300kt/a甲醇装置系统能量优化

王会升

（中国平煤神马集团蓝天化工股份有限公司，河南驻马店463000）

300kt/a甲醇装置系统能量优化

王会升

（中国平煤神马集团蓝天化工股份有限公司，河南驻马店463000）

介绍了一套300kt/a的天然气制甲醇装置的系统能量优化，包括蒸汽及余热回收系统优化，循环水系统优化和提高甲醇合成单程转化率、降低循环比。

甲醇生产；能量优化

平煤蓝天化工300kt/a甲醇装置于2006年建成投产，该装置采用一段转化、中压合成、前补碳、三塔精馏工艺，原设计电耗为150kWh/t。经过几年的运行及工程技术人员的不断探索，大胆创新，采取余压余热综合利用等措施，截止目前，下降至70 kWh/t，综合能耗下降至32GJ/t，每年可节约标准煤7200t，取得了较大的社会效益及经济效益。现将系统能量优化采取的措施及改造归纳总结，供同行业参考。

1 蒸汽及余热回收系统优化

1.1 排烟余热回收

该装置采用天然气一段转化工艺，其一段转化炉排烟温度原设计为136℃，实际运行温度为160℃，烟气量为160000Nm3/h，损失的热量为4.16GJ/h，该厂技术人员采取在转化炉对流段增设一组换热盘管，对锅炉给水进行加热，改造后每小时能多产高压蒸汽1t，可替代电力消耗约100kWh。对低品位的烟气热量如何再进行回收，同时又保证设备不出现露点腐蚀，值得深入探究。

1.2 蒸汽回收

该厂蒸汽系统共有4个压力等级，分别为10.1MPa(G)、2.5 MPa(G)、0.5MPa(G)、0.2 MPa(G)。其中10.1MPa(G)蒸汽由转化废锅产生，用来驱动合成气压缩机，该汽轮机为抽汽凝汽式，抽出2.5MPa(G)蒸汽一部分作为工艺蒸汽进入转化炉，一部分直接减温减压至0.5MPa(G)蒸汽管网，作为甲醇精馏的热源。该部分蒸汽约有20t，通过计算，发现直接减温减压损失的能量2000kW左右，该厂将锅炉给水泵（800kW）、转化炉引风机（400kW）由电机驱动改为汽轮机驱动，可节约电力消耗在1000kWh/h左右，全年可节约800万kWh。

2 循环水系统能量优化

2.1 控制循环水进出口温差

该装置循化水设计循环量为12000m3/h，上回水温差为8℃，循环水压力为0.4MPa，有4台710kW的循环水泵运行。通过对上回水温差的观测，发现上回水的温差一直在5℃左右，说明整个系统的循坏水流量偏大，所以该厂组织技术人员对全厂所有冷却器的循环水进出口的温差进行测量，发现温差低于8℃的，对其进口阀门进行控制，直至其循环水进出口温差不小于8℃。通过调整，成功停运1台710kW的循环水泵，每年可节约电力消耗500多万kWh。

2.2 部分风机由电驱动改为水轮机驱动

敞开式循环水装置一般采取轴流风机对循环水进行冷却，该厂循环水装置一共设置4台功率为132kW的风机，为了满足装置高点换热器的进水需求，循环水回到凉水塔的压力，一般都控制在0.2MPa左右，如果将这0.2MPa的余压利用上，每小时将产生200多kW的功率，所以将其中2台风机由电机驱动改为水轮机驱动。

2.3 循环水水量采取无级调节

循环水装置的水量应采取无级调节的方式进行调节，随着装置负荷的升降，随时进行调节，可以对循坏水泵电机采用变频的方式来实现。

3 提高合成单程转化率、降低循环比

在甲醇合成过程中，气体通过催化剂床层的单程转化率CO约为45%，CO2约为30%，为了提高CO、CO2总的转化效率，必须让出塔气体排出一部分惰性气体后再进行循环，为此需设置一台循环压缩机专门用于该部分气体循环，而循环量的高低直接决定着循环机的电耗。影响单程转化率的因素主要有操作压力、反应温度、原料气组成、催化剂活性和空速。

3.1 维持适宜操作压力

甲醇合成反应为体积缩小的反应，提高压力有利于反应向正方向进行，但是压力过高，又会增加合成气的压缩功。所以，甲醇合成反应应确定一个适宜的压力，一般30万t/a甲醇装置合成压力为5.0MPa。

