600 kt/a甲醇合成系統(tǒng)工藝設計及運行總結(jié)

馬 輝，崔玉彪，龔普勤

(江西心連心化學工業(yè)有限公司，江西 彭澤 332700)

0 引 言

江西心連心化學工業(yè)有限公司(簡稱江西心連心)一期“60·52·40”項目于2021年2月8日建成投產(chǎn)，設計產(chǎn)能為600 kt/a合成氨、520 kt/a尿素、400 kt/a二甲醚，并配套600 kt/a甲醇裝置為400 kt/a二甲醚裝置提供生產(chǎn)原料。江西心連心“60·52·40”項目醇氨產(chǎn)能為1 200 kt/a，氣化系統(tǒng)配置3臺多噴嘴對置式水煤漿加壓氣化爐(兩開一備，單臺氣化爐設計投煤量3 000 t/d，設計操作壓力6.5 MPa)，氣化爐出口粗煤氣進入變換系統(tǒng)一分為二(據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)所需原料氣成分的不同，設置不同的生產(chǎn)線)，一條線進入甲醇生產(chǎn)線(CO部分變換線)，一條線進入合成氨生產(chǎn)線(CO全變換線)；在甲醇生產(chǎn)線，一部分粗煤氣進入變換爐，一部分粗煤氣不經(jīng)變換爐，兩股氣體匯合出變換界區(qū)進入甲醇生產(chǎn)線低溫甲醇洗系統(tǒng)，為甲醇合成系統(tǒng)制取合格的原料氣；甲醇合成系統(tǒng)制得的粗甲醇，經(jīng)五塔雙效+三效精餾系統(tǒng)制得精甲醇送400 kt/a二甲醚裝置作為生產(chǎn)原料。以下主要就600 kt/a甲醇合成系統(tǒng)的工藝設計及運行情況進行分析與總結(jié)。

1 甲醇合成工藝技術(shù)的選擇

1.1 工藝技術(shù)方向的確定

甲醇合成工藝技術(shù)與氨合成工藝技術(shù)類似，不同技術(shù)供應商之甲醇合成回路整體工藝設計差別很小，其技術(shù)核心及區(qū)別主要在于甲醇合成反應器(甲醇合成塔)的設計，甲醇合成塔的效能直接影響著整個合成回路運行的經(jīng)濟性。目前，國外已經(jīng)工業(yè)化的大型甲醇(裝置)合成技術(shù)主要有魯奇列管式等溫甲醇合成塔技術(shù)、莊信萬豐戴維徑向甲醇合成塔技術(shù)、托普索絕熱型管殼式甲醇合成塔技術(shù)、卡薩利板式換熱甲醇合成塔技術(shù)、林德螺旋管式甲醇合成塔技術(shù)、日本東洋MRF甲醇合成塔技術(shù)等[1]。國內(nèi)甲醇合成技術(shù)推廣應用較多的有：南京聚拓化工科技有限公司(簡稱南京聚拓)束管水床式甲醇合成塔，其是在戴維徑向甲醇合成塔基礎(chǔ)上開發(fā)而來；華東理工大學絕熱—管殼式甲醇合成塔，其是在魯奇列管式甲醇合成塔基礎(chǔ)上開發(fā)而來；南京國昌化工科技有限公司GC型甲醇合成塔，其是在卡薩利板式換熱甲醇合成塔基礎(chǔ)上開發(fā)而來；湖南安淳高新技術(shù)有限公司JJD水管式等溫低壓甲醇合成塔，其是在日本MRF型雙套管式水床甲醇合成塔基礎(chǔ)上開發(fā)而來。

項目建設之初，單套系統(tǒng)甲醇產(chǎn)能在600 kt/a及以上的甲醇合成技術(shù)主要被國外壟斷，且國外供應商更青睞于產(chǎn)能1 000 kt/a及以上的大型甲醇裝置，像采用魯奇甲醇合成技術(shù)、戴維甲醇合成技術(shù)的單套系統(tǒng)甲醇合成塔產(chǎn)能均已能輕松達到900 kt/a[2]。江西心連心在進行甲醇合成工藝技術(shù)的選擇時，基于投資成本控制方面的要求，未考慮國外甲醇合成技術(shù)，主要在國內(nèi)甲醇合成技術(shù)中進行考察。當時國內(nèi)大型甲醇(裝置)合成技術(shù)應用業(yè)績較多的是華東理工大學的絕熱—管殼式甲醇合成塔，其優(yōu)點是，管內(nèi)裝催化劑、管外走水，相當于整個甲醇合成反應“泡”在水中，床層溫度分布均勻，且甲醇合成反應副產(chǎn)物少、甲醇合成催化劑使用壽命長；其缺點是，反應過程為軸向流，催化劑床層阻力大，甲醇合成塔上/下管板(大型化)制造、加工、運輸困難。通過對外技術(shù)交流考察和對內(nèi)技術(shù)論證分析，認為南京聚拓的束管水床式甲醇合成塔在催化劑裝填、塔壓差、結(jié)構(gòu)設計、操作運行、大型化設計等方面更具優(yōu)勢，故將其與華東理工大學的絕熱—管殼式甲醇合成塔技術(shù)作為江西心連心甲醇裝置甲醇合成工藝技術(shù)備選方案。

