降低煤制乙二醇合成系统阻力的优化技改小结

郭志强

(新乡中新化工有限责任公司，河南 获嘉 453800)

0 引 言

近年来，我国煤制乙二醇产业蓬勃发展，与以石油为原料的传统乙二醇生产工艺相比，煤制乙二醇具有工艺流程短、能耗低、成本低等优势，符合国家政策导向和我国的能源战略。2009年5月7日，“世界首创万吨级煤制乙二醇工业化示范”新闻发布会在北京举行，中国科学院福建物质结构研究所与江苏丹化集团、上海金煤化工新技术有限公司联手开发的“万吨级CO气相催化合成草酸酯和草酸酯催化加氢合成乙二醇”成套技术通过中国科学院组织的成果鉴定。依托此技术的通辽金煤化工有限公司200 kt/a煤制乙二醇示范项目于2009年底建成投产，生产负荷逐步提升至设计产能的75%以上；2011年10月底开始进行停车消缺，2011年11月18日成功达产。

河南能源化工集团新乡永金化工有限公司(简称永金化工)200 kt/a煤制乙二醇装置于2012年3月29日成功产出合格产品，其生产系统主要有草酸酯合成、草酸酯加氢、精馏三大工段，而草酸酯合成是其核心工艺环节。由于当时草酸酯催化加氢制乙二醇工艺技术尚不成熟等方面的原因，永金化工煤制乙二醇装置生产初期负荷提升过程中出现一系列的瓶颈问题，最突出的是乙二醇合成系统原始设计压力降(习称“阻力”)高导致的合成系统循环量低，进而造成羰化反应热不能及时移出而致羰化反应器催化剂床层“飞温”事故、羰化反应器催化剂床层热点温度高无法提升负荷、羰化反应器催化剂床层空速低致副产物多等一系列不利于负荷提升的问题出现，需制定相应的降低系统阻力的措施，以保证系统的安、稳、长、满、优运行。以下对有关情况作一简介。

1 优化后煤制乙二醇合成系统工艺流程简述

永金化工200 kt/a煤制乙二醇装置采用草酸酯法生产工艺，合成工艺分两步进行——第一步，NO、O2与甲醇反应生成亚硝酸甲酯，亚硝酸甲酯在贵金属催化剂作用下与CO羰基合成得到草酸二甲酯；第二步，草酸二甲酯经催化加氢制得乙二醇。

酯化塔(T101)塔顶气相进入甲醇洗塔(T102)，从T102塔顶出来的工艺气进入羰化反应预热器(E109)预热，之后分别进入3套并联的羰化反应器(R201A/B、R201C/D、R201E/F)，每套2台羰化反应器(工艺气上进下出)串联，简称“三并两串”；羰化反应产物送至2台串联的出口冷却器(E203、E204)，经循环热水冷却后进入气液分离器(V203)，V203分离出的气相送至草酸酯吸收塔(T201)，用甲醇吸收草酸二甲酯后进入压缩机前缓冲罐(V209)，再经合成循环压缩机(C201)增压后返回T101循环使用。

2 乙二醇合成系统运行初期生产状况

装置建成之初，由于煤制乙二醇工艺技术尚不成熟，永金化工200 kt/a煤制乙二醇装置生产负荷提升过程中出现了一系列的瓶颈问题，限制了其达标达产。实际生产应用表明，煤制乙二醇已实现了大规模工业化生产，但存在羰基化反应热大、热量移除效果差等缺点，更突出的问题是乙二醇合成系统阻力大、循环量低、反应热难移出，导致系统负荷提升困难——最高负荷仅达设计负荷的50%，且由于强放热和易燃易爆的中间体亚硝酸甲酯(MN)的存在，使工艺操作的安全性和操作弹性大大降低。当前，全国多家煤制乙二醇装置在其运行过程中出现羰化反应器催化剂床层“飞温”事故，已被国家应急管理局列为重点监管的危险化工工艺。

