煤制甲醇与乙二醇联合生产装置优质运行探讨

李建峰

（新乡中新化工有限责任公司，河南获嘉 453800）

1 概 述

新乡中新化工有限责任公司（简称中新化工）是河南能源化工集团的全资二级子公司，2套主生产装置产能分别为200kt／a甲醇、200kt／a乙二醇，甲醇装置于2011年9月投产，乙二醇装置于2012年3月投产。中新化工乙二醇装置为河南能源化工集团首套投运的煤制乙二醇项目，对集团其他4套乙二醇装置的开车运行有很重要的示范作用，同时作为河南能源化工产业结构调整的重点项目，备受业界关注。

新乡化工园区为中新化工2套主生产装置配套建设有2台750t／d航天炉（粉煤加压气化）、4台150t／h循环流化床锅炉、40000m3／h空分装置、低水气比变换系统、低温甲醇洗系统（大连理工技术）以及79200m3／h变压吸附（PSA）系统等，整套生产系统工艺设计全部国产化、设备国产化率达90%以上，属综合性现代煤化工企业。由于河南能源化工集团新乡化工园区刚开始规划设计时只有200kt／a煤制甲醇项目，后期在原设计基础上才增加的200kt／a煤制乙二醇项目，因前期设计时未考虑到要增上乙二醇项目，因而甲醇装置、乙二醇装置（简称2套装置）先后建成联合生产后出现了诸多问题，最终通过实施一系列的优化运行和技术改造，公用工程蒸汽、氧气、氮气和煤气调配等方面得到优化，2套装置的产能和效能达到了优质状态。以下对有关情况作一介绍。

2 生产运行瓶颈问题及优化方案

新乡化工园区的2台航天炉为航天粉煤加压气化工艺的首套工业化生产推广装置，设计单台航天炉投氧量15500m3／h，设计气化系统出口干基气量总共只有约95000m3／h，后系统产能利用率不高，因此航天炉负荷提升显得尤为迫切，同时匹配的氧气量、氮气量等也需相应进行优化提升，以最大限度地释放后系统的产能。

2.1 航天炉负荷的提升

2.1.1 运行状况

航天炉双炉（两开无备）110%高负荷稳定运行，单炉干基煤气量最高65000m3／h、最低62000m3／h，气化系统出口干基煤气量总共在125000m3／h以上，较设计值高20%；气化系统2台气化炉配备1套渣水处理系统，高负荷运行工况下气化系统灰水水质较差问题一直影响着气化炉的长周期运行，2018年以前双炉A级运行最高不超过70d，一般运行60d后就会出现气化炉下降管与上升管之间积灰严重、气化炉激冷室液位偏低、渣口压差最高达200kPa、出口粗合成气温度最高达220℃以上（正常工况下应在210℃以内）等问题。

航天炉负荷提升目标：气化系统双炉负荷提升至113%，气化系统出口干基总气量提升至130000m3／h，气化炉实现长周期、稳定运行。经分析，渣水系统处理能力偏低，气化系统灰水水质指标不合格，是制约气化炉实现长周期、高负荷运行的瓶颈问题。

2.1.2 优化措施及效果

（1）2018年，针对灰水硬度偏高问题，增设了1套灰水除硬系统，投运后灰水硬度由2000mg／L以上降至500mg／L以内。

（2）生产中针对絮凝剂和分散剂的添加制定完善的管理制度，严格管控灰水水质。

（3）气化原料煤煤质稳定对气化系统的优质运行非常重要。2018年上半年以前，因原料煤采购困难，气化炉入炉煤最少需要3种煤掺配，常用煤种达15种之多，非常不利于气化炉的稳定运行，渣口压差最高涨至200kPa以上。为此，通过长期合约稳定原料煤采购，目前基本上保证以2个煤矿的煤为主力煤种。

经多方面的优化调整，气化炉炉况波动明显减少，2019年2月气化系统开车后，双炉110%高负荷A级运行达103d（本次气化炉停车前其工况非常稳定，因后系统问题而被迫短停）。

2.2 氮气负荷的提升

2.2.1 运行状况

空分装置原设计中压氮气产出量为12000 m3／h，实际生产中中压氮气使用量达17500m3／h以上，远超设计值，导致空分装置低压板式换热器温差超设计值4℃，低压板式换热器可能因长期温差应力而泄漏。

