王 偉,馬少龍,杜 蕊
(陜西渭河煤化工集團有限責(zé)任公司,陜西 渭南 714000)
陜西渭河煤化工集團有限責(zé)任公司(簡稱陜西渭化)本部現(xiàn)有3套生產(chǎn)裝置,包括一期300 kt/a合成氨與520 kt/a尿素裝置(1996年5月投產(chǎn))、二期200 kt/a甲醇裝置(2006年5月投產(chǎn))、三期400 kt/a甲醇裝置(2011年3月投產(chǎn)),3套生產(chǎn)裝置前端系統(tǒng)(工藝氣、氧氣)和公用工程系統(tǒng)(蒸汽、鍋爐給水、脫鹽水、儀表空氣、工廠空氣等)互聯(lián)互通;其中,2套甲醇裝置均采用德士古水煤漿氣化、林德低溫甲醇洗凈化工藝,甲醇合成系統(tǒng)分別采用杭州林達均溫型甲醇合成工藝、卡薩利甲醇合成工藝,甲醇精餾系統(tǒng)均采用天津大學(xué)三塔雙效精餾工藝。為有效應(yīng)對日常生產(chǎn)經(jīng)營中的突發(fā)狀況,提升裝置運行效率及運行負(fù)荷,達到安全、環(huán)保、高效、節(jié)約、經(jīng)濟運行的整體目標(biāo),陜西渭化對甲醇儲存系統(tǒng)進行優(yōu)化改進,將二期甲醇裝置、三期甲醇裝置后端的粗甲醇儲罐與630甲醇產(chǎn)品罐[630甲醇產(chǎn)品罐為陜西渭河化工科技有限責(zé)任公司(簡稱渭化科技公司)100 kt/a二甲醚裝置的原料儲罐]進行了有效耦合連通,這對靈活調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品質(zhì)量等意義重大。以下對有關(guān)情況作一介紹。
陜西渭化二期甲醇裝置和三期甲醇裝置精餾系統(tǒng)均采用天津大學(xué)的節(jié)能型三塔雙效精餾工藝,系統(tǒng)操作彈性40%~130%,設(shè)計精甲醇產(chǎn)品質(zhì)量符合美國聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)“AA”級要求。
甲醇合成系統(tǒng)制得的粗甲醇經(jīng)粗甲醇進料泵加壓,預(yù)熱后送至預(yù)塔,預(yù)塔塔頂設(shè)置2臺冷凝器,Ⅰ級冷凝器將塔內(nèi)上升氣中的甲醇蒸氣大部分冷凝后送入預(yù)塔回流槽,并經(jīng)預(yù)塔回流泵送入塔頂作為回流液,不凝氣及輕組分、部分未冷凝甲醇蒸氣則進入Ⅱ級冷凝器進一步冷凝,將其中大部分甲醇蒸氣冷凝后,進入甲醇萃取槽用脫鹽水萃取,萃取液溢流入甲醇油貯槽,甲醇和水則自流入回流罐。預(yù)塔塔釜粗甲醇經(jīng)加壓塔進料泵加壓并與加壓塔塔釜出料換熱后進入加壓塔,加壓塔頂部甲醇蒸氣進入冷凝器與常壓塔釜液換熱,作為常壓塔熱源,甲醇蒸氣被冷凝后進入回流槽,一部分經(jīng)加壓后送至塔頂作為回流液,其余作為精甲醇產(chǎn)品送往中間槽。加壓塔塔釜粗甲醇經(jīng)加壓塔換熱器與加壓塔進料換熱后進入常壓塔,常壓塔頂部甲醇蒸氣經(jīng)冷凝后進入回流槽,再經(jīng)加壓后,一部分送往塔頂作為回流液,其余部分作為精甲醇產(chǎn)品送往中間槽,常壓塔塔釜粗甲醇經(jīng)汽提塔進料泵加壓后進入汽提塔,或與汽提塔塔底廢水混合進入汽提塔廢水冷卻器。常壓塔中下部設(shè)有側(cè)線采出,出料經(jīng)常壓塔側(cè)線采出泵加壓后送入汽提塔中部,汽提塔頂部蒸氣經(jīng)冷卻,冷凝液流入汽提塔回流槽,槽內(nèi)甲醇經(jīng)加壓后,一部分送往汽提塔塔頂作為回流液,其余部分作為精甲醇產(chǎn)品送往中間槽;汽提塔汽提所需熱量由再沸器提供,其塔板段中上部設(shè)有側(cè)線采出,采出的異丁基油和乙醇經(jīng)冷卻后進入甲醇油貯槽,塔釜廢水經(jīng)冷卻后加壓送至廢水處理系統(tǒng)或氣化磨煤工段。