永金化工200 kt/a煤制乙二醇装置合成系统运行过程中，在循环压缩机(C201)达到额定转速时，系统循环量可达180 km3/h，合成系统后系列羰化反应器(R201B、R201D、R20F)的热点温度达140 ℃，系统内亚硝酸甲酯分解加剧，系统安全性降低，特别是在乙二醇合成催化剂使用后期，催化剂活性减弱，合成系统循环量已无提升空间，此阶段系统一直维持在较低负荷运行，运行经济性较差。

经分析与梳理，导致乙二醇合成系统循环量低的主要原因是系统阻力大。合成系统阻力大，一方面使循环压缩机(C201)负荷增大，其驱动汽轮机9.8 MPa高压蒸汽消耗增加；另一方面降低了合成系统循环量。由于乙二醇合成系统循环量达不到设计要求，不仅造成反应热不能及时带走，增加了CO偶联反应的“飞温”风险，易燃易爆的中间体MN累积，而且空速低造成羰化副反应增多。总之，合成系统阻力大导致的循环量低已成为制约煤制乙二醇装置达标达产、安全生产的首要因素。

3 合成系统阻力大的原因分析

(1)乙二醇装置羰化反应器(R201A/B/C/D/E/F)在原设计“三串两并”(R201A/B/C、R201D/E/F)试运行过程中，由于催化剂床层阻力方面的影响，后4台羰化反应器(R201B/C、R201E/F)催化剂床层空速逐渐降低，移热效果明显下降，其热点温度高于前2台羰化反应器(R201A/R201D)1～3 ℃；当乙二醇装置负荷超过50%时，后4台羰化反应器(R201B/C、R201E/F)催化剂床层温度易出现跳动，存在较大安全隐患，制约了系统负荷的提升。

(2)煤制乙二醇装置合成系统羰化催化剂遇水会严重影响其使用寿命，因而乙二醇装置原始设计在进羰化反应器前采用变温吸附干燥工艺进行脱水，由此造成整个生产系统工艺流程复杂，系统阻力大。另外，变温吸附干燥系统运行过程中易出现“飞温”现象，存在较大的安全隐患；变温吸附系统采用程控阀程序控制，运行过程中易出现程控阀卡涩而导致系统停车的现象。

(3)合成循环压缩机(C201)出口流量计为文丘里流量计，羰化反应器入口流量计为孔板流量计，这两类流量计都有阻力大的缺点，造成合成系统阻力增大。

(4)煤制乙二醇装置羰化反应器出口冷却器(E203、E204)原设计为串联使用，壳程用热水进行冷却，将羰化反应器出口气相混合物冷却至54 ℃。E203、E204串联运行模式下，实际上起冷却作用的主要为E203(E203气相进出口温差达60 ℃)，E204的冷却作用不明显；且经过E203冷却后，冷凝的草酸二甲酯和甲醇液随气相通过E204时形成了较大的阻力，造成合成系统循环量不足。

总之，合成系统阻力大的主要原因在于系统工艺流程复杂、管线中节流管件多，系统阻力大造成合成循环压缩机(C201)前后压差大，进而造成系统循环量低。

4 优化技改措施

通过对乙二醇合成系统设备和工艺流程及工艺原理进行分析与核算，结合与设计院的交流，以及目前国内乙二醇行业前沿技术(据目前的降阻技术，合成系统阻力每降低10 kPa，系统循环量可提升约10 km3/h)，以流程优化为根本，对合成系统进行流程简化、设备更新，达到降低合成系统阻力进而提高系统循环量的目的。简言之，想要提高合成系统的循环量，就要想办法降低合成系统阻力，经梳理与分析，可采取的主要手段是减少系统中节流管件、缩短工艺流程、降低合成循环压缩机(C201)前后压差。