2.2.2 优化措施及效果

从空分上塔顶部低低压氮气管线（50kPa）抽出1股8000m3／h左右的氮气（低低压氮气总量20000m3／h左右，抽出量不影响水冷塔降温），新增1台低压氮气压缩机，将低低压氮气加压至0.80MPa并入0.44MPa、0.70MPa氮气管网，以降低中压氮气的采出量。

增设低压氮气压缩机后，低压板式换热器温差大的问题得以解决，其泄漏风险得以控制。

2.3 氧气负荷的提升

2.3.1 运行状况

空分装置设计氧气产量为40000m3／h，因气化系统负荷的提升以及乙二醇装置用氧量的增加，实际生产中空分装置氧气产量需维持在39500m3／h以上，目前空分装置已经基本上达到满负荷运行状态。

2.3.2 氧气负荷提升目标及存在的问题

因气化系统氧负荷需提升至17500m3／h、乙二醇装置用氧量需提升至5000m3／h，即空分装置至少需达40000m3／h的外送氧气量才能满足2套装置的高负荷运行需要，再考虑管网消耗和2套装置的氧负荷变化，实际上需提供41000 m3／h的外送氧气量。但增压机负荷提升后，其主推力轴承温度和轴承位移逐步增大，负荷提升困难，难以满足外送41000m3／h氧气量的需求。

2.3.3 优化措施及效果

（1）更换增压机轴瓦及干气密封。

（2）新增1台2000m3／h的低压氧泵（乙二醇装置所使用的氧气压力为0.5MPa），从液氧储罐直接取液氧加压后供给乙二醇装置使用，以降低空分装置的运行难度，满足甲醇和乙二醇装置产能达到最大化的需求。

新增1台2000m3／h的低压氧泵后，增压机运行负荷稍微降低，空分装置氧气产量维持在39000m3／h，空分装置能耗总体上较之前有所下降，工艺操作难度减小，运行也更加稳定。

2.4 氨冰机负荷的再平衡

2.4.1 运行状况

因扩能，原设计氨冰机最大制冷量为4400 kW，实际运行时夏季最高冷量需求约为4700 kW，氨冰机制冷能力不足，制约了夏季高温时装置的运行负荷，需对系统的冷量进行再平衡。

2.4.2 优化措施及效果

（1）定期对氨冰机水冷器进行彻底的物理清洗，保证其运行状态良好。

（2）在不增加冷量的基础上对低温甲醇洗系统的4台氨冷器冷量重新进行调配，优先保证吸收塔主洗段和硫化氢吸收段2台氨冷器的冷量需求，适当降低甲醇中压闪蒸段的氨冷器负荷，使吸收塔进塔甲醇温度降低约1.5℃。

（3）增设溴化锂制冷机组。

空分装置预冷系统使用氨冰机来的4℃液氨提供冷量，将脱盐水系统多介质（过滤器）产水由22℃降至7℃；进入夏季后系统冷量不足一直困扰装置负荷的提升，增设溴化锂制冷机组后，停用氨冷器，氨冰机负荷明显降低，溴化锂制冷机组能满足空分系统的降温需求。

3 变压吸附（PSA）系统调优

3.1 预处理系统切换周期调整

3.1.1 运行状况

变压吸附（PSA）预处理系统在2台预吸附塔切换过程中存在切换时间过快、原料气量波动较大、再生合格后的吸附塔投用前期出现短时间内大量吸附原料气中CO气等问题，直接导致PSA-CO系统来不及进行吸附时间调整，使外送CO产品气量大幅波动及其中H2含量升高，周期性影响乙二醇装置的负荷。

3.1.2 优化措施及效果

（1）将预处理程序切换周期由24h调整为48h，程序“升压”步骤改为“预吸附1、预吸附2”步骤。

（2）原预处理“升压”步骤结束后切换到“预吸附1”步骤时，中控（人员）及时手动调整均压阀开度，频率为每10mim手动调整1次，均压阀开度调整幅度为1%→5%→10%→20%→40%→70%→100%，维持运行至该步骤结束。

（3）程序切换至“预吸附2”步骤时，中控将均压阀相关参数恢复至升压步骤参数，并注意PSA-CO系统出口在线H2监测数据的变化，若H2含量异常升高，及时增加置换气量和顺放气量，尽快使在线H2含量恢复正常。

改为预吸附步序后，吸附塔切换时气量波动由原来的3000m3／h降至1000m3／h，系统压力波动由30kPa降至12kPa左右，合成气压缩机组转速波动由原来的100r／s降至30r／s左右，系统运行稳定性大大提高。

