煤制乙二醇裝置影響負(fù)荷提升的問題及優(yōu)化改進(jìn)

李銀嶺，包世龍，祝靜惠，時 鵬

(河南龍宇煤化工有限公司，河南 永城 476600)

0 引 言

河南龍宇煤化工有限公司(簡稱龍宇煤化)第二套200 kt/a煤制乙二醇項(xiàng)目是河南省重點(diǎn)建設(shè)化工項(xiàng)目之一，是2019年以來河南能源化工集團(tuán)投資的為數(shù)不多的化工項(xiàng)目，同時也是龍宇煤化“三步走”戰(zhàn)略發(fā)展中最關(guān)鍵的一步，項(xiàng)目投產(chǎn)后，龍宇煤化乙二醇產(chǎn)能達(dá)到400 kt/a，可為企業(yè)補(bǔ)齊短板，進(jìn)一步釋放產(chǎn)能、發(fā)揮各生產(chǎn)裝置潛能。第二套乙二醇裝置2018年3月開工建設(shè)，2019年12月機(jī)械竣工，2020年10月開始投料試車，試車過程中出現(xiàn)影響系統(tǒng)負(fù)荷提升的問題，后經(jīng)技術(shù)改造和系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整，據(jù)評估要求緩慢提升負(fù)荷，于2020年11月26日提升至滿負(fù)荷運(yùn)行。以下對有關(guān)情況作一介紹。

1 第二套煤制乙二醇裝置工藝流程簡介

龍宇煤化第二套200 kt/a煤制乙二醇裝置(工藝流程框圖見圖1)采用河南能源化工集團(tuán)自有的“煤制乙二醇專利技術(shù)”，通過羰基化合成與加氫兩步法間接合成乙二醇：第一步，一氧化碳與亞硝酸甲酯(MN)在催化劑的作用下羰基化合成草酸二甲酯(DMO)；第二步，羰化系統(tǒng)生成的DMO與龍宇煤化氣體凈化廠來的新鮮氫氣進(jìn)入加氫反應(yīng)器合成粗乙二醇，粗乙二醇經(jīng)精餾產(chǎn)出乙二醇產(chǎn)品外售。

圖1 煤制乙二醇裝置工藝流程框圖

2 第二套煤制乙二醇裝置試運(yùn)行情況

龍宇煤化第二套煤制乙二醇裝置自2020年10月31日酯化系統(tǒng)投氧試運(yùn)行以來，經(jīng)調(diào)整，運(yùn)行正常，最高加氧量4 600 m3/h(標(biāo)態(tài)，下同)，羰化反應(yīng)器前合成循環(huán)氣中亞硝酸甲酯濃度最高為11.5%，亞硝酸甲酯總轉(zhuǎn)化率52.05%。羰化反應(yīng)器(2R201A/B)采用江蘇金聚合金材料有限公司生產(chǎn)的羰化催化劑，合成汽包(2F201A)溫度控制在120 ℃，反應(yīng)熱點(diǎn)溫度為127.4 ℃，上水量約13.3 m3/h，2020年11月24日2R201A/B后合成循環(huán)氣中亞硝酸甲酯含量為4.50%/4.52%，亞硝酸甲酯轉(zhuǎn)化率較高；羰化反應(yīng)器(2R201C/D)使用的是商丘國龍新材料有限公司生產(chǎn)的羰化催化劑，合成汽包(2F201B)溫度113 ℃(較2F201A低7 ℃)，反應(yīng)熱點(diǎn)溫度121.1 ℃，上水量約10.2 m3/h，2020年11月24日2R201C/D后合成循環(huán)氣中亞硝酸甲酯含量為5.41%/5.48%，亞硝酸甲酯轉(zhuǎn)化率稍低。原始試車期間乙二醇最高日產(chǎn)量為576 t，產(chǎn)品優(yōu)級品率100%。

