甲醇合成系統(tǒng)擴能改造小結(jié)

王 輝

［聯(lián)泓（山東）化學(xué)有限公司，山東 滕州 277527］

0 引 言

聯(lián)泓（山東）化學(xué)有限公司［原新能鳳凰（滕州）能源有限公司，簡稱聯(lián)泓化學(xué)］有2套工藝流程相同的甲醇裝置（第一套甲醇裝置于2009年12月投產(chǎn)，第二套甲醇裝置于2011年11月投產(chǎn)），設(shè)計甲醇產(chǎn)能為2×360 kt／a，整套裝置包括四噴嘴水煤漿氣化、耐硫變換、低溫甲醇洗脫硫脫碳、等壓甲醇合成、四塔甲醇精餾、甲醇罐區(qū)、硫回收、空分、冷凍站、熱電站等單元，以及與工藝裝置相配套的公用工程及輔助裝置。其中，2套甲醇合成系統(tǒng)均采用華東理工大學(xué)開發(fā)的“管殼外冷-絕熱復(fù)合式固定床催化反應(yīng)器”（雙塔并聯(lián)）和西南化工研究院開發(fā)的低壓甲醇合成工藝。從合成回路來的循環(huán)氣經(jīng)循環(huán)氣壓縮機提壓（第一套甲醇裝置循環(huán)氣提壓采用往復(fù)式壓縮機，第二套甲醇裝置循環(huán)氣提壓采用離心式壓縮機）后，與從低溫甲醇洗系統(tǒng)來的新鮮氣混合預(yù)熱后一起進入甲醇合成塔（設(shè)計壓力5.3 MPa、溫度220～260℃）進行甲醇合成反應(yīng)，出塔氣依次經(jīng)入塔氣預(yù)熱器、水冷器冷卻和冷凝，然后在甲醇分離器中實現(xiàn)氣液分離，從甲醇分離器上部分離出的循環(huán)氣經(jīng)循環(huán)氣壓縮機返回合成回路，甲醇分離器下部的甲醇液體則送膨脹槽，最終送甲醇精餾系統(tǒng)。

2套甲醇裝置經(jīng)過多年的穩(wěn)定運行后，通過分析研究和性能標(biāo)定后認為，部分設(shè)備尚有富余能力。為充分發(fā)揮系統(tǒng)潛能，降低能耗，提升企業(yè)的經(jīng)濟效益，增強企業(yè)的市場競爭力，聯(lián)泓化學(xué)決定對甲醇裝置進行擴能改造——原裝置總體流程不變，增加少量設(shè)備，或在關(guān)鍵設(shè)備上通過塔內(nèi)件改造提升設(shè)備的產(chǎn)能，即通過填平補齊及采用先進技術(shù)使整套甲醇裝置的能力得到充分發(fā)揮，在實現(xiàn)增產(chǎn)（設(shè)計2套甲醇裝置總產(chǎn)能提升至900 kt／a精甲醇）的同時，使裝置的綜合能耗得到降低——能耗在以煤為原料的同類型裝置中處于領(lǐng)先水平。最終2套甲醇合成系統(tǒng)通過實施一系列技術(shù)改造，實際總產(chǎn)能提升至了1 000 kt／a，取得了良好的經(jīng)濟效益。以下對2套甲醇合成系統(tǒng)的擴能改造情況作一總結(jié)。