陜西渭化二期甲醇裝置粗甲醇儲罐(V2812A/B)單臺容積502 m3,三期甲醇裝置粗甲醇儲罐(V8212A/B)單臺容積739 m3,630產(chǎn)品罐區(qū)甲醇儲罐(V3001A/B,簡稱630產(chǎn)品罐)單臺容積10 000 m3。正常生產(chǎn)中,甲醇合成系統(tǒng)等制得的含水粗甲醇進入粗甲醇儲罐,粗甲醇經(jīng)甲醇精餾系統(tǒng)精制后得到的精甲醇進入產(chǎn)品中間罐(V2807A/B),再通過精甲醇泵(P2807A/B)送至630產(chǎn)品罐(V3001A/B);V3001A作為渭化科技公司100 kt/a二甲醚裝置的原料儲罐,V3001B作為貿(mào)易甲醇儲罐接收低價購進的甲醇,最終均供渭化科技公司100 kt/a二甲醚裝置使用。
將二期甲醇裝置粗甲醇儲罐(V2812A/B)、三期甲醇裝置粗甲醇儲罐(V8212A/B)、630產(chǎn)品罐(V3001A/B)進行有效耦合連通,此舉可在特殊工況下協(xié)調(diào)粗甲醇儲罐區(qū)的存儲方式或存儲量,維持甲醇裝置粗甲醇儲罐前端甲醇合成系統(tǒng)負(fù)荷不變,甲醇合成系統(tǒng)產(chǎn)出的粗甲醇儲存在連通后的大甲醇儲罐系統(tǒng);同時,當(dāng)200 kt/a甲醇裝置長時間低負(fù)荷運行時,可以停運二期甲醇裝置后端甲醇精餾系統(tǒng),將前端甲醇合成系統(tǒng)產(chǎn)出的粗甲醇產(chǎn)品儲存在連通后的大甲醇儲罐系統(tǒng),通過提高陜西渭化三期甲醇裝置后端甲醇精餾系統(tǒng)負(fù)荷,將二期甲醇裝置產(chǎn)出的粗甲醇一并精餾,實現(xiàn)2套甲醇合成系統(tǒng)“并聯(lián)”運行,以降低生產(chǎn)消耗和系統(tǒng)能耗,進一步提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量,持續(xù)降低生產(chǎn)成本。陜西渭化甲醇儲存系統(tǒng)耦合連通技改如圖1(圖中虛線為耦合連通技改部分)。
圖1 甲醇儲存系統(tǒng)耦合連通技改示意圖
(1)2020年2月,受新冠疫情影響,甲醇滯銷庫存積壓,面臨脹罐壓力,倒逼系統(tǒng)降負(fù)荷運行,二期甲醇裝置負(fù)荷降至44%(蒸汽用量分別為預(yù)塔8.90 t/h、加壓塔23.30 t/h、汽提塔1.07 t/h),三期甲醇裝置負(fù)荷降至50%(蒸汽用量分別為預(yù)塔9.90 t/h、加壓塔51.40 t/h、汽提塔1.95 t/h),導(dǎo)致蒸汽浪費,系統(tǒng)產(chǎn)能利用率低。
(2)2020年6月,受國家“能耗雙控”政策影響,二期甲醇裝置停運。后綜合考慮一期合成氨/尿素裝置、三期甲醇裝置超負(fù)荷運行模式和3套裝置同時高負(fù)荷運行模式的生產(chǎn)成本,以及對未來甲醇市場的預(yù)期,決定恢復(fù)二期甲醇裝置運行。但由于二期空分裝置空壓機組透平大修后存在透平超速、振動超標(biāo)的問題,無法正常運行,只能協(xié)調(diào)一期合成氨/尿素裝置、二期甲醇裝置、三期甲醇裝置負(fù)荷分別為100%、45%、90%模式運行。