加氫系統(tǒng)全部采用江蘇金聚合金材料有限公司生產(chǎn)的加氫催化劑。2020年11月24日，加氫系統(tǒng)前系列汽包(2F301A)溫度160 ℃，補(bǔ)水14.2 m3/h，前系列加氫反應(yīng)器(2R301A/B/C)熱點(diǎn)溫度為172.9 ℃/173.4 ℃/173.9 ℃，2R301A/B/C壓差為33.6 kPa/29.8 kPa/27.4 kPa，前系列進(jìn)料緩沖罐(2V311A)壓差10.2 kPa；2020年11月24日，加氫系統(tǒng)后系列汽包(2F301B)溫度160 ℃，補(bǔ)水15 m3/h，后系列加氫反應(yīng)器(2R301D/E/F)熱點(diǎn)溫度為171.8 ℃/172.5 ℃/173.2 ℃，2R301D/E/F壓差為26.0 kPa/27.6 kPa/26.2 kPa，后系列進(jìn)料緩沖罐(2V311B)壓差9.4 kPa。

硝酸再生系統(tǒng)硝酸再生塔(2T104A/B)運(yùn)行方式為液相串聯(lián)、氣相并聯(lián)，液相進(jìn)料來自酯化系統(tǒng)、氣相進(jìn)料源自合成循環(huán)氣壓縮機(jī)出口氣。2020年11月24日，液相進(jìn)料約60 m3/h，2T104 A/B氣相進(jìn)料為4 000 m3/h/3 500 m3/h，2T104A/B床層熱點(diǎn)溫度81.8 ℃/82.3 ℃，2T104A/B進(jìn)口液相中硝酸含量約2.11%，經(jīng)催化轉(zhuǎn)化后，2T104A/B出口液相硝酸含量約0.75%/<0.13%，2T104A/B硝酸再生轉(zhuǎn)化率64.45%/82.67%，系統(tǒng)總轉(zhuǎn)化率93.84%。

3 試運(yùn)行中暴露出的問題及優(yōu)化改進(jìn)

3.1 草酸酯精餾塔負(fù)荷較高

原因分析：排查設(shè)計(jì)圖紙并與設(shè)計(jì)院溝通發(fā)現(xiàn)，羰化反應(yīng)器出口氣液分離器(2V203)未設(shè)計(jì)入口分離組件，導(dǎo)致其氣液分離效果較差，合成循環(huán)氣中夾帶的草酸二甲酯量較大，為吸收循環(huán)氣中的草酸二甲酯以防草酸二甲酯穿透吸收塔進(jìn)入后系統(tǒng)而導(dǎo)致安全事故，草酸二甲酯吸收塔(2T201)塔頂噴淋甲醇量較大，造成草酸酯精餾塔(2T202)負(fù)荷較高，2T202釜液泵(2P208A/B)雙泵運(yùn)行(設(shè)計(jì)上為一開一備)。

優(yōu)化改進(jìn)措施：① 增設(shè)1臺釜液泵(2P208C)，自草酸酯精餾塔(2T202)現(xiàn)場液位計(jì)下法蘭口增設(shè)2P208C入口管線，保證2T202釜液泵有備機(jī)，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行；② 在草酸二甲酯吸收塔(2T201)釜液泵(2P204)返塔管線上增設(shè)一條至草酸二甲酯中間儲槽(2V211)管線，作為2P208C不具備投用條件時的備用手段，防止2P204故障導(dǎo)致2T201液位增高而影響系統(tǒng)安全運(yùn)行；③ 聯(lián)系設(shè)計(jì)院出具設(shè)計(jì)變更單，羰化反應(yīng)器出口氣液分離器(2V203)增設(shè)入口分離組件，提高2V203的分離效果，降低2T201、2T202的負(fù)荷。

改進(jìn)效果：2021年7月2V203增設(shè)入口分離組件后，氣液分離效果明顯提高，2T201釜液草酸二甲酯濃度提高，2T202負(fù)荷明顯降低，釜液泵(2P208A/B/C)單泵運(yùn)行即可滿足系統(tǒng)滿負(fù)荷生產(chǎn)所需。