1.2 工藝技術(shù)方案的對比

若采用絕熱—管殼式甲醇合成塔，可供選擇的為8.0 MPa級單塔或5.0 MPa級雙塔甲醇合成技術(shù)方案。鑒于甲醇合成系統(tǒng)設計壓力為8.0 MPa時甲醇合成塔直徑為DN4200，受項目所在地運輸條件限制，經(jīng)論證分析放棄了8.0 MPa級單塔絕熱—管殼式甲醇合成技術(shù)。

若采用束管水床式甲醇合成塔，甲醇合成系統(tǒng)(單塔)設計壓力采用5.0 MPa或8.0 MPa均可，兩種壓力等級的投資整體上差別不大，通過模擬計算，其運行參數(shù)的對比見表1(注：上游系統(tǒng)氣化爐設計操作壓力為6.5 MPa，8.0 MPa甲醇合成系統(tǒng)屬加壓合成，合成氣壓縮機分為新鮮氣壓縮段與循環(huán)氣壓縮段；5.0 MPa甲醇合成系統(tǒng)屬等壓合成，合成氣壓縮機只有循環(huán)氣壓縮段)。據(jù)模擬數(shù)據(jù)進行簡單估算，以電價0.62元/(kW·h)、循環(huán)水運行費用0.25元/m3、年運行時間7 200 h計，5.0 MPa甲醇合成系統(tǒng)在長周期運行成本方面更具優(yōu)勢。

表1 束管水床式甲醇合成系統(tǒng)運行參數(shù)模擬結(jié)果

綜上，當時甲醇合成工藝技術(shù)方案主要在5.0 MPa級雙塔絕熱—管殼式甲醇合成塔技術(shù)與5.0 MPa級單塔束管水床式甲醇合成塔技術(shù)之間抉擇，兩者投資及運行成本大體相當，技術(shù)上各有千秋，前者應用業(yè)績多、技術(shù)成熟[2]，后者甲醇合成塔結(jié)構(gòu)設計更合理、適宜于大型化。經(jīng)多次論證，基于束管水床式甲醇合成塔床層阻力小、催化劑裝填量大和裝卸方便、合成塔可靠性高、單塔系統(tǒng)各方面更簡易等優(yōu)勢，最終決定選擇5.0 MPa級單塔束管水床式甲醇合成塔技術(shù)。

2 束管水床式甲醇合成塔系統(tǒng)工藝流程簡介

低溫甲醇洗系統(tǒng)來的新鮮合成氣經(jīng)脫毒槽脫去有害成分，與氫氣壓縮機來的氫氣(由甲醇合成弛放氣膜分離氫回收系統(tǒng)提取)、醇分離器來的循環(huán)氣混合后進入合成氣壓縮機提壓，而后在熱交換器中與甲醇合成塔出口氣換熱，反應氣從上部進入甲醇合成塔殼程，從甲醇合成塔外側(cè)向內(nèi)側(cè)沿徑向方向發(fā)生反應，最后由中心管出甲醇合成塔；出塔氣經(jīng)熱交換器、水冷卻器降溫后，在醇分離器內(nèi)進行氣液分離，分離出的大部分氣相作為循環(huán)氣返回合成氣壓縮機，小部分氣相作為弛放氣經(jīng)洗醇塔回收甲醇后送弛放氣膜分離氫回收系統(tǒng)回收氫氣(氫回收系統(tǒng)尾氣放空)；醇分離器分離出的液相(粗甲醇)則經(jīng)兩級閃蒸槽閃蒸后送至甲醇罐區(qū)。束管水床式甲醇合成塔配備高位汽包，汽包分離出蒸汽后，在重力的作用下爐水從汽包底部進入甲醇合成塔管程移走催化劑床層反應熱，然后自流入汽包。

