高效冷却方式在焦炉气合成甲醇中的应用

刘生华，汪银平，龚春香，苗付杰

(盛隆化工有限公司，山东滕州 277519)

高效冷却方式在焦炉气合成甲醇中的应用

刘生华，汪银平，龚春香，苗付杰

(盛隆化工有限公司，山东滕州 277519)

鉴于焦炉煤气制甲醇合成冷却系统中U形管冷却器在使用中存在的问题，将U形管冷却器改造成复合蒸发式空冷器，增强了甲醇设备运行的稳定性，提高甲醇换热效率。减少了原冷却过程中的维修频率，使用清水对冷却器的清洗，节约了水资源。实践表明，该冷却器的应用经济、环保效益明显。

甲醇;合成;冷却;高效;应用

盛隆化工有限公司以焦炉气为原料的10万t/a甲醇装置于2006年9月份投产，混合气合成系统为甲醇生产的关键装置，原水冷器为U形管换热器，换热面积991 m2，消耗循环水量1 300 m3/h，使用过程中由于甲醇的腐蚀，造成U形管换热器泄漏，冲击循环水管道，引起循环水中有机物超标(仅2008年5月、9月及2009年7月就发生三次换热器泄漏事件，装置被迫停产检修);同时该换热器冷却效果差，尤其夏季时换热效果不好，换热器后工艺指标达不到要求，循环气中甲醇含量超标，带入合成塔，影响甲醇质量及产量。通过将U形管换热器改造成新型复合式蒸发冷却器有效解决这一难题。

1 甲醇合成工艺

原料气由转化工段预热后进入二合一压缩机经两级压缩后形成压力为4.0～5.9 MPa、温度80℃的合成气，随后进入气气换热器的壳层，由来自甲醇合成塔的热气体预热到205～225℃，然后进入甲醇合成塔上部。反应器管内装有C309铜基低压合成催化剂，当合成气进入含催化剂管层后，设备内H2与CO、CO2反应生成CH3OH和H2O，同时副反应生成微量的其它杂质。合成甲醇反应过程中释放出大部分热量由合成塔壳层的压力3.9MPa、温度249℃的副产蒸汽带走，将该蒸汽减温减压到0.7 MPa左右并入低压蒸汽管网。此时，通过调节合成塔顶部汽包的压力来控制催化剂层的温度及合成塔出口温度。合成塔反应生成热反应气(压力5.6 MPa、温度225℃)经气气换热器换热管层后，被冷却到80～100℃后，由气气换热器管层出来的混合气体进入U形管换热器，温度降至40℃以下，甲醇冷凝成液体，随后进入甲醇分离器分离出粗甲醇。分离出粗甲醇后的气体(压力为5.45 MPa，温度为40℃)大部分返回到合成气压缩机的循环段，经加压后，循环使用。为了防止合成系统中惰性气体的积累，运行中需要连续地释放部分循环气，作为弛放气送往焦炉或转化燃烧。整体工艺流程如图1所示。

图1 合成工艺流程图

2 U形管换热器存在问题

使用过程中发现:①由于甲醇及循环水的腐蚀，造成U形管换热器泄漏，4.0MPa的混合气进入0.4 MPa的循环水管道，巨大压差冲击循环水管道(2008年5月将循环水回水管撕裂)，增加了甲醇停车维修率。②少量甲醇进入循环气中，增大了二合一压缩机的负荷。③降低粗甲醇合成效率;合成副反应增加，副产物增多，降低了粗甲醇品质。④少量甲醇随弛放气排出，造成浪费、污染环境。经测算，此现象发生前后，合成甲醇吨消耗焦炉气由1 868 Nm3上升为2 030 Nm3，按日产250 t甲醇计算，日损失甲醇23.4 t。

3 冷却改造方案

为从根本上解决问题，盛隆公司经过多方考察论证，于2010年5月利用甲醇合成装置西侧空置区域设计增加两套复合型变频蒸发式冷却器设备，在U形管换热器进出口管道处并联接入蒸发冷冷却器(如图2)。