(3)2021年5月,三期甲醇裝置進行為期7 d的搶修后,三期甲醇精餾系統(tǒng)常壓塔精甲醇產(chǎn)品水含量高達0.28%(合格指標(biāo)為0.1%以下),精甲醇儲罐(V8207A)產(chǎn)品水含量高達0.15%,精甲醇產(chǎn)品質(zhì)量不合格,且預(yù)塔進料量96 m3/h,加壓塔采出量35 m3/h,常壓塔采出量40 m3/h,三期粗甲醇儲罐(V8212A/B)液位偏高;與此同時,二期甲醇精餾系統(tǒng)預(yù)塔進料量只有38 m3/h,二期粗甲醇儲罐(V2812A/B)液位僅為13%,粗甲醇儲存調(diào)節(jié)空間大。
(4)2021年8月,陜西渭化在“能耗雙控”方面持續(xù)發(fā)力,制定了煤耗總量控制方案,確立了2021年用煤總量小于2 098.5 kt的控制目標(biāo),但截至2021年6月底,陜西渭化本部的煤耗總量就達1 218 kt,面對異常嚴(yán)峻的節(jié)煤形勢,生產(chǎn)部門研究制定了“3臺燃煤鍋爐(正常生產(chǎn)4臺鍋爐+3套裝置高負(fù)荷運行,1臺鍋爐備用,鍋爐四開一備)+3套裝置”低負(fù)荷運行模式,即一期合成氨/尿素裝置負(fù)荷100%、二期甲醇裝置負(fù)荷45%、三期甲醇裝置負(fù)荷90%。
3.2.1 二期甲醇裝置低負(fù)荷(45%)工況
2020年6月20日二期甲醇裝置45%負(fù)荷下,甲醇精餾系統(tǒng)消耗如下:蒸汽用量27.4 t/h,分別為預(yù)塔7.8 t/h、加壓塔18.6 t/h、汽提塔1.0 t/h;運行泵功率(電耗)176 kW,分別為加壓塔進料泵45 kW、預(yù)塔回流泵22 kW、加壓塔回流泵18.5 kW、常壓塔廢水泵4 kW、汽提塔廢水泵11 kW、精甲醇泵30 kW、常壓塔回流泵22 kW、汽提塔回流泵5.5 kW、預(yù)塔進料泵15 kW、甲醇油輸送泵3 kW。
2021年8月26日二期甲醇裝置45%負(fù)荷下,甲醇精餾系統(tǒng)消耗如下:蒸汽用量34.4 t/h,分別為預(yù)塔11.3 t/h、加壓塔21.9 t/h、汽提塔1.2 t/h;運行泵功率(電耗)176 kW,分別為加壓塔進料泵45 kW、預(yù)塔回流泵22 kW、加壓塔回流泵18.5 kW、常壓塔廢水泵4 kW、汽提塔廢水泵11 kW、精甲醇泵30 kW、常壓塔回流泵22 kW、汽提塔回流泵5.5 kW、預(yù)塔進料泵15 kW、甲醇油輸送泵3 kW。
總之,二期甲醇裝置45%負(fù)荷運行,甲醇精餾系統(tǒng)蒸汽消耗在27~35 t/h,運行泵功率(電耗)176 kW。
3.2.2 三期甲醇裝置90%負(fù)荷與116%負(fù)荷工況
2021年8月26日三期甲醇裝置90%負(fù)荷下,甲醇精餾系統(tǒng)消耗如下:蒸汽用量71.5 t/h,分別為預(yù)塔13.0 t/h(進料量78.81 m3/h)、加壓塔56.7 t/h、汽提塔1.8 t/h;運行泵功率(電耗)321.2 kW,分別為加壓塔進料泵90 kW、預(yù)塔回流泵26 kW、加壓塔回流泵55 kW、汽提塔進料泵11 kW、汽提塔廢水泵15 kW、精甲醇泵22 kW、常壓塔回流泵37 kW、汽提塔回流泵7.5 kW、常壓塔側(cè)線采出泵2.2 kW、廢液泵18.5 kW、粗甲醇進料泵26 kW、甲醇油輸送泵11 kW。