3.2 加氫汽包與合成汽包液位及溫度波動較大

原因分析：加氫汽包與合成汽包(亦稱羰化汽包)上水原設(shè)計(jì)均為脫鹽水，加氫汽包溫度160 ℃，合成汽包溫度120 ℃，脫鹽水溫度僅40 ℃，補(bǔ)水時易引起汽包液位波動，后將汽包補(bǔ)水改為冷凝液，但汽包上水溫度提高又導(dǎo)致汽包增壓泵(離心泵)運(yùn)行期間易出現(xiàn)汽蝕，造成加氫汽包與合成汽包液位波動較大及溫度不穩(wěn)定，并影響加氫催化劑與羰化催化劑的活性。

優(yōu)化改進(jìn)措施：① 據(jù)加氫汽包與合成汽包增壓泵的運(yùn)行情況，保持泵前儲液罐高液位，提高泵前儲液罐操作壓力至80 kPa以上；② 加氫汽包與合成汽包液位調(diào)整時慢調(diào)細(xì)調(diào)，以防上水閥大幅調(diào)整造成增壓泵運(yùn)行異常；③ 在線新增加氫汽包與合成汽包補(bǔ)水用鍋爐給水管線，提高汽包液位操作的穩(wěn)定性以及系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。

改進(jìn)效果：投用新增的鍋爐給水管線作為加氫汽包與合成汽包的補(bǔ)水管線，原汽包補(bǔ)水用冷凝液全部回收至龍宇煤化給排水廠高溫凝液混床，其后加氫汽包與合成汽包液位及溫度穩(wěn)定。

3.3 酯化系統(tǒng)副反應(yīng)生成硝酸量高

原因分析：排查設(shè)計(jì)資料發(fā)現(xiàn)，乙二醇合成系統(tǒng)循環(huán)氣量設(shè)計(jì)為260 km3/h，試運(yùn)行期間循環(huán)氣量為300 km3/h，系統(tǒng)循環(huán)氣量較大，氣液相接觸增加，導(dǎo)致酯化系統(tǒng)副反應(yīng)生成硝酸量較高——酯化塔(2T101A/B)釜液設(shè)計(jì)硝酸含量為1.5%，運(yùn)行期間其硝酸含量達(dá)2.2%。

優(yōu)化改進(jìn)措施：① 在保證乙二醇合成系統(tǒng)安全運(yùn)行的前提下降低合成系統(tǒng)壓力，酯化塔(2T101A/B)壓力由(0.37±0.01)MPa降至(0.32±0.01)MPa(以酯化塔塔頂壓力計(jì))，合成循環(huán)氣壓縮機(jī)(2C201)轉(zhuǎn)速由5 900 r/min降至5 600 r/min，控制合成系統(tǒng)循環(huán)氣量在約250 km3/h；② 酯化系統(tǒng)循環(huán)甲醇溫度由40 ℃提高至55 ℃，2T101A/B進(jìn)口循環(huán)合成氣溫度由55 ℃提高至68 ℃，提高2T101A/B床層溫度，通過提高酯化系統(tǒng)溫度抑制副反應(yīng)發(fā)生而減少硝酸生成；③ 適當(dāng)提高2T101A/B循環(huán)甲醇中的二甲基甲醇(DMC)含量、增大2T101A/B塔頂新鮮甲醇噴淋量，在負(fù)荷穩(wěn)定的情況下降低循環(huán)甲醇中的水含量，減少循環(huán)甲醇中的水與合成循環(huán)氣中的NO2接觸，減少硝酸的生成。

改進(jìn)效果：適當(dāng)降低合成系統(tǒng)壓力、提高酯化塔(2T101A/B)進(jìn)口循環(huán)合成氣溫度、降低循環(huán)甲醇水含量等優(yōu)化調(diào)整措施落實(shí)后，2T101A/B釜液硝酸含量由2.2%降至1.6%，滿足系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行所需。