1 甲醇合成系統(tǒng)擴能改造

1.1 入塔氣預(yù)熱器改造

1.1.1 存在的問題

入塔氣預(yù)熱器是將甲醇合成塔出塔氣熱量傳遞給入塔氣的設(shè)備，以提高入塔氣的溫度，利于甲醇合成反應(yīng)的進行，同時降低甲醇合成塔出塔氣的溫度，以利后續(xù)分離出甲醇。甲醇合成系統(tǒng)原設(shè)計入塔氣預(yù)熱器出口溫度≥190℃，但實際上入塔氣預(yù)熱器出口溫度在180℃左右。有關(guān)資料顯示，170～190℃是甲醇合成系統(tǒng)高碳鏈蠟類物質(zhì)生成的最佳溫度區(qū)間，入塔氣溫度過低會導(dǎo)致甲醇合成系統(tǒng)結(jié)蠟傾向增大。經(jīng)核算，甲醇合成系統(tǒng)入塔氣預(yù)熱器的換熱面積為7 260 m2，僅就換熱面積而言，設(shè)計值是足夠的。但實際操作中，入塔氣的溫度一直未達到設(shè)計值，因沒有機會進行停車查看（注：入塔氣預(yù)熱器屬高壓設(shè)備，出口全焊接，解體排查難度較大、施工周期較長，長周期運行也不允許停車排查），無法排除入塔氣預(yù)熱器是否存在折流板脫落、換熱器內(nèi)漏等設(shè)備方面的問題，不過2臺入塔氣預(yù)熱器并聯(lián)使用，2臺入塔氣預(yù)熱器的出口溫度均未達到設(shè)計值，判斷2臺設(shè)備同時出現(xiàn)問題的可能性較小；再經(jīng)多個軟件進行校核，2臺入塔氣預(yù)熱器的換熱面積有較大的余量，但2臺入塔氣預(yù)熱器管內(nèi)、管外流體的流速較低——管內(nèi)氣體平均流速為2.77 m／s、管外氣體平均流速為2.93 m／s，甚至第一套甲醇合成系統(tǒng)入塔氣預(yù)熱器管內(nèi)氣體流速僅為1.78 m／s、管外氣體流速僅為2.02 m／s，對于氣體流動而言，這個流速嚴重偏低了。第一套甲醇合成系統(tǒng)的循環(huán)氣來自往復(fù)式循環(huán)氣壓縮機，分析得知入塔氣預(yù)熱器殼程排污的礦物油含量較高，推斷往復(fù)式壓縮機潤滑油污染導(dǎo)致入塔氣預(yù)熱器列管結(jié)垢的可能性非常大。經(jīng)回歸分析實測操作數(shù)據(jù)，第一套甲醇裝置入塔氣預(yù)熱器管內(nèi)污垢系數(shù)為0.003 m2·K／W、管外污垢系數(shù)為0.007 m2·K／W。

經(jīng)綜合分析，推斷入塔氣預(yù)熱器換熱效果差的原因有二：一是換熱器內(nèi)氣體流速明顯偏低，對于同一臺換熱器來說，介質(zhì)在設(shè)備內(nèi)的流速越高，其傳熱系數(shù)就越高，其關(guān)鍵不在于時間，而在于熱阻，新?lián)Q熱器的熱阻主要來自熱介質(zhì)的層流膜，一般來講，金屬換熱壁的熱阻很小，熱阻大小的關(guān)鍵在于冷熱介質(zhì)的層流膜，傳熱過程也就是層流膜的熱傳導(dǎo)過程，而層流膜熱傳導(dǎo)效果的好壞除了與膜的物理性質(zhì)有關(guān)外，主要取決于膜的厚度，氣體流速低，層流膜厚，熱阻就大，換熱效果就差；二是往復(fù)式壓縮機的潤滑油被循環(huán)氣帶出，出往復(fù)式壓縮機的循環(huán)氣經(jīng)油分離器后，仍有部分油被帶入了入塔氣預(yù)熱器，加之甲醇合成催化劑粉末的存在，使得入塔氣預(yù)熱器因結(jié)垢而換熱效率明顯降低。

1.1.2 改造方案及實施

眾所周知，流體的湍動狀態(tài)越好，層流膜的厚度就越小，相應(yīng)地換熱器的換熱效果就越好。在設(shè)備內(nèi)加裝麻花鐵（又稱擾流子）可以改善流體的湍動狀態(tài)，不需對既有設(shè)備進行改造，麻花鐵安裝簡便、造價低廉，是目前最普及、極具優(yōu)勢的一種提高換熱器傳熱效率的一種方法。于是，2017年7月利用甲醇裝置停車更換甲醇合成催化劑的機會，在入塔氣預(yù)熱器φ19 mm×2 mm的列管內(nèi)裝入等效直徑φ14 mm的不銹鋼麻花鐵（有少部分列管因催化劑粉末和瓷球堵塞而未裝入麻花鐵）。