2020年6月14日三期甲醇裝置116%負(fù)荷下,甲醇精餾系統(tǒng)消耗如下:蒸汽用量70.089 t/h,分別為預(yù)塔11.429 t/h(進料量101.00 m3/h)、加壓塔56.878 t/h、汽提塔1.782 t/h;運行泵功率(電耗)321.2 kW,分別為加壓塔進料泵90 kW、預(yù)塔回流泵26 kW、加壓塔回流泵55 kW、汽提塔進料泵11 kW、汽提塔廢水泵15 kW、精甲醇泵22 kW、常壓塔回流泵37 kW、汽提塔回流泵7.5 kW、常壓塔側(cè)線采出泵2.2 kW、廢液泵18.5 kW、粗甲醇進料泵26 kW、甲醇油輸送泵11 kW。
總之,三期甲醇精餾系統(tǒng)負(fù)荷在90%~116%之間,蒸汽消耗量變化不大,通過停運低負(fù)荷(45%)二期甲醇精餾系統(tǒng)、三期甲醇精餾系統(tǒng)加負(fù)荷(負(fù)荷由90%提升至116%)運行,不僅可實現(xiàn)甲醇產(chǎn)量不減,而且可節(jié)約蒸汽、藥劑、脫鹽水、電、循環(huán)水用量,實現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)的經(jīng)濟運行。
2018年1月1日,2#鍋爐因引風(fēng)機連軸節(jié)螺栓斷計劃停爐,二期空分裝置、一期合成氨/尿素裝置配套發(fā)電機停運,二期甲醇裝置低負(fù)荷運行持續(xù)至1月12日;2018年2月1日,2#氣化爐壓差高跳車,二期甲醇裝置低負(fù)荷運行持續(xù)至2月9日;2018年8月8日,4#鍋爐省煤器泄漏,二期空分裝置停運,二期甲醇裝置低負(fù)荷運行持續(xù)至8月22日;2018年9月1日,二期甲醇裝置產(chǎn)品甲醇中乙醇含量高達680×10-6,產(chǎn)品甲醇返粗甲醇儲罐重新精餾,二期甲醇裝置低負(fù)荷運行1 d;2018年10月8日,5#鍋爐跳車,手動停二期空分裝置空壓機、發(fā)電機,二期甲醇裝置低負(fù)荷運行持續(xù)至10月25日;2019年2月8日,4#鍋爐空預(yù)器漏致跳車,二期甲醇裝置低負(fù)荷運行持續(xù)至2月13日;2019年2月25日,3#鍋爐省煤器漏,停二期空分裝置、發(fā)電機,二期甲醇裝置低負(fù)荷運行持續(xù)至3月10日;2019年7月5日,因電氣系統(tǒng)UPS故障,一期合成氨/尿素裝置配套空壓機及后續(xù)系統(tǒng)停車、尿素裝置停車,二期甲醇裝置低負(fù)荷運行持續(xù)至8月大修;2019年10月3日,二期空壓機停運,二期甲醇裝置低負(fù)荷運行持續(xù)至10月16日;2019年12月30日,2#鍋爐水冷壁泄漏擴大,二期空壓機計劃停車,二期甲醇裝置低負(fù)荷運行持續(xù)至2020年1月1日;2020年1月20日二期甲醇裝置精甲醇產(chǎn)品水含量不合格,系統(tǒng)減負(fù)荷至45%運行1 d;2020年1月31日,二期空壓機檢修,二期甲醇裝置低負(fù)荷運行持續(xù)至2月26日;2020年6月13日,二期甲醇裝置大修后重啟,低負(fù)荷運行持續(xù)至7月4日;2020年7月31日,二期空壓機計劃停車,二期甲醇裝置低負(fù)荷運行持續(xù)至8月13日;2020年12月1日,二期空壓機手動停車,二期甲醇裝置低負(fù)荷運行至12月2日;2021年8月9日,據(jù)陜西渭化煤耗情況,啟動“3臺鍋爐+3套裝置”運行模式,二期空壓機、發(fā)電機停運,二期甲醇裝置低負(fù)荷運行持續(xù)至2021年9月11日。綜合統(tǒng)計近年二期甲醇裝置低負(fù)荷運行天數(shù),平均每年二期甲醇裝置低負(fù)荷運行43.75 d。