3.4 0.5 MPa蒸汽管網(wǎng)壓力較高而部分放空

原因分析：乙二醇裝置設(shè)計(jì)副產(chǎn)0.5 MPa蒸汽45 t/h，但實(shí)際其使用量(約35 t/h)低于產(chǎn)出量(約50 t/h)，由于乙二醇裝置部分低品位蒸汽回收利用，以及部分冷凝液熱量耦合利用，造成0.5 MPa蒸汽管網(wǎng)壓力較高，在加氫系統(tǒng)負(fù)荷提升之后加氫汽包副產(chǎn)蒸汽需部分放空(約15 t/h)以調(diào)控汽包溫度，造成0.5 MPa蒸汽浪費(fèi)、噸乙二醇產(chǎn)品汽耗增加。

優(yōu)化改進(jìn)措施：① 新鮮氫氣預(yù)熱器(2E301)、草酸酯進(jìn)料預(yù)熱器(2E306A/B)加熱蒸汽由1.7 MPa蒸汽改為0.5 MPa蒸汽，可回收加氫汽包放空蒸汽約13 t/h，減少1.7 MPa蒸汽用量約10 t/h；② 降低0.5 MPa蒸汽管網(wǎng)壓力至0.42 MPa，關(guān)閉0.8 MPa蒸汽與0.5 MPa蒸汽管網(wǎng)聯(lián)通閥，減少0.5 MPa蒸汽管網(wǎng)補(bǔ)汽。以上優(yōu)化措施落實(shí)后，加氫汽包副產(chǎn)蒸汽不再放空，全部得以回收利用。

3.5 合成汽包副產(chǎn)蒸汽壓力較低而無法并網(wǎng)

原因分析：催化劑廠家改進(jìn)羰化催化劑配方(優(yōu)化羰化催化劑中的鈀含量，降低羰化反應(yīng)風(fēng)險度)后，合成汽包溫度低于設(shè)計(jì)值，合成汽包副產(chǎn)蒸汽壓力較低(僅0.09 MPa)，無法并入0.2 MPa低低壓蒸汽管網(wǎng)，導(dǎo)致合成汽包溫度由蒸汽就地放空量控制，造成低品位蒸汽浪費(fèi)、噸乙二醇產(chǎn)品汽耗增加。

優(yōu)化改進(jìn)措施：① 從合成汽包(2F201B)副產(chǎn)0.09 MPa蒸汽管線引一管線至羰化反應(yīng)預(yù)熱器(2E109)0.5 MPa加熱蒸汽管線上，由此可回收合成汽包副產(chǎn)蒸汽約6 t/h；② 0.2 MPa蒸汽管網(wǎng)降壓至0.1 MPa，據(jù)溴化鋰制冷機(jī)組運(yùn)行情況調(diào)整好0.2 MPa蒸汽管網(wǎng)的壓力，即利用溴化鋰制冷機(jī)組將合成汽包副產(chǎn)的低低壓蒸汽予以回收利用；③ 進(jìn)一步排查分廠可以使用低低壓蒸汽的用戶，聯(lián)通園區(qū)0.2 MPa蒸汽管網(wǎng)。以上優(yōu)化措施落實(shí)后，可回收合成汽包副產(chǎn)蒸汽約15 t/h。

3.6 溴化鋰制冷機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定

原因分析：由于選型方面存在問題，溴化鋰制冷機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定，出口冷水溫度波動較大(大致波動范圍在5～15 ℃)，影響乙二醇精餾系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，只能依靠現(xiàn)場操作人員通過調(diào)節(jié)機(jī)組蒸汽加入量和循環(huán)水流量來控制其出口冷水溫度，而循環(huán)水和蒸汽管線調(diào)節(jié)閥均為DN500蝶閥，難以精準(zhǔn)調(diào)控。