3.2 PSA-CO系统提质增量

3.2.1 运行状况

PSA系统高负荷运行期间，原两开一备的置换气压缩机须3台同时运行才能满足工况需求，因置换气来源为CO产品气，这样不仅增加了系统运行能耗，且降低了CO产品气回收率；PSA系统高负荷运行期间，原料气中的CH4只能脱除一部分，产品气中CH4含量最高达到1%以上，导致乙二醇羰化系统CH4含量累积高达10%，累积的CH4可能会与乙二醇羰化反应中的亚硝酸甲酯气体形成同分异构体——硝基甲烷，为避免爆炸风险，乙二醇羰化系统有效气被迫大量放空，后经北京北大先锋科技有限公司二次改造将CO吸附剂由5A分子筛更换为PU-1A铜基吸附剂后，解决了CO产品气中CH4含量高而致其纯度低的问题。

PSA-CO系统提质增量目标：停运1台置换气压缩机，提高CO产品气收率。

3.2.2 优化措施及效果

（1）对PSA-CO系统的程控阀进行全面检查，对部分阀门密封面进行研磨或更换，减少阀门内漏对产品气中CH4、H2含量的影响。

（2）将PSA系统原料气中的CO含量由原设计的30.5%提高至31.5%。

（3）在CO压缩机出口引一段管线至置换气总管，作为置换气的备用补充气源管线。

适当提高净化气（亦即PSA系统原料气）中的CO 含量，变压吸附提纯CO 收率偏低（81%）的问题得到很大程度的改善，每小时可多产近1000m3的CO产品气，送甲醇合成系统的合成气氢碳比基本控制在2.10～2.15，乙二醇装置负荷提升5%左右。

碳水化合物是人体的“能源”，心肌的活动更离不开这一能源，而且它在胃内容易消化，停留的时间不长，有助于减轻心脏负担。

3.3 回收乙二醇装置的返回气

3.3.1 运行状况

乙二醇装置返回气包括脱氢后的CO产品气、加氢系统的循环H2、循环H2经PSA提氢后的尾气三部分，此三股气体均返回至PSA系统解吸气缓冲罐。乙二醇装置正常运行期间，CO产品气与氧气的配比为4.0～4.15，PSA系统根据乙二醇装置升负荷速率匹配进气量，因乙二醇装置脱氢系统返回的CO气纯度＞99.8%，回收至PSA系统后会造成甲醇合成系统氢碳比严重失调，不仅给工艺操作调整带来困难，而且会对甲醇合成催化剂造成不可逆的损害，一般在PSA系统升降负荷期间不作为回收气予以回收，原则上通过调整PSA系统收率或调整PSA系统负荷人为控制CO产品气外送量，以尽可能地减少或杜绝甲醇合成系统循环气放空。

3.3.2 优化措施及效果

（1）正常运行期间，循环H2经PSA提氢后的尾气量一般在1500m3／h左右、H2纯度≥98%，因该股气体气量波动较小、品质较稳定，在乙二醇装置投运后立即将该股气体回收至PSA解吸气缓冲罐，作为解吸气返回甲醇合成系统。

（2）乙二醇合成系统对H2纯度的要求较高，在系统CO气量、H2气量、氢酯比一定的情况下，循环H2一般没有放空，在系统CO气量减少使得乙二醇合成系统减量造成草酸酯液位波动、氢酯比失调，进而造成循环H2放空时，基本情况就是CO气量越不稳定，H2放空量越不稳定，因此，正常运行期间PSA系统收率一定的情况下应尽可能减少CO外送气量的波动，原则上H2放空阀气量≤5000m3／h时循环H2回收至解吸气系统，当H2放空阀气量＞5000 m3／h时循环H2放空，在循环H2回收期间要求岗位人员密切关注返H2量并加强解吸气成分的分析，防止甲醇合成系统氢碳比失调。为更加方便操作人员优化调整甲醇合成系统的氢碳比，减少H2放空，经不断总结与摸索，对H2回收管线进行了技改——在H2外送管线上增设DN80管线，并通过阀门控制返回H2的量。

优化后，不仅有效地控制了甲醇合成系统的氢碳比波动，而且杜绝了正常运行期间由于乙二醇合成系统氢酯比失调造成的少量放空。

4 甲醇合成系统调优

4.1 甲醇合成系统工艺运行优化

4.1.1 运行状况

甲醇合成催化剂于2019年8月进行了更换，催化剂厂家全程指导催化剂的升温还原，新的甲醇合成催化剂于2019年8月25日正式投用；但在乙二醇装置开车期间，尤其是乙二醇装置加减负荷的过程中，甲醇合成塔入口气CO含量大幅上涨，导致2019年8月25日—9月25日甲醇合成系统氢碳比严重失调，在线分析CO经常超量程，手动分析数据显示甲醇合成系统氢碳比低至1.0以下，粗甲醇中乙醇含量涨至500×10-6以上，远高于设计值250×10-6。