(1)6台羰化反应器“三串两并”运行时，前2台羰化反应器(R201A、R201D)催化剂床层由于反应剧烈而热点温度高，后4台羰化反应器(R201B/C、R201E/F)由于催化剂床层空速低而移热效果较差。为此，对流程进行优化——将6台羰化反应器由原始设计的“三串两并”(R201A/B/C、R201D/E/F)改为“三并两串”(R201A/B、R201C/D、R201E/F)，如此一来，一方面可降低合成系统阻力，使羰化催化剂床层空速增大，提高时空收率；另一方面可降低前面羰化反应器的反应强度，减少或避免“飞温”危险，提高系统的安全性。2012年8月本项流程优化技改实施后，系统阻力下降30 kPa，系统循环量提升30 km3/h。

(2)拆除变温吸附干燥系统，将原水洗塔(T102)改为甲醇洗塔(原水洗塔采用脱盐水进行洗涤，后将脱盐水改为甲醇)，替代原变温吸附干燥系统，如此不仅可有效去除合成循环气中的有害组分(水、硝酸等)，消除进羰化反应器合成循环气带水，保护并延长羰化催化剂的使用寿命，避免变温吸附干燥系统“飞温”的危险，消除安全隐患，而且拆除变温吸附干燥系统带来的工艺流程缩短，使系统阻力降低、消耗减少、操作难度降低。2013年5月本项流程优化技改实施后，合成系统阻力下降30 kPa，系统循环量提升30 km3/h；进羰化反应器的合成循环气中水含量(≤0.1%)和硝酸含量(≤0.15%)得到有效的控制，满足工艺需求。

(3)将合成循环压缩机(C201)出口流量计和羰化反应器入口流量计更换为毕托巴流量计，毕托巴流量计目前已经成熟运用于化工气相大流量场合，通过对温度、压力的补偿，毕托巴流量计在大流量气相流量测量中优点凸显，尤其是其具有阻力小的明显优点。2018年12月流量计更换后，合成系统阻力下降10 kPa，系统循环量提升10 km3/h。

(4)为解决羰化反应器出口冷却器(E203、E204)运行中存在的E204阻力大、E203和E204热负荷不均问题，将羰化反应器出口冷却器(E203、E204)由串联流程改为并联流程——羰化反应器(R201B/D/F)出口气相进入并联的E203、E204，经热水冷却后进入气液分离器(V203)进行气液分离；热水经热水泵(P203)加压后，进入并联的E203、E204，出E203、E204的热水汇合后，进入热水冷却器(E201)冷却降温，循环使用。2019年12月本项流程优化技改实施后，乙二醇合成系统阻力下降20 kPa，系统循环量提升20 km3/h。

综上，通过流程优化技改及合成系统节流管件(仪表)的更换，合成系统阻力降低90 kPa，循环量提高90 km3/h，使系统循环量由原始开车的160 km3/h提升至了250 km3/h，解决了合成系统负荷提升过程中的瓶颈问题，保证了系统的安全、稳定、满负荷运行。

5 结束语

通过对乙二醇合成循环回路相关设备与工艺参数的研究，永金化工查定了合成系统阻力大的原因及所在位置后，对合成系统流程进行优化并更换了现场部分设备：将6台羰化反应器运行模式由原始设计的“三串两并”改为“三并两串”，羰化反应器出口冷却器(E203、E204)由串联流程改为并联流程，将原水洗塔改为甲醇洗塔以替代变温吸附干燥系统，将合成循环压缩机(C201)出口流量计和羰化反应器入口流量计更换为毕托巴流量计等。上述优化技改措施落实后，合成系统阻力降低90 kPa，循环量提高90 km3/h，使系统循环量由原始开车的160 km3/h提升至了250 km3/h，解决了合成系统负荷提升过程中的瓶颈问题，有效提高了亚硝酸甲酯转化率，降低了羰化反应器入口气相中亚硝酸甲酯含量，实现了安全、稳定、满负荷运行。总之，永金化工通过优化乙二醇合成系统工艺流程等，更新了现有工艺包，降低了产品生产成本，提高了装置的生产能力及安全系数，稳定了煤制乙二醇装置的生产，有效提升了企业的市场竞争力。