優(yōu)化改進(jìn)措施：與溴化鋰制冷機(jī)組生產(chǎn)廠家溝通，機(jī)組增設(shè)DN150自調(diào)閥旁路，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組循環(huán)水量的自動控制，其運(yùn)行穩(wěn)定性顯著提高，出口冷水溫度穩(wěn)定在8～10 ℃，滿足系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行所需。

3.7 小PSA裝置產(chǎn)品氫氣純度不達(dá)標(biāo)

原因分析：小PSA裝置程控閥時序時間設(shè)置不合適，預(yù)處理系統(tǒng)再生氣溫度(大致在65～70 ℃)達(dá)不到設(shè)計(jì)值，再生氣量不足，導(dǎo)致預(yù)處理系統(tǒng)再生不徹底，影響小PSA裝置產(chǎn)品氫氣純度。

優(yōu)化改進(jìn)措施：與設(shè)計(jì)廠家溝通，調(diào)整小PSA裝置運(yùn)行參數(shù)，縮減逆放、冷吹時間，縮短吸附塔吸附總時間；降低外送解吸氣氣量，提高羅茨鼓風(fēng)機(jī)出口壓力，從而提高羅茨鼓風(fēng)機(jī)出口溫度，進(jìn)而提高預(yù)處理系統(tǒng)再生氣溫度。

改進(jìn)效果：優(yōu)化調(diào)整后，小PSA裝置預(yù)處理再生氣溫度提高至80 ℃以上，羅茨鼓風(fēng)機(jī)反吹壓力提高至0.085 MPa，小PSA裝置產(chǎn)品氫氣純度由之前的98.1%提高至99.5%以上，滿足系統(tǒng)生產(chǎn)所需。

3.8 合成循環(huán)氣壓縮機(jī)組汽輪機(jī)蒸汽消耗高

原因分析：第二套煤制乙二醇裝置位于園區(qū)高壓蒸汽管網(wǎng)的末端，合成循環(huán)氣壓縮機(jī)組(2C201)汽輪機(jī)高壓蒸汽管網(wǎng)壓力低，平均在7.8～8.1 MPa之間(2C201設(shè)計(jì)用汽壓力為8.8 MPa)，導(dǎo)致汽輪機(jī)調(diào)速汽閥開度較大，機(jī)組最大蒸汽消耗量達(dá)105 t/h(設(shè)計(jì)100%負(fù)荷下汽耗為84.9 t/h)，遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)值，且高壓蒸汽管網(wǎng)壓力較低時曾導(dǎo)致汽輪機(jī)調(diào)速汽閥全開，汽輪機(jī)長期超負(fù)荷運(yùn)行，影響機(jī)組的使用壽命與安全穩(wěn)定運(yùn)行。

優(yōu)化改進(jìn)措施：據(jù)乙二醇合成系統(tǒng)運(yùn)行情況，在保證合成循環(huán)氣量≥250 km3/h的情況下將合成循環(huán)氣壓縮機(jī)(2C201)轉(zhuǎn)速由5 900 r/min降至5 600 r/min，并在保證安全運(yùn)行的前提下降低合成系統(tǒng)操作壓力至(0.32±0.01)MPa(以酯化塔塔頂壓力計(jì))；聯(lián)系前系統(tǒng)提高高壓蒸汽管網(wǎng)壓力，以末端壓力8.8 MPa為準(zhǔn)，減小汽輪機(jī)調(diào)速汽閥開度，使調(diào)速汽閥有一定的調(diào)節(jié)余量，進(jìn)而保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

改進(jìn)效果：經(jīng)過適當(dāng)降低合成系統(tǒng)壓力、降低2C201轉(zhuǎn)速以及提高高壓蒸汽管網(wǎng)壓力后，合成循環(huán)氣壓縮機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，汽輪機(jī)調(diào)速汽閥開度由100%降至75%，機(jī)組高壓蒸汽耗量由105 t/h降至93.5 t/h。