1.2 循環(huán)氣壓縮機擴能更換

1.2.1 存在的問題

第一套甲醇裝置于2009年12月開車成功，循環(huán)氣壓縮機采用2臺MW-118／49-54型、功率為2 200 kW的往復(fù)式壓縮機；第二套甲醇裝置于2011年11月開車成功，循環(huán)氣壓縮機采用EB45-1型、功率為2 200 kW的離心式壓縮機。

從多年來的運行情況來看，第一套甲醇裝置的往復(fù)式循環(huán)氣壓縮機投資省、對氣體要求低，但設(shè)備占地面積大、易損部件多，且有脈沖現(xiàn)象，運行過程中振動較大。第一套甲醇裝置開車初期，2臺循環(huán)氣壓縮機運行，循環(huán)氣量約420 km3／h，由于2010年甲醇裝置在較長的時間段內(nèi)一直維持低負荷運行，故決定停開1臺循環(huán)氣壓縮機，采用單機運行模式，后期隨著甲醇裝置負荷的提高，單機運行模式節(jié)電效益更加明顯，但單機運行模式循環(huán)氣量較小、氣體空速較低，造成甲醇合成系統(tǒng)副反應(yīng)物增多，表現(xiàn)為合成水冷器換熱效果差、甲醇精餾常壓塔廢水中含蠟量較高，同時甲醇合成催化劑的使用壽命受到一定影響；2015年后，隨著第一套甲醇裝置運行周期的延長，往復(fù)式循環(huán)氣壓縮機出口DN400 PN10.0手動閘閥打開困難、填料密封不嚴、出口緩沖罐焊縫多次出現(xiàn)裂紋、現(xiàn)場漏點較多等安全隱患問題相繼出現(xiàn)。

第二套甲醇裝置的離心式循環(huán)氣壓縮機由汽輪機拖動，平均消耗2.2 MPa、330℃的過熱蒸汽10.2 t／h，循環(huán)氣量可達510 km3／h，循環(huán)氣量達到設(shè)計指標(biāo)要求。總體而言，離心式循環(huán)氣壓縮機打氣量大，有利于甲醇合成催化劑的使用，機組運行平穩(wěn)、效率較高，節(jié)能效果明顯。

1.2.2 改造方案及實施

通過往復(fù)式循環(huán)氣壓縮機與離心式循環(huán)氣壓縮機的對比可知，要實現(xiàn)甲醇裝置增產(chǎn)，需對第一套甲醇合成系統(tǒng)的循環(huán)氣壓縮機進行更換，達到既提升負荷又解決安全隱患的目的。于是，邊生產(chǎn)邊在第一套甲醇合成系統(tǒng)2臺往復(fù)式循環(huán)氣壓縮機南側(cè)吊裝區(qū)位置安裝1臺BCL451型離心式循環(huán)氣壓縮機，該離心式壓縮機由汽輪機拖動，以甲醇合成系統(tǒng)汽包副產(chǎn)的2.2 MPa飽和蒸汽至變換系統(tǒng)過熱后形成的動力蒸汽作為動力源。BCL451型離心式循環(huán)氣壓縮機安裝完成并提前試車后，拆除原2臺往復(fù)式循環(huán)氣壓縮機，新增的離心式循環(huán)氣壓縮機利用大修機會配管并吹掃試車后并入系統(tǒng)。

1.3 甲醇分離器內(nèi)件改造

1.3.1 存在的問題

甲醇合成系統(tǒng)原甲醇分離器設(shè)計采用的是旋風(fēng)式，靠氣流切向進入造成的旋轉(zhuǎn)使流體運動，將具有較大慣性離心力的固體顆?；蛞旱嗡ο蛲獗诿?，即利用液、氣、固相旋轉(zhuǎn)運動時所產(chǎn)生的離心力不同實現(xiàn)氣相與甲醇液體的分離。原設(shè)計甲醇分離器進口氣量為488 750 m3／h，進口工藝氣中的甲醇含量為6.7%（摩爾分數(shù)）。隨著甲醇合成系統(tǒng)負荷的提升，要想實現(xiàn)甲醇裝置擴產(chǎn)，這種氣液分離方式顯然不能滿足生產(chǎn)所需。