二期甲醇精餾系統(tǒng)生產(chǎn)消耗見表1(注:“消耗定額”指滿負(fù)荷工況下生產(chǎn)噸甲醇消耗公用工程介質(zhì)設(shè)計值,“消耗量”指滿負(fù)荷工況下公用工程介質(zhì)每小時消耗量,數(shù)據(jù)均源自陜西渭化二期200 kt/a甲醇裝置基礎(chǔ)設(shè)計包)。在“3臺鍋爐+3套裝置”運行模式下,依托3套裝置甲醇儲罐的有效耦合連通,若二期甲醇精餾系統(tǒng)停運,可以節(jié)約二期甲醇裝置前端副產(chǎn)的S3蒸汽(1.0 MPa、200 ℃)34.4 t/h,二期S2蒸汽(4.0 MPa、400 ℃)至S3蒸汽減壓站減壓閥(PV8305)開度30%,1#發(fā)電機小時發(fā)電量18 000×104kW,富余的S3蒸汽可以通過減壓站調(diào)節(jié)至S2蒸汽管網(wǎng)發(fā)電,預(yù)計小時可發(fā)電6 880 kW;同時,供水車間一期余熱發(fā)電機小時發(fā)電量為4 000 kW,富余的S3蒸汽可以通過減壓站調(diào)節(jié)至S4蒸汽(0.34 MPa、150 ℃)管網(wǎng)發(fā)電,預(yù)計小時可發(fā)電4 000 kW。
表1 二期甲醇精餾系統(tǒng)生產(chǎn)消耗
據(jù)統(tǒng)計,二期甲醇裝置每年平均低負(fù)荷(45%)運行約43.75 d,3套裝置甲醇儲罐實現(xiàn)有效耦合連通后,二期甲醇精餾系統(tǒng)可直接停運,通過提高三期甲醇裝置后端甲醇精餾系統(tǒng)的負(fù)荷,將二期甲醇裝置產(chǎn)出的粗甲醇一并精餾,實現(xiàn)2套甲醇合成系統(tǒng)“并聯(lián)”運行。以二期甲醇精餾系統(tǒng)甲醇產(chǎn)量297 t/d計,其直接經(jīng)濟效益計算如下。
(1)節(jié)約S3蒸汽用量34.4 t/h,按照陜西渭化冬季采用S3蒸汽為渭南高新區(qū)供暖的現(xiàn)階段市場價格120元/t計,年節(jié)汽效益為34.4×24×43.75×120÷10000=433.4萬元。
(2)生產(chǎn)噸甲醇消耗脫鹽水0.34 t,脫鹽水價格以5元/t計,年節(jié)約脫鹽水量成本297×0.34×43.75×5÷10000=2.2萬元。
(3)生產(chǎn)噸甲醇電耗7.24 kW·h,電價以0.5元/(kW·h)計,年節(jié)約用電成本297×7.24×43.75×0.5÷10000=4.7萬元。
(4)節(jié)約的S3蒸汽可轉(zhuǎn)化為S4飽和蒸汽發(fā)電,以10 t/h飽和蒸汽小時發(fā)電1 000 kW計,年節(jié)約用電成本34.4÷10×1000×24×43.75×0.5÷10000=180.6萬元。
總之,二期甲醇裝置低負(fù)荷運行時,依托3套裝置甲醇儲罐的有效耦合連通,停運二期甲醇精餾系統(tǒng)、三期甲醇精餾系統(tǒng)加負(fù)荷運行,在實現(xiàn)甲醇產(chǎn)品產(chǎn)量不變的前提下,年可節(jié)約運行成本數(shù)百萬元。
(1)在二期甲醇裝置負(fù)荷過高的情況下,可以輸送一部分二期粗甲醇至三期甲醇精餾系統(tǒng)精餾,維持精甲醇產(chǎn)品中乙醇含量在50×10-6以內(nèi),確保精甲醇優(yōu)等品率100%;同時,3套裝置甲醇儲罐系統(tǒng)連通后多了一種選擇,三期甲醇儲罐甲醇可以送往630產(chǎn)品罐/191甲醇產(chǎn)品罐區(qū)儲存,也可以送往二期甲醇儲罐儲存;目前,三期甲醇精餾系統(tǒng)高效節(jié)能改造正在實施中,改造完成后,其性能將會得到顯著提升,會進一步拓寬二期、三期甲醇裝置粗甲醇儲罐連通后系統(tǒng)負(fù)荷提升的空間。
