1 800 kt/a甲醇合成裝置技改總結

易洪民

(神華新疆化工有限公司 新疆烏魯木齊 830019)

1 甲醇合成裝置簡介

神華新疆化工有限公司1 800 kt/a煤制甲醇項目于2016年5月底投料試車，7月初生產出合格甲醇產品。該煤制甲醇項目主要由空分裝置、氣化裝置、凈化硫回收裝置、甲醇合成裝置組成，其中甲醇合成裝置采用英國Davy工藝技術有限公司的甲醇合成工藝技術及英國莊信萬豐公司的甲醇合成催化劑來生產MTO級甲醇，生產能力為1 800 kt/a(按100%甲醇計)。該甲醇合成技術采用雙反應器串并聯的方式，具有合成氣轉化率高(99%)、原料消耗低、系統壓降小、能量利用合理、流程簡練、控制簡單、三廢排放量少等特點。

如圖1所示：凈化后的合成氣分為2股，其中占總體積56%的新鮮合成氣與循環氣混合，經合成回路中間換熱器A預熱后進入甲醇合成塔A，甲醇合成反應熱副產的2.11 MPa(表壓)飽和蒸汽經甲醇合成汽包A分離后進入裝置內副產蒸汽總管；甲醇合成塔A出口氣體經合成回路中間換熱器A預熱甲醇合成塔A入口氣體后，依次經空冷器A和粗甲醇水冷器A冷卻至45 ℃進入粗甲醇分離器A進行氣液分離，分離得到的粗甲醇經粗甲醇過濾器A過濾后送至閃蒸槽；在粗甲醇分離器A分離出的氣體與占總體積44%的新鮮合成氣混合并經合成氣壓縮機加壓后進入合成回路中間換熱器B被預熱，然后進入甲醇合成塔B，甲醇合成反應熱副產的2.11 MPa(表壓)飽和蒸汽經甲醇合成汽包B分離后進入裝置內副產蒸汽總管；甲醇合成塔B出口氣體經合成回路中間換熱器B預熱甲醇合成塔B入口氣體后，依次經

1.甲醇合成塔A 2.甲醇合成塔B 3.甲醇合成汽包A 4.甲醇合成汽包B 5.鍋爐給水預熱器 6.空冷器B7.空冷器A 8.合成氣壓縮機 9.粗甲醇水冷器A 10.粗甲醇水冷器B 11.粗甲醇分離器A 12.粗甲醇分離器B13.閃蒸槽 14.合成回路中間換熱器A 15.合成回路中間換熱器B 16.粗甲醇過濾器A 17.粗甲醇過濾器B圖1 甲醇合成工藝流程

空冷器B和粗甲醇水冷器B冷卻至45 ℃進入粗甲醇分離器B進行氣液分離，分離得到的粗甲醇經粗甲醇過濾器B過濾去除石蠟、催化劑粉末等雜質以后送至閃蒸槽；閃蒸槽底部得到的粗甲醇送入穩定塔進行MTO級甲醇的精制，合格的MTO級甲醇經MTO級甲醇冷凝器換熱冷卻至40 ℃后送下罐區儲存，頂部出口的循環氣返回甲醇合成塔A，另有少量氣體作為弛放氣送氫回收單元以調節合成循環回路的惰性氣體含量。

2 甲醇合成裝置運行概況

該甲醇合成裝置經1年多的實際生產運行，逐漸暴露出一些影響裝置長周期滿負荷穩定運行的問題，如合成氣壓縮機干氣密封一級密封氣壓差小、MTO級甲醇冷凝器和粗甲醇水冷器結蠟、地下槽系統設計不完善、合成氣壓縮機抽氣器二級抽循環水回水溫度高等。為了從根本上解決上述問題、消除設計缺陷，實施了相應的技術改造和優化措施，取得了顯著的效果。

3 存在的問題及技改方案

3.1 合成氣壓縮機干氣密封一級密封氣壓差低

合成氣壓縮機選用美國Flowserve公司的單向螺旋槽結構、帶中間進氣的串聯式干氣密封組件，其第1級主密封氣采用工藝氣，引入0.7 MPa低壓氮氣作為第2級密封的氣源，通過一級密封泄漏出的工藝氣體被氮氣全部引入火炬燃燒，而通過二級密封漏入大氣的全部為氮氣，當主密封失效時，第2級密封同樣起到輔助安全密封的作用。隔離密封位于密封殼體與壓縮機軸承之間，同樣采用0.7 MPa低壓氮氣作為隔離氣氣源，以阻止壓縮機潤滑油進入密封腔而污染密封端面，同時可防止工藝氣向外進入潤滑軸承箱。

干氣密封工作原理：當端面外側開設的流體動壓槽(2.5～10.0 μm)的動環旋轉時，流體動壓槽把外徑側(稱之為上游側)的高壓隔離氣體泵入密封端面之間，由外徑至槽徑處氣膜壓力逐漸增大，而自槽徑至內徑處氣膜壓力逐漸下降，因端面膜壓增大使所形成的開啟力大于作用在密封環上的閉合力，在摩擦副之間形成很薄的一層氣膜(1.0～3.0 μm)，從而使密封工作在非接觸狀態下，所形成的氣膜完全阻塞了相對低壓的密封介質泄漏通道，實現了密封介質的零泄漏或零逸出。

