè)備）。

圖4 改造后變換系統(tǒng)工藝流程示意圖

醇線轉(zhuǎn)氨線的工藝改造，實質(zhì)上是對原未變換線設(shè)備的改造，新增變換爐的目的是提高變換氣的占比，考慮新增變換爐產(chǎn)出的變換氣要與未變換氣配比作為甲醇合成的原料氣，故不需要選擇深度變換，配套一段絕熱淺變換［4］即可；絕熱變換爐按爐型可分為軸向爐和徑向爐，因徑向變換爐需配套催化劑內(nèi)件，內(nèi)件需要進口，整體供貨周期較長，故本改造擬選擇普通軸向變換爐。

新增軸向變換爐爐壁材料選擇國產(chǎn)14Cr1MoR+316L復(fù)合板。考慮變換催化劑的使用周期，變換爐設(shè)計氣量取實際氣量的120%，據(jù)變換爐的設(shè)計氣量及設(shè)計參數(shù)等（見表1），取COS轉(zhuǎn)化率＞90%、HCN轉(zhuǎn)化率＞99%，核算得變換爐內(nèi)需裝填LYB-H型變換催化劑38 m3，進而確定新增變換爐的尺寸為φ3 400 mm。

表1 新增變換爐有關(guān)設(shè)計參數(shù)

3.3 低溫甲醇洗系統(tǒng)的改造

要實現(xiàn)600 kt／a甲醇裝置轉(zhuǎn)產(chǎn)400 kt／a合成氨+230 kt／a甲醇，經(jīng)過對變換氣洗滌塔（T01）和未變換氣洗滌塔（T08）的物料進行核算，得知改造后進低溫甲醇洗系統(tǒng)的變換氣和未變換氣的組分、流量均發(fā)生了變化，具體見表2?？梢钥闯觯焊脑旌骉01的進氣量增加約22 000 m3／h，T01負(fù)荷提升約14%；改造后T08進氣量變化不是太大，但T08進口未變換氣的組分變化較大——未變換氣中的CO2含量由16.2%增至34.4%，T08的脫碳負(fù)荷明顯上升。

表2 改造前后低溫甲醇洗系統(tǒng)進口工藝氣組分的對比

伴隨著低溫甲醇洗系統(tǒng)處理負(fù)荷的增大——進氣負(fù)荷平均增加約20%，系統(tǒng)液相負(fù)荷、再生負(fù)荷也需相應(yīng)提升［5］，經(jīng)計算，需將液相負(fù)荷提升約10%，由于液相系統(tǒng)的設(shè)備余量均已耗盡，欲將進氣負(fù)荷增加約20%的工藝氣洗滌至指標(biāo)合格，只有將循環(huán)甲醇的溫度降低，以提高單位貧液的吸收率。據(jù)此，確定低溫甲醇洗系統(tǒng)擴能改造方案具體如下。

（1）變換氣洗滌塔（T01）新增1座副塔（T10），T10設(shè)置約30層塔盤的洗滌段，與T01塔出氣串聯(lián)；未變換氣洗滌塔（T08）新增1座副塔（T11），T11設(shè)置脫碳洗滌段，與T08塔出氣串聯(lián)；同時，為保證系統(tǒng)的冷量平衡，增加2臺繞管式換熱器、1臺氨冷器以及2臺半貧液增壓泵（T08段間甲醇液泵），2臺半貧液增壓泵作為T10洗滌段的噴淋泵。改造后低溫甲醇洗系統(tǒng)冷量消耗會增加約20%。

（2）為保證低溫甲醇洗系統(tǒng)的CO2解吸徹底，CO2解吸塔（T02）新增1座副塔——CO2輔助解吸塔（T12）。T12分為A、B兩段，A段的作用與T02的A段作用相同，增加T12的目的，一是將T02的閃蒸氣量移出一部分以減輕T02的負(fù)荷，二是增加T12的B段液位高度以保證液相至H2S濃縮塔（T03）的輸送［6］。

