天然气制甲醇装置能耗分析

2020-01-15常鲁宁

化工设计通讯 2020年2期

常鲁宁

（中海石油建滔化工有限公司甲醇一期，海南东方 572600）

甲醇是一种重要的化工生产原材料，世界上三种制甲醇工艺（天然气制甲醇、煤制甲醇、焦炉气制甲醇）中天然气制甲醇占据主要地位。随着我国的能源结构调整，天然气制甲醇逐渐成为了生产甲醇的主要工艺。但是，在天然气制甲醇的过程中降低装置能耗是始终是必须解决的问题，降低能耗对于推进我国的制甲醇工艺发展具有重要意义。

1 天然气制甲醇能耗分析

天然气制甲醇需要经过以下几个过程：天然气脱硫、合成气制备、甲醇合成（粗制）、甲醇精馏。天然气制甲醇装置主要由以下几个重要部位组成：脱硫装置、合成气装置、甲醇合成塔、甲醇精馏装置、蒸汽转化炉、中间罐区、火炬系统。

1.1 蒸汽转化

蒸汽转化炉是天然气制甲醇的重要设备之一，天然气与水蒸气反应是吸热反应的过程，反应温度越高转化率越高；CO 变换反应是一个放热过程，反应温度越高转化率越低，因此天然气的转化需要控制好合理的水碳比例以及反应温度，这是降低能耗的关键。但是在实际化工生产中，在转化管周边温度较低的地方容易发生动力学析碳，为了提升转化率防治析碳，将水碳比例控制在2.8 ∶1以下，入口的温度保持在500℃以上。

1.2 甲醇合成

甲醇合成主要发生的化学反应是CO、CO2同H2发生化学反应从而生成CH4O 的过程，这个过程为放热反应。而在同样的反应条件下，CO 同H2反应生成CH4O 的反应速率和转化率要比CO2同H2反应生成CH4O 的反应速率和转化率要高出许多，因此要想提升甲醇转化率，降低能耗损失，就必须要控制好合成气中的CO2含量。而在实际操作中，CO2含量偏高往往会导致设备成本增加、压缩机运行能耗增加、循环水耗增加以及甲醇精馏操作负荷增加等。

1.3 甲醇精馏

在甲醇精馏环节中，一般选用二塔精馏法，有的选用三塔精馏法，通常根据选用的蒸汽系统来确定采用哪种精馏工艺。甲醇精馏主要消耗热能，因此保证甲醇精馏的工艺设备与蒸汽环节的生产设备较高一致性是提升甲醇精馏效率一个关键因素。甲醇精馏工艺中三塔精馏比二塔精馏效率更高，甲醇回收率也高，可高达99%。三塔精馏可以通过优化来降低蒸汽压力，从而降低总能耗。

2 天然气制甲醇能耗降低措施

天然气制甲醇通常涉及到化学热效应反应，在工艺生产的每一个环节中都可能存在能耗问题，也就是说天然气制甲醇要想彻底解决能耗问题几乎不可能，只能从某些关键环节来进行调整从而最大程度上降低天然气制甲醇的能耗。

2.1 提升蒸汽的转化温度

在蒸汽转化环节中，对水碳比以及对温度的严格控制非常重要，蒸汽转化时的制热和降温冷凝这两个操作中应该尽可能地降低天然气的损耗。这里需要注意的是，进行转化气操作时要将蒸馏系统的设备做好优化，将两者进行同步，这样可以利用转化气体所含有的热能作为蒸馏在沸腾的热源，这样可以将热能的损耗大大降低。经过实践，要想提升装备的热效率，使用中压蒸汽效果最佳。实际生产中可以通过提升中压蒸汽温度、中压蒸汽管网压力、及时补水等方式提升效率。以往甲醇的生产工艺较为落后，因此需要不断地对天然气制甲醇工艺进行优化升级，这样在工艺生产中才能够将合成塔中的废热气转化成为有用的中压蒸汽。蒸汽转化的冷凝环节中，还需要对冷凝液进行不断的优化提升，因为每一种催化剂在同样的条件下催化效果各不相同，有的催化剂可能需要在特定的环境下才能够发挥出催化作用，因此需要选择具有较高性能的冷凝液，以此来保证后续的生产。使用中压蒸汽法的另一个优势就是可以将冷凝液用作补充水源。最后，还要对回收塔性能进行不断的优化以提升甲醇的回收率。

2.2 提高甲醇制作系统的运行效率

在天然气制甲醇装置中，主要通过变压吸附技术（PSA）来将原料气中的CO2、CO、CH4、N2等杂质气体进行分离，同时对H2回收再利用。变压吸附系统工作原理就是在相同的环境条件下，不同的气体物质会在同一种吸附剂中被吸附的量各不相同，从而可以将不同的气体物质分离开来。并且，同种气体物质的吸附量随着压力的降低而降低，因此可以通过降低压力的方式对吸附剂进行再生循环使用。在实际的工艺生产中，合成装置中的驰放气经过吸附变压系统的H2回收单元之后，将会有一部分H2二次回到合成系统中继续进行反应，从而生成甲醇，而经过吸附变压系统的尾气则是转化成为热动力燃料进行了二次利用。因此，在实际生产中需要对生产数据进行分析，找到在稳定生产的条件下变压吸附系统的负荷指数、H2变量对甲醇产量的影响，从而不断地对变压吸附系统进行调整，提升甲醇产量，降低能耗。

2.3 合成气优化

在天然气制甲醇过程中做好合成气的优化有助于降低能耗，首先要对合成新鲜气氢碳比进行严格的控制。通过生产实践，可以得出在生产过程中，在新鲜气量相差无几的条件下，合成新鲜气氢碳比严格控制在2.05～2.15时甲醇的产量要高一些，原料气的消耗低一些。其次，要严格控制CO、CO2含量。上文讲到，合成气中CO2含量对能耗有很大的影响。提升合成塔内的CO含量对提升甲醇转化率，增加蒸汽含量有很大的作用。经过生产实践，进入合成塔的CO含量最好控制在2%～8%，最高浓度为12%，尤其需要注意的是在催化剂的初期，CO含量不宜过高，这样容易导致催化剂催化效果降低，也容易发生副作用产生杂质更多的杂质气体。而CO2含量最好要严格的控制在1%～8%这样有利于稳定温度，使得催化剂保持活性，提升甲醇的产量。但是随着反应的继续，CO2的增加会使H2的吸附降低，从而使得CO反应速率降低，甲醇产量随之降低。

2.4 平衡转化炉温度

蒸汽转化炉是天然气制甲醇中一个重要的设备，这个过程中需要消耗大量的燃料来转化成为热能。提升转化炉的效率就意味着降低燃料使用量、节约燃料成本，这也是降低天然气制甲醇能耗的关键。蒸汽转化炉影响能耗的主要原因在于管排温度存在较大的差异，是由于管排拷克阀开度存在差异使得原料气量分布不均匀，从而产生了较大的温差。另一个原因是因为风门挡板开度不均匀，导致了燃烧不均。因此，要想平衡转化炉内的温度提升热效率，必须要严格检查转化炉窥孔，防止漏风，还要控制好高低压燃气考克阀的开度，使得原料气能够均匀的分布。对总、次挡风板进行严格检查，让每个挡风板的开度保持手动一致。