3.2 控制热点温度

在催化剂使用初期，通常控制较低的热点温度，这样可以延缓铜基催化剂金属晶体的生长速度，较好地保护催化剂的活性。但如果热点温度过低，达不到反应的最佳条件，合成反应同样会受到限制。一般认为，催化剂的催化活性起活温度并不是甲醇合成最适宜的热点温度。最适宜的热点温度不仅与催化剂起活温度有关，而且还受操作压力的影响，这是因为化学反应速度和化学平衡主要是靠操作压力和热点温度推动，但这两者的推动结果是不一样的。对甲醇合成而言，并不是温度越高其反应速度就越快。当温度升高到一定限度时，伴随着各类副反应与甲醇合成反应竞争的发生和反应深化的加剧，甲醇合成的反应速度会降低。所以，在操作压力一定的情况下，应通过不断优化，找出最适宜的热点温度，以使甲醇合成气体总转化率达到最大。

3.3 优化入塔气成分

从甲醇合成的化学方程式来看，合成甲醇的CO和CO2对化学平衡的推动有很大的影响，CO和CO2不同配比，引起各自的单程转化率有很大差别。这主要是因为催化剂对CO2和CO的催化选择性不同造成的。一般在低温下催化剂对CO2反应的选择性要大于对CO的选择性，所以CO和CO2要有一个科学的配比，严格进行物料衡算。催化剂在不同的使用时期对CO2和CO有不同的配比要求。使用初期，由于催化剂活性较高，应尽可能地维持较高的氢碳比，让CO2多参加反应，控制CO的含量，稳定热点温度。针对这一思路，本公司通过技术论证和技术改造，采用入塔合成气体高氢碳比运行。

另外，从反应热来看，CO合成甲醇放出的反应热高于CO2合成甲醇的反应热。在生产中我们充分认识到移热才是增产的关键，这有利于维持热点温度的稳定，延长催化剂的低温活性。只有在催化剂使用后期，才通过提温或增加CO的含量来刺激催化剂的高温活性，以达到维持产量的目的。

甲醇合成气体中的惰性气体也是影响入塔合成气体单程转化率的因素之一。生产中通过弛放部分气量调整系统压力的方法来保证参加反应有效气体的分压，并把弛放气送入燃料气管网作气体燃料。生产中一般控制循环气中惰性气体体积分数为18%～22%。

3.4 优选催化剂和优化运行参数

催化剂的活性在很大程度上受催化剂本身及催化剂还原操作和还原程度的影响，这种影响一般在还原结束时就已经形成。操作中，应尽可能维持稳定的气体成分和热点温度，防止热点温度变化过大。通过对运行中工艺参数的分析、计算可以得出合成气体的转化率，并以此评定催化剂的活性，作为优化工艺指标、调整和考核运行参数的依据。本装置采用的XNC-98型甲醇合成催化剂，具有良好的低温活性。

3.5 优化反应空速

反应采用较低的空速，反应过程中气体混合物的组分与反应平衡较接近，转化率较高，但催化剂的生产强度降低。较小的空速使气体循环的动力消耗较低，入塔预热器达到入塔气体预热程度所需的换热面积就小；较大的空速使催化剂的生产强度增加，但增大了预热所需的换热面积，热能利用率降低，增加了动力消耗，并且由于反应后气体混合物中反应产物减少，因换热效果差，造成反应产物难以冷凝、分离。

总之，工艺条件（运行参数）在很大程度上影响了甲醇合成气体的转化率，制约了装置高产、低耗目标的实现。因此，实际生产中，应通过分析，计算出甲醇合成气体在催化剂不同使用时期的单程转化率，找出影响甲醇合成反应单程转化率的主要因素，制定相应的操作运行条件，在工艺条件许可的情况下优化操作，达到高效运行，尽可能提高甲醇合成反应的单程转化率，降低循环气量，从而实现循环功的降低。

4 结语

通过本厂技术人员的不懈努力与探索，300kt/a甲醇装置工艺优化和技术改造使其能耗得到了降低，每年节约标煤7200t，取得了较为明显的经济效益和社会效益。随着科技和装备的进步，化工厂产生的低品位热源及余压如何得到有效利用，值得深入探究。

Energy optimization of a 300kt/a methanol production plant

WANG Hui-sheng
(China Pingmei Shenma Group Lantian Chemical industry Co.,Ltd.,Zhumadian 463000,China)

Energy-saving optimization of a 300 kt/a natural gas-based methanol plant was described,which included the optimization of the steam,waste heat recovery and circulating water systems,the improvement of single pass conversion and the reducement of recycle ratio.

methanol production;energy optimization

TQ223.121

B

1001-9219(2016）02-75-03

2016-02-19；作者简介：王会升（1981-），工学学士，工程师，电话15346393099，电邮kinghs@163.com。