低溫甲醇洗系統(tǒng)主流程改造后，利用Aspen軟件對原有各塔塔盤能力進行核算。經(jīng)核算，變換氣洗滌塔（T01）C段和D段由于氣速增大，液泛率較高，故需對T01的塔盤進行更換；由于進入尾氣水洗塔（T06）的尾氣甲醇含量增大，需增大氣液接觸面積，T06的塔盤需進行更換；熱再生塔（T04）、甲醇水分離塔（T05）、氮氣氣提塔（T07）、未變換氣洗滌塔（T08）由于原始設(shè)計塔盤就有20%的余量，其能力可滿足改造后的生產(chǎn)所需，故無需更換塔盤。

3.4 甲醇裝置與醇氨聯(lián)產(chǎn)合成氨裝置的對接

醇氨聯(lián)產(chǎn)國產(chǎn)化合成氨裝置，聯(lián)產(chǎn)的目的為將甲醇合成作為氨合成的凈化工序，利用低壓聯(lián)醇和高壓聯(lián)醇分別去除合成氣中的CO和CO2，與現(xiàn)有以低溫甲醇洗、液氮洗為凈化單元的氨合成工藝對比，主要區(qū)別是凈化氣組分的差異；將以低溫甲醇洗、液氮洗為凈化單元的合成氣與醇氨聯(lián)產(chǎn)國產(chǎn)化合成氨裝置相結(jié)合，整體工藝敘述為，從低溫甲醇洗工段復(fù)熱后的H2，與來自空分裝置除氧加壓后的氮氣在高壓段壓縮機進口處混合，緩沖后送入烴化系統(tǒng)和氨合成塔。

4 醇氨聯(lián)產(chǎn)合成氨裝置的噸氨電耗估算

600 kt／a甲醇裝置之醇線轉(zhuǎn)氨線改造后，由于原料變化不大，涉及到的公用工程（主要為水、電）消耗與合成氨原料氣消耗及催化劑使用量等方面的增量，其中以用電量變化最大且對整個裝置能耗的影響最為明顯，故此處僅對醇氨聯(lián)產(chǎn)合成氨裝置的噸氨電耗進行測算：空壓機電耗4 kW·h、新增中壓氮氣系統(tǒng)電耗20 kW·h、冰機電耗26 kW·h、低壓機電耗70 kW·h、高壓機電耗180 kW·h、烴化電爐電耗25 kW·h、中壓甲醇循環(huán)機電耗7 kW·h、合成循環(huán)氣壓縮機電耗38 kW·h、循環(huán)水系統(tǒng)電耗30 kW·h，合計醇氨聯(lián)產(chǎn)合成氨裝置噸氨電耗400 kW·h?？梢钥闯觯瞄e置醇氨聯(lián)產(chǎn)國產(chǎn)化合成氨裝置進行600 kt／a甲醇裝置之醇線轉(zhuǎn)氨線改造，改造后的合成氨裝置噸氨電耗，與采用液氮洗等先進技術(shù)的合成氨裝置噸氨電耗320 kW·h［7］相比，還是有一定差距的，但相較于先進合成氨裝置需新增液氮洗和低壓氨合成系統(tǒng)的設(shè)備及安裝等工程投資來說，采用上述改造方案及工藝路線的投資回收期會大大縮短。

5 結(jié)束語

就當(dāng)前甲醇和液氨的市場形勢來說，生產(chǎn)甲醇的效益明顯弱于生產(chǎn)合成氨的效益，該600 kt／a甲醇裝置，結(jié)合自身園區(qū)裝置的特點（有1套閑置的醇氨聯(lián)產(chǎn)國產(chǎn)化合成氨裝置），在原有裝置的基礎(chǔ)上進行甲醇裝置之醇線轉(zhuǎn)氨線的工藝改造，可在不新增原料煤、燃料煤和公用工程消耗的情況下構(gòu)建“一頭兩尾”的柔性生產(chǎn)模式，從而可根據(jù)市場和產(chǎn)品盈利情況進行生產(chǎn)調(diào)節(jié)，本工藝路線改造的技術(shù)可行性高，經(jīng)濟效益明顯，利于實現(xiàn)企業(yè)效益的最大化。