甲醇装置高负荷运行瓶颈探究

崔晓宇(榆林职业技术学院，陕西 榆林 719000)

0 引言

甲醇装置是煤制烯烃项目主要的工艺生产装置之一，生产的MTO级甲醇可作为下游烯烃装置的原料。本文以某国内大型煤化工甲醇装置为例进行介绍，该装置采用英国Davy公司的大规模甲醇合成工艺技术，生产能力为180万吨/年，5500吨/天(按100%负荷甲醇计)，此外还设有氢回收单元，其中包括两套膜分离单元，一套PSA单元。目前高负荷生产过程中，存在催化剂床层温度高、甲醇水冷器冷却效果差、合成气压缩机GV阀开度大、驰放气气量增大的问题，如何解决制约高负荷生产的瓶颈成为稳定运行的关键。

1 甲醇装置高负荷运行中存在的问题

甲醇装置设计满负荷为51万Nm3/h气量，目前平均负荷为56～57万Nm3/h，加上氢回收返氢量后进入合成气压缩机的气量可达到57～58万Nm3/h，负荷达到117%，高负荷运行过程中主要存在以下问题：

1.1 催化剂床层温度高

随着负荷的提升，合成塔催化剂上部和底部床层温度开始上升，个别床层中间部分的温度点偶尔升高至报警值，若继续加负荷可导致床层温度高联锁跳车。

原因分析：装置提负荷的过程中，合成气压缩机转速也需要适当提高，但是因为系统循环气量大，合成气压缩机已达到最大处理能力，压缩机GV阀已开至95%，若GV阀持续维持在较大开度，容易造成机组轴振动、轴位移波动，导致机组联锁跳车。为了保证机组的正常运行，只能通过降低转速或者降负荷方法使得GV阀开度变小，降低转速的同时合成塔空速降低合成系统床层温度升高。

1.2 甲醇水冷却器后温度高

甲醇水冷却器使气体甲醇冷凝成甲醇液体，同时降低未反应的气体温度返回压缩机循环使用。随着季节环境温度的上升，在高负荷运行下，水冷却器换热效果变差，甲醇气体不能有效冷却，甲醇气体直接带入循环气压缩机及合成塔影响甲醇反应的进行。

原因分析：甲醇装置合成塔出口气体经过空冷器和水冷器后进入粗甲醇分离器的温度高达60℃(设计要求是45℃)，导致粗甲醇分离效果不好，致使压缩机负荷增加、合成塔的单程转换率下降，入塔气中的甲醇含量较高，不利于甲醇反应的进行，同时易生成副产物二甲醚、高级醇。因此，现有装置运行时，空冷器和水冷器的冷却能力就已经不足；如果将负荷继续提高至120%，空冷器和水冷器的能力是主要的限制因素之一。

1.3 前工段组分变化

新鲜气的组分一般是由前工段(变换、净化)来控制调节的，但高负荷运行条件下，气化炉CO稍有波动，变换、净化装置调节不及时，造成到合成装置的CO、CO2组分波动较大，合成装置操作弹性较小，极易导致合成工况波动，直接影响甲醇产量。

原因分析：目前，气化装置6台气化炉运行、1台备用、1台检修，由于煤质变化气化炉产生的有效气及惰气都影响甲醇合成生产。

(1)惰气增加对合成系统的影响。入塔气中氢气、CO有效气分压降低，反应速率随之降低，系统压力升高，弛放气量增大，压缩机载荷过高。

(2)CO、CO2增加对合成系统的影响。CO上涨合成反应剧烈，催化剂床层温度升高，CO2上涨系统压力下降，系统CO、CO2累积严重。

1.4 驰放气气量增大

当合成气催化剂活性进入中后期，甲醇合成反应变差，工艺上只能通过适当提高入口温度或汽包压力改善反应，如果气化工段煤质稍有变化，有效气组分波动以及变换、低甲调整不及时，极易造成合成装置反应压力升高。装置不得不通过增大驰放气气量或者现场放空至火炬，造成合成气中有效组分的浪费。

2 甲醇合成提负荷措施

2.1 合成气压缩机技改

甲醇新鲜气量在57万Nm3/h(加新增膜分离返氢)时，透平的调速气阀开度已经达到了98%，转速5300rpm，消耗蒸汽量也达到了108t/h(设计最大为111.9t/h)，透平基本没有余量。负荷介于现有压缩机的最大可调转速是5401rpm，如果继续提负荷至60万Nm3/h新鲜气量，势必要提高压缩机转速，若长时间保持压缩机在5401rpm运行，甲醇装置运行完全没有弹性，不利于装置长期安全稳定运行。

(1)提高4.1MPa蒸汽压力。目前合成气压缩机4.1MPa蒸汽压力维持在3.80～3.95MPa，通过提高蒸汽压力可以有效降低压缩机调速阀开度。蒸汽压力调节需要与热电、净化联系，压力过高会造成净化减温减压站4.1MPa蒸汽安全阀起跳，因此提高压力也要适度。另一方面，利用大检修机会，更换减温减压站安全阀等级，保证蒸汽压力。

(2)增加一台压缩机。装置合成气57万Nm3/h负荷下，循环气压缩机的流量达到820000kg/h，如果负荷提至60万Nm3/h，循环气压缩机的流量达到850000kg/h。增加一台压缩机将会有效地降低原压缩机负荷，保证压缩机在额定工况下运行，有利于压缩机的安全、平稳运行。经过改造可以增大循环气量，能有效降低催化剂床层温度，有利于保护催化剂，同时提高成品甲醇的纯度。最终实现提高装置负荷率，甲醇装置的新鲜气处理量可提高至60万Nm3/h，加上氢回收返氢量后进入合成气压缩机的气量可达到62.5万Nm3/h。

2.2 空冷器、水冷器技改

(1)增加空冷器数量。在现有28个空冷器的基础上，1#、2#空冷器再增加2～4组，实际操作中1个空冷器降温2℃，如果1#、2#各增加4台，空冷后温度能在原有基础上下降8℃。

(2)并联甲醇水冷器。1#、2#各并联一台水冷器，可以随时切换水冷器，实现在线除蜡。

2.3 增加一套膜分离

原有膜分离处理驰放气能力为23000Nm3/h，当装置负荷较高时及催化剂进入末期驰放气气量势必增加，增加一套膜分离采用并联模式，运行中可以缓解一套膜分离的处理量，有效回收反应气中的氢气。

3 结语

针对甲醇合成装置高负荷运行瓶颈问题，从甲醇合成装置生产运行工艺方面进行分析研究，得到以下几点结论：(1)合成装置催化剂处于初期阶段，活性较好，提负荷的主要影响因素是压缩机循环量和水冷器温度。增加空冷器和水冷器以保证循环气体能够被充分冷却，在甲醇分离器内能够实现有效充分地分离，保证甲醇产量的稳定。(2)高负荷运行条件下，合成气压缩机GV阀开度较大，造成机组轴振动、轴位移波动，新增一台压缩机降低原有压缩机负荷，实现高负荷运行工况。(3)甲醇合成生产大型化是未来甲醇行业的发展方向，新型合成反应器和高效合成催化剂是研究的重点。目前国内外企业都在研究新型合成反应器，通过改进反应器结构，降低塔压差、能耗，提高换热效果。(4)不断研发新型催化剂，以加强催化剂的活性、选择性、耐热性以及稳定性。进而推动甲醇工业的可持续发展。