4.1.2 优化措施及效果

严格控制甲醇合成塔入塔气CO含量＜15%（严禁超过18%）、CO2含量＞1.5%、氢碳比在2.5～4.5，这3项指标中，尤其是甲醇合成塔入塔气CO含量出现偏离指标时，操作人员应按步骤及时作出调整，若入塔气CO含量涨至17%且有继续上涨趋势时，乙二醇装置脱氢后的CO产品气不返回PSA系统解吸气缓冲罐；此时应加大乙二醇装置加氢系统的循环H2返回量，据实际情况由PSA系统微开H2返回解吸气手阀来调整解吸气的成分；若入塔气CO含量仍然偏高，则增加氢回收负荷，由低温甲醇洗岗位打开弛放气放空微调甲醇合成系统循环气的成分，变换岗位通过操作调整降低二变炉出口气的CO含量。

通过严格控制工艺指标，以及岗位人员精心操作的同时加强上、下游系统的协调，2套装置实现了系统性的调整和控制，粗甲醇品质得到明显改善，大部分时间系统能够实现零排放，甲醇装置运行的稳定性和消耗水平均明显得以优化。

4.2 维持2.5MPa蒸汽管网的压力稳定

4.2.1 运行状况

2.5MPa蒸汽管网的压力稳定与甲醇合成塔内反应温度息息相关，但因甲醇合成塔未设计塔内温度监测点，因而只能从其出口气温度和甲醇产量情况来判断甲醇合成反应的情况，而2.5 MPa蒸汽管网用户较多，相对较难控制。2.5 MPa蒸汽管网的蒸汽减温减压后需要提供给1.0 MPa、1.27MPa、1.7MPa蒸汽管网使用，且2.5MPa蒸汽管网建立是由变换系统、甲醇合成系统副产蒸汽及3.8MPa蒸汽减温减压器共同提供。甲醇合成系统开车前，2.5MPa蒸汽管网的蒸汽主要是由3.8MPa蒸汽管网减温减压后提供，主要用户包括热电系统给水加热器、高压加热器，使用量较为稳定，但减压器阀门开度较大，蒸汽的有效做功较少；甲醇合成系统开车后，在甲醇合成气氢碳比稳定的情况下，甲醇装置负荷越高蒸汽副产量越大，前期甲醇合成岗位主要控制甲醇合成塔出口温度，在甲醇合成气氢碳比波动的情况下2.5MPa蒸汽管网压力波动较频繁，且经常需要向0.5MPa蒸汽管网并汽，造成0.5MPa蒸汽管网压力波动，这在乙二醇装置开车期间尤为明显。

4.2.2 优化措施及效果

经与甲醇合成催化剂生产厂家沟通及同类装置的对比后，改为由汽包放空压力控制甲醇合成塔的反应，这样既可稳定甲醇合成系统的单程转化率，又可稳定副产蒸汽的压力，蒸汽管网压力得以稳定控制。

改为由汽包放空压力控制甲醇合成塔的反应后，汽包副产蒸汽量、甲醇合成塔出口温度非常稳定，甲醇合成催化剂更好地得到了保护。由此可见，操作思路和控制方式的调整对系统的优化起到了至关重要的作用，尤其是对于公用工程系统，更需全面统筹考虑其关键影响因素，这样才能找出切实可行的优化措施，不仅稳定系统的运行，而且为局部操作优化奠定良好的基础。

5 结束语

随着近几年乙二醇生产工艺的不断升级发展，其更趋于适应工业化生产的需要了，但煤制乙二醇装置的大量上马使得成本竞争成为必然，只有更经济、更节能、更环保的装置才能适应国内煤制乙二醇行业的生存与发展要求。中新化工200kt／a煤制甲醇装置、200kt／a煤制乙二醇装置经历8a左右的时间沉淀，在系统运行稳定性与节能优化改造上敢于尝试，通过不断探索和努力，现2套装置的运行更加安全、高效，装置产能和效能达到优质状态——气化炉运行负荷达110%，日增产甲醇120t，吨甲醇“两煤”消耗较设计值降低0.2t，吨甲醇电耗由350kW·h降至290kW·h；产品产能的充分释放大大降低了中新化工主装置的生产成本。