束管水床式甲醇合成塔技術(shù)的特點：通過兩級閃蒸降低粗甲醇中的輕組分含量，提高產(chǎn)品質(zhì)量；用洗醇塔液相(稀甲醇)洗滌一級閃蒸槽的閃蒸氣，提高稀甲醇濃度，降低運行成本；合成回路設置弛放氣膜分離氫回收系統(tǒng)，回收弛放氣中的有效成分——氫氣，降低系統(tǒng)消耗；熱水依靠重力在汽包與甲醇合成塔管程間自然循環(huán)，不需要額外動力(即無需設置熱水循環(huán)泵強制循環(huán))；甲醇合成塔為徑向結(jié)構(gòu)，床層阻力??；甲醇合成塔上/下進出管口采用4個小管板結(jié)構(gòu)，可節(jié)約制作成本，提高甲醇合成塔的可靠性。

3 甲醇合成系統(tǒng)運行情況及問題分析

3.1 甲醇合成系統(tǒng)運行情況

江西心連心600 kt/a甲醇裝置2021年2月8日投運，投產(chǎn)以來，整體運行穩(wěn)定。經(jīng)測試，甲醇合成系統(tǒng)主要工藝指標基本接近設計值，某一時段甲醇合成系統(tǒng)部分運行數(shù)據(jù)(均值)與設計值(100%負荷)的對比見表2?？梢钥闯觯状己铣上到y(tǒng)實際運行情況與設計情況基本相符。

表2 某一時段甲醇合成系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)與設計值的對比

3.2 甲醇合成系統(tǒng)問題分析

(1)目前，江西心連心600 kt/a甲醇合成系統(tǒng)一大主要問題是副產(chǎn)蒸汽品質(zhì)偏低——設計副產(chǎn)蒸汽壓力為2.70 MPa、實際生產(chǎn)中副產(chǎn)蒸汽壓力只有1.89 MPa左右，導致蒸汽流量示數(shù)不準確；但通過汽包上水流量可知，副產(chǎn)蒸汽量基本上接近設計值，計劃在系統(tǒng)中修時伺機進行流量計參數(shù)調(diào)校。

(2)本套系統(tǒng)為工藝包供應商設計的第一套600 kt/a甲醇合成系統(tǒng)，由于缺乏運行數(shù)據(jù)支撐，設計時為防止甲醇合成催化劑使用初期催化劑床層超溫，在熱交換器進口前設置有1根直徑8″的冷副線進行甲醇合成催化劑床層溫度調(diào)節(jié)；實際生產(chǎn)中，由于甲醇合成塔壓差太低，此冷副線過氣量太小，無法起到有效調(diào)節(jié)甲醇合成催化劑床層溫度的作用。

(3)由于甲醇合成塔反應熱移出能力差，設計床層熱點溫度為(245±5) ℃，而實際床層熱點溫度達260 ℃，導致甲醇合成反應副反應較多，粗甲醇中乙醇含量超過設計值600×10-6，生產(chǎn)中部分時段甚至達(1 500～2 000)×10-6。對于此問題，目前江西心連心正與工藝包供應商及甲醇合成催化劑供應商進行進一步交流與摸索，以尋找最佳解決方案。

4 結(jié)束語

江西心連心600 kt/a甲醇裝置選用的國內(nèi)5.0 MPa級束管水床式甲醇合成塔技術(shù)，當時該技術(shù)在產(chǎn)能300 kt/a以下的甲醇裝置上的應用業(yè)績也寥寥無幾，江西心連心這套裝置是其在大型甲醇裝置中的首次應用，前期經(jīng)過反復論證作出此選擇，確實需要一定的“魄力”。雖然江西心連心甲醇合成系統(tǒng)的運行情況不盡完美，但其在甲醇合成塔阻力、催化劑裝卸與催化劑裝填量、甲醇合成塔結(jié)構(gòu)合理性等方面確實優(yōu)勢明顯[4]。

甲醇合成反應不同于氨合成反應，甲醇合成反應迅速、完成快，相較于魯奇列管式甲醇合成塔，束管水床式甲醇合成塔(殼程裝催化劑，管程走水)在移熱設計方面難度更高，需要設計人員結(jié)合模型參數(shù)、實際運行情況不斷調(diào)整優(yōu)化。例如，江西心連心甲醇合成系統(tǒng)副產(chǎn)蒸汽品質(zhì)偏離設計太多，表明甲醇合成塔內(nèi)部換熱設計方面尚有不足，后續(xù)推廣中還需調(diào)整優(yōu)化。河南心連心化學工業(yè)集團股份有限公司2011—2020年連續(xù)10年被中國石油和化學工業(yè)聯(lián)合會評為合成氨行業(yè)“能效領(lǐng)跑者標桿企業(yè)”，針對江西心連心甲醇合成系統(tǒng)的實際運行情況，后續(xù)將與工藝包供應商協(xié)作對系統(tǒng)進行進一步優(yōu)化，為今后的設計優(yōu)化探明方向，為國產(chǎn)化大型甲醇(裝置)合成技術(shù)的推廣應用做出更多的貢獻。