4 優(yōu)化改進(jìn)后乙二醇裝置運(yùn)行情況

上述優(yōu)化改進(jìn)措施全部落實(shí)后，龍宇煤化第二套乙二醇裝置于2020年11月26日提升至滿負(fù)荷運(yùn)行，運(yùn)行至今酯化系統(tǒng)最高加氧量4 800 m3/h，乙二醇最高日產(chǎn)量637 t，產(chǎn)品優(yōu)級品率100%，滿負(fù)荷運(yùn)行期間典型生產(chǎn)數(shù)據(jù)如下。

羰化反應(yīng)器前亞硝酸甲酯氣濃度最高為12.51%，羰化反應(yīng)器后合成循環(huán)氣中亞硝酸甲酯含量最低為5.96%，亞硝酸甲酯總轉(zhuǎn)化率約52.84%；合成汽包(2F201A)溫度119.9 ℃，反應(yīng)熱點(diǎn)溫度127.3 ℃，上水量約17.5 m3/h，羰化反應(yīng)器(2R201A/B)后循環(huán)氣中亞硝酸甲酯含量為6.05%/6.12%；合成汽包(2F201B)溫度115.5 ℃，反應(yīng)熱點(diǎn)溫度為124.5 ℃，上水量約13.2 m3/h，羰化反應(yīng)器(2R201C/D)后循環(huán)氣中亞硝酸甲酯含量為6.07%/6.04%，羰化系統(tǒng)亞硝酸甲酯轉(zhuǎn)化情況能夠滿足乙二醇裝置滿負(fù)荷運(yùn)行所需。

加氫系統(tǒng)循環(huán)氫氣量516 000 m3/h，加氫系統(tǒng)前系列汽包(2F301A)溫度160.7 ℃，補(bǔ)水14.95 m3/h，前系列加氫反應(yīng)器(2R301A/B/C)熱點(diǎn)溫度為174.4 ℃/172.5 ℃/170.3 ℃，2R301A/B/C壓差為32.6 kPa/27.2 kPa/25.4 kPa，前系列進(jìn)料緩沖罐(2V311A)壓差10.2 kPa；加氫系統(tǒng)后系列汽包(2F301B)溫度160.7 ℃，補(bǔ)水15.53 m3/h，后系列加氫反應(yīng)器(2R301D/E/F)熱點(diǎn)溫度為177.9 ℃/174.5 ℃/173.2 ℃，2R301D/E/F壓差為27.0 kPa/26.6 kPa/26.0 kPa，后系列進(jìn)料緩沖罐(2V311B)壓差9.4 kPa。乙二醇裝置負(fù)荷提升時加氫系統(tǒng)壓差比較穩(wěn)定，無明顯上漲趨勢。

硝酸再生系統(tǒng)硝酸再生塔(2T104A/B)液相進(jìn)料約55 m3/h，2T104A/B氣相進(jìn)料為4 000 m3/h/3 500 m3/h，2T104A/B床層熱點(diǎn)溫度81.8 ℃/82.3 ℃，2T104A/B進(jìn)口液相中硝酸含量約2.24%，經(jīng)催化轉(zhuǎn)化后，2T104A/B出口液相硝酸含量0.64%/<0.09%，2T104A/B硝酸再生轉(zhuǎn)化率71.43%/85.93%，硝酸再生總轉(zhuǎn)化率95.98%，硝酸再生系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好，滿足乙二醇裝置滿負(fù)荷生產(chǎn)所需。

5 結(jié)束語

龍宇煤化第二套200 kt/a乙二醇裝置經(jīng)過一系列優(yōu)化改進(jìn)后，于2020年11月26日提升至滿負(fù)荷運(yùn)行，最高日產(chǎn)量637 t，優(yōu)等品率100%；滿負(fù)荷運(yùn)行至今，日均乙二醇產(chǎn)量620 t，噸乙二醇消耗一氧化碳735 m3、氫氣1 629 m3、氧氣190 m3、各等級蒸汽約5.0 t，日均乙二醇產(chǎn)量及產(chǎn)品單耗均創(chuàng)同類裝置最好水平。