1.3.2 改造方案及實施

將甲醇分離器內(nèi)件改為高效分離內(nèi)件，該高效分離內(nèi)件采用葉片式分離技術(shù)，其技術(shù)核心為設(shè)備內(nèi)裝有多片高效氣液分離葉片，其工作原理為利用機械沖擊粘連機理進行氣液分離，高效分離葉片能有效分離氣體里所夾帶的液體，配備增強雙袋型葉片式內(nèi)件的氣液分離器適用于去除氣體攜帶的大量液體，對于直徑10μm的液滴分離效率可達99.9%。2017年7月甲醇裝置大修時，拆除原甲醇分離器內(nèi)的絲網(wǎng)除沫器及支撐圈，安裝葉片箱及降液管，同時拆除原有旋流板及降液管，保留支撐圈，安裝填料，葉片箱內(nèi)安裝人字形葉片，所有內(nèi)件通過人孔進入甲醇分離器內(nèi)進行安裝。

1.4 膜分離氫回收系統(tǒng)的優(yōu)化改造

1.4.1 存在的問題

聯(lián)泓化學(xué)甲醇裝置甲醇合成弛放氣膜分離氫回收系統(tǒng)原設(shè)置1臺膜分離器（M5102A／B／C／D，內(nèi)有4支膜，4支膜并聯(lián)運行）供2套甲醇合成系統(tǒng)共用，膜分離氫回收系統(tǒng)設(shè)計最大處理氣量12 096 m3／h、年運行時間8 000 h、操作彈性30%～110%。膜分離氫回收系統(tǒng)的氫氣壓縮機采用D型往復(fù)式一級壓縮機，甲醇合成系統(tǒng)壓力5.3 MPa，由于壓縮比的限制，氫氣壓縮機進口氫氣（滲透氣）的壓力只能控制在3.1 MPa，由于膜分離器前后壓差較小，氫氣的回收效率低，導(dǎo)致非滲透氣中H2含量較高（見表1），非滲透氣中高濃度的H2只能去火炬燃燒，造成有效氣組分的浪費。據(jù)甲醇合成系統(tǒng)的擴能目標(biāo)，原膜分離氫回收系統(tǒng)已不能滿足擴能后的生產(chǎn)所需，須進行優(yōu)化改造。

表1 技改前膜分離氫回收系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)

1.4.2 改造方案及實施

為保證膜分離氫回收系統(tǒng)產(chǎn)品H2品質(zhì)、尾氣壓力、負荷滿足甲醇合成系統(tǒng)的擴能要求，確保改造后的膜分離氫回收系統(tǒng)安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)運行，對其進行了優(yōu)化改造。改造后膜分離氫回收系統(tǒng)工藝流程為：甲醇合成弛放氣→水洗塔→氣液分離器（DN500）→預(yù)熱器→一級膜分離器→（新增）二級膜分離器（非滲透氣去燃料氣管網(wǎng)）→（一級+二級膜分離滲透氣）氫氣壓縮機→甲醇合成回路凈化氣管道。具體改造內(nèi)容主要如下。

（1）新增1套膜分離器撬裝框架，包括2支膜及配套的膜殼、連接管道、閥門、撬裝框架等，在原有膜分離器的非滲透氣管線上串聯(lián)新增的膜分離器（2支膜并聯(lián)運行），進行第二級膜分離，二級膜分離滲透氣（氫氣）與一級膜分離滲透氣（氫氣）一同送往氫氣壓縮機。

（2）新增1臺DN500的氣液分離器，替換掉原有的DN400氣液分離器，配套新增1套自動排液系統(tǒng)。

（3）因甲醇裝置擴能后膜分離氫回收系統(tǒng)入口氣量增加較多，相應(yīng)地產(chǎn)品H2流量也會增加較多，對氫氣總管及相應(yīng)閥門等進行改造——氫氣總管由DN100改為DN150，氫氣總管新增安全閥，更換氫氣總管上的流量孔板、儀表根部閥、引壓管。

（4）新增1臺兩級壓縮的DW-15／17-54對稱平衡型往復(fù)式氫氣壓縮機，因甲醇裝置擴能后氫氣壓縮機進口滲透氣壓力降低，且增設(shè)了二級膜分離器，使得膜分離器前后壓差增大，從而可提升氫氣回收率。