图2 复合型蒸发式冷却器工作原理

该冷却器以水和空气为冷却介质，在设备内部通过循环冷却水的蒸发吸热和外部含水蒸气的空气热传递将高温气体或介质(水在一个大气压下的汽化热为2 386.48 kJ/kg)冷却。运行中高温高压气体或高温液体从盘管部件和翅片部件顶部集管进入，被分配给每根冷却盘管，而循环冷却水由冷却器底部水泵送至冷却盘管部件上部的喷淋水管中，由喷嘴均匀地喷淋在盘管的外表面，冷却管内的热量通过管壁传给管外表面的冷却水从而形成一层很薄的水膜，实现热量的交换。蒸发的水膜穿过热盘管后使得空气湿度增加而达到饱和状态，随后由风机从管束中抽出饱和的湿空气，并使其穿过收水器(位于喷淋分配器上方)，从而再一次将热量进行交换。最后饱和的湿空气由上部风机抽排至设备外进入大气中，加速管外表面水膜的蒸发。其余没有被蒸发的冷却水吸收部分热后在重力作用下流入底部的集水箱中，与补充的新鲜水混合供喷淋水泵循环使用(如图2)。

本系统在进脱盐水箱的两根现有的冷凝液管道上取其中一根，连接DN80管道三通分到两侧蒸发水池中，用于补充新鲜水。

4 复合型蒸发式冷却器特点

①复合式的应用，即水冷与空冷的结合。改变设备冷却介质进口的收水器，依靠翅片加强散热，这样做的优点:a.缓解管壁结垢，经过空冷散热后介质温度降低到70℃以下，这样管壁结垢的速率很慢或者不结垢;b.消除白雾现象，高温的介质散热这样可以提高通过收水器的水汽温度，降低外排气的相对湿度，没有白雾现象;c.缓解腐蚀。厂区空气含液滴数量少，同时防止水汽液滴吸收厂区的有害气体而导致的管道设备表面腐蚀;d.由于空冷散发一定的热量，比单一的蒸发冷热负荷降低30%左右，所以节水;e.减小设备应力，空冷段、蒸发冷段每一段的温度差都减小，设备的整体应力也明显减小。

②被冷却介质的出口温度传入DCS控制系统，员工不需进行操作，系统使用变频调节风扇转速，可以有效节能节电。

③收水器采用折流板收水，在不降低收水效率的前提下，降低来收水层的阻力，减小的风机功耗，也可以节电。

④设备采用厚壁管材，尤其是弯头部位采用裕量更大(1.5倍以上)的管材可以明显延长设备的使用寿命。

⑤设备采用模块化，提高运行效率。某一模块出现泄漏等问题，可以关闭该模块，其他模块仍可以保证生产需要。

⑥消除了整体应力:复合式分两段可以减少大部分应力;换热管束与管板不焊接固定，温差较大的设备管束与管板不固定;而且管板开口明显大于管径，可以降低振动产生的破坏应力。

U形管换热器与复合型变频蒸发式冷却器技术规格对比如下:Φ1 500卧式U形管式换热器;A= 991 m2，双管程双壳程，换热管Φ19×2，L=6 000 mm，管程操作温度为:40～100℃，操作压力为: 5.55MPa;壳程操作温度为32～42℃;操作压力为0.35 MPa;介质为循环水。复合型蒸发式冷却器:外形尺寸为9 470 mm×3 800 mm×5 115 mm;设计压力为6.3MPa;设计温度为180℃;排风量为7 200 kW;风量为8×9 000 m3;水量2×336 m3/h，介质为冷凝液或循环水。

5 实施效果

自2011年9月份复合型变频蒸发式冷却器投入使用以来，装置运行平稳可靠。冷却器后混合气温度可达到37℃，满足混合气≤40℃的工艺要求。降低了二合一机组的运行负荷，保证了粗甲醇合成品质和合成效率，大大提高了企业经济效益。同时减少由于U形管换热器泄漏造成停产维修的频次，以及由此引起循环水中有机物超标对冷却器的清洗，减少维修频次，运行中如在负荷允许或温度较低的情况下风水混合冷却器可关闭循环冷却水或风机，只依靠风冷或水冷使甲醇冷凝，进一步节约了水电资源。该冷却方式在甲醇空分、转化、合成、精馏的应用值得推广。

TQ051.61

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1003-3467(2015)10-0050-03

2015-07-28

刘生华(1981-)，男，助理工程师，从事煤化工安全生产管理工作，电话:13869444774。