(2)“4臺鍋爐+3套裝置”運行模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤?臺鍋爐+3套裝置”運行模式時,可以停運二期甲醇精餾系統(tǒng),減少設(shè)備損耗與電力、循環(huán)水、脫鹽水、蒸汽、藥劑、冷凝液、低壓氮氣消耗,降低系統(tǒng)整體能耗的同時保持優(yōu)級品甲醇、尿素總產(chǎn)量不變,并且可利用節(jié)約的蒸汽增加發(fā)電量,進一步提高裝置運行的經(jīng)濟性。
(3)三期甲醇裝置在甲醇合成催化劑使用末期經(jīng)常性地出現(xiàn)水冷器(E8102)結(jié)蠟現(xiàn)象,導(dǎo)致水冷器后工藝氣溫度高達56 ℃,嚴(yán)重影響甲醇的分離效果和甲醇合成催化劑的使用壽命、合成氣壓縮機的運行負(fù)荷。甲醇存儲系統(tǒng)有效耦合連通后,此種情況下可在三期甲醇裝置前端甲醇合成系統(tǒng)開車運行后,僅通過三期甲醇精餾系統(tǒng)加負(fù)荷繼續(xù)保持系統(tǒng)的運行狀態(tài),持續(xù)產(chǎn)出甲醇,從而有效避免系統(tǒng)停運及減少甲醇精餾系統(tǒng)開停車過程中的蒸汽損耗。
(4)“3臺鍋爐+3套裝置”低負(fù)荷運行模式下,二期甲醇精餾系統(tǒng)停運,可在很大程度上減少廢水排放、減少甲醇油的產(chǎn)出,助力環(huán)保工作;且產(chǎn)能更大的三期甲醇精餾系統(tǒng)工況更穩(wěn)定、操控更平穩(wěn)、精餾效果更好,精甲醇產(chǎn)品品質(zhì)顯著提高,利于產(chǎn)品品牌建設(shè),可提升產(chǎn)品競爭力,促進企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展與利潤增長。
(5)目前渭化科技公司100 kt/a二甲醚裝置正在試用二期甲醇精餾系統(tǒng)前端的粗甲醇作為原料,改變一直以來以精甲醇產(chǎn)品作為二甲醚生產(chǎn)原料的生產(chǎn)方式,試驗完成后,依托2套甲醇裝置粗甲醇儲罐與630產(chǎn)品罐的有效耦合連通,二期甲醇精餾系統(tǒng)可以考慮長期停運,由此僅節(jié)約S3蒸汽這一項年就可節(jié)約生產(chǎn)成本2 000萬元以上,經(jīng)濟效益相當(dāng)可觀。
依托歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù),陜西渭化在充分分析與探討3套裝置甲醇儲存系統(tǒng)耦合連通運行必要性的基礎(chǔ)上,于2023年5月大修期間實施了甲醇儲存系統(tǒng)的耦合連通技改,技改后的運行實踐表明,此舉為陜西渭化生產(chǎn)經(jīng)營開辟了多種運行模式,降低了系統(tǒng)總體生產(chǎn)成本;今后通過不斷地研究與創(chuàng)新,有望進一步提高精甲醇產(chǎn)品品質(zhì)、降低系統(tǒng)能耗,并推動甲醇儲存系統(tǒng)耦合連通后更多應(yīng)用場景的開發(fā)(比如目前正在探索的渭化科技公司100 kt/a二甲醚裝置試用粗甲醇作為原料的生產(chǎn)方式),為其他相關(guān)介質(zhì)的連通應(yīng)用提供參考與借鑒,為企業(yè)帶來更好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。