1.5 其他設(shè)備的改造

根據(jù)甲醇裝置的擴產(chǎn)需要，經(jīng)核算，對甲醇合成系統(tǒng)的其他設(shè)備進行了如下改造：將合成汽包蒸汽出口的絲網(wǎng)除沫器更換為高效絲網(wǎng)除沫器，防止蒸汽產(chǎn)量增加而造成的帶液現(xiàn)象；對部分自動調(diào)節(jié)閥進行了核算更換，如外送蒸汽閥通道加大、甲醇輸送閥門更換等；結(jié)合HAZOP分析，對部分關(guān)鍵安全點進行改造，如甲醇分離器液位聯(lián)鎖由原一取一改為三取二聯(lián)鎖等，以提升甲醇裝置運行的安全性。

2 改造后甲醇合成系統(tǒng)的運行情況

上述改造方案經(jīng)多方論證后，2017年7月利用全廠大修的機會予以了實施，改造后系統(tǒng)運行情況如下。

（1）入塔氣預(yù)熱器增加麻花鐵后，甲醇合成塔入口氣溫度有所提升，雖然甲醇合成催化劑使用初期甲醇合成塔入口氣溫度仍然沒有達到預(yù)期的190℃以上，但甲醇合成催化劑使用中期和后期甲醇合成塔入口氣溫度提升明顯（見表2），甲醇合成系統(tǒng)結(jié)蠟現(xiàn)象明顯改善，水冷器及甲醇分離器內(nèi)的蠟類物質(zhì)明顯減少。

表2 改造前后甲醇合成塔部分溫度數(shù)據(jù)的對比 ℃

（2）將第一套甲醇合成系統(tǒng)2臺往復(fù)式循環(huán)氣壓縮機拆除、新增1臺離心式循環(huán)氣壓縮機后，取得了良好的效果：循環(huán)氣量從原來開1臺往復(fù)式循環(huán)氣壓縮機時的220 km3／h提升至現(xiàn)在的540 km3／h，循環(huán)氣量增加帶來的氣體高空速減少了甲醇合成副反應(yīng)產(chǎn)物的生成，為甲醇合成系統(tǒng)生產(chǎn)負荷的提升打下了基礎(chǔ)；同時，原往復(fù)式循環(huán)氣壓縮機配套電機功率為2 200 kW·h，改為利用合成汽包副產(chǎn)蒸汽（經(jīng)變換系統(tǒng)過熱后）驅(qū)動汽輪機拖動離心式循環(huán)氣壓縮機后，機組整體運行平穩(wěn)，僅消耗過熱蒸汽約12.2 t／h，達到了節(jié)能降耗的效果。

（3）甲醇分離器改造后，氣液分離能力增強，在甲醇合成系統(tǒng)設(shè)計負荷工況下，工藝氣中夾帶的甲醇得到有效分離，不過循環(huán)氣壓縮機入口甲醇分離器處仍有少量甲醇帶入，下一步還需對甲醇分離器繼續(xù)進行觀察及優(yōu)化。

（4）甲醇合成弛放氣膜分離氫回收系統(tǒng)改造后，膜分離器進氣量由改造前的12 096 m3／h增至改造后的14 704 m3／h，氫回收率可達90%以上。2018年10月又對原膜分離器的4組膜進行了更換，同時將氫氣壓縮機改為了變頻操作，以適應(yīng)甲醇合成催化劑不同使用階段的甲醇合成弛放氣量。

3 結(jié)束語

聯(lián)泓化學(xué)2套甲醇合成系統(tǒng)，通過投入較少的資金對入塔氣預(yù)熱器、（第一套甲醇裝置）循環(huán)氣壓縮機、甲醇分離器、弛放氣膜分離氫回收系統(tǒng)等進行優(yōu)化改造后，甲醇合成系統(tǒng)運行中存在的一些瓶頸問題得到有效解決，甲醇裝置產(chǎn)能得到較大提升，通過一段時間的運行優(yōu)化，2套甲醇裝置的總產(chǎn)能由改造前的720 kt／a提升至改造后的1 000 kt／a，噸甲醇生產(chǎn)成本有效降低，系統(tǒng)的能耗水平和經(jīng)濟效益顯著提升，達到了節(jié)能降耗、增產(chǎn)增效的目的。