正常操作時，壓縮機驅動端與非驅動端一級密封氣壓差≥70 kPa，低低聯鎖值為≤12 kPa。當無法產生足夠給干氣密封供氣的壓差時，來自機殼內未經過濾的氣體就會進入密封腔，易造成干氣密封損壞。

3.1.1 存在問題

(1)在啟動合成氣壓縮機前，需用0.7 MPa低壓氮氣建立一級密封氣壓差(≥70 kPa)，合成氣壓縮機正常啟動后，需切換至合成氣壓縮機出口合成氣作為一級密封氣氣源，在切換過程中易發生因一級密封氣壓力低而聯鎖跳車；如果系統壓力大于0.7 MPa，由于合成氣壓縮機啟動前低壓氮氣壓力只有0.7 MPa，一級密封氣增壓泵只有10 kPa的增壓能力，無法建立一級密封氣壓差≥70 kPa的工況，此時將引起工藝氣反竄，最終導致干氣密封組件的密封面污染受損。

(2)正常生產后，當壓縮機發生跳車時，系統壓力高達7.8 MPa，由于一級密封氣增壓泵只有10 kPa的增壓能力，自密封氣無法建立一級密封氣壓差≥70 kPa的工況，同樣會造成工藝氣反竄，最終導致干氣密封組件的密封面污染受損。

3.1.2 改造內容

采用8.0 MPa高壓氮氣作為壓縮機一級密封氣氣源，同時增設1只兩位切斷閥，當一級密封氣壓力低于30 kPa時，聯鎖或手動打開兩位切斷閥，以保證一級密封氣壓差≥70 kPa，實現干氣密封組件的安全穩定運行。

3.1.3 改造效果

改造措施實施后，在加減負荷、開停車、事故處理過程中，不僅可以避免一級干氣密封氣壓力低低(≤12 kPa)聯鎖停車，而且可以避免干氣密封組件的污染受損，有效保證了合成氣壓縮機組的安全平穩運行。

3.2 MTO級甲醇冷凝器結蠟

甲醇合成裝置反應生成石蠟是不可避免的，生成的石蠟一部分經粗甲醇過濾器過濾后清除，其余的石蠟通過穩定塔精餾后進入MTO級甲醇冷凝器。

MTO級甲醇冷凝器的管程入口和出口設計操作溫度分別為92 ℃以及40 ℃，設計操作壓力為0.68 MPa，材質為304不銹鋼，走MTO級甲醇；殼程入口和出口設計操作溫度分別為30 ℃以及40 ℃，設計操作壓力為0.44 MPa，材質為碳鋼，走循環冷卻水。

3.2.1 存在問題

(1)在生產過程中，石蠟冷凝后附著在MTO級甲醇冷凝器的換熱管內部，導致MTO級甲醇冷凝器出口MTO級甲醇溫度高達60 ℃。除蠟時，需要關閉循環水上水閥門，將MTO級甲醇冷凝器出口MTO級甲醇溫度提高至88 ℃(甲醇沸點為64.7 ℃)才能將石蠟徹底清除干凈，但是高溫甲醇給罐區安全運行帶來重大隱患。

(2)循環冷卻水走殼程，其材質為碳鋼，易結垢、腐蝕。在甲醇合成裝置運行初期，由于循環水水質控制不嚴，造成結垢、腐蝕加重，嚴重影響該換熱器的換熱效果，導致出口MTO級甲醇溫度高達60 ℃，給罐區安全運行帶來極大的隱患；每次進行高壓清洗時，需要抽芯清洗換熱器殼程，造成檢修工作量大、耗時長，嚴重影響裝置的經濟高效運行。

3.2.2 改造內容

新增1臺MTO級甲醇冷凝器與原MTO級甲醇冷凝器并聯，其管程入口和出口設計操作溫度分別為30 ℃和40 ℃，設計操作壓力為0.44 MPa；殼程入口和出口設計操作溫度分別為92 ℃和40 ℃，設計操作壓力為0.68 MPa；管程和殼程材質均采用304不銹鋼，循環水走管程，MTO級甲醇走殼程。

3.2.3 改造效果

2臺MTO級甲醇冷凝器互為備用，當進行MTO級甲醇冷凝器除蠟操作時，穩定塔無需停車處理，MTO級甲醇冷凝器出口MTO級甲醇溫度完全能夠穩定控制在40 ℃以內；對新增的MTO級甲醇冷凝器的管束進行高壓水清洗時，只需打開封頭即可清洗循環水側污垢，檢修量大幅降低，檢修時間由36 h縮短至12 h，不僅確保裝置安全穩定、經濟高效運行，而且保障了罐區的安全穩定運行。

3.3 粗甲醇水冷器結蠟

新鮮合成氣先與循環氣混合，再經合成回路中間換熱器預熱(220～250 ℃、7.90 MPa)后進入甲醇合成塔進行甲醇合成反應，生成的粗甲醇經合成回路中間換熱器換熱(93 ℃、7.89 MPa)后進入粗甲醇水冷器，反應生成的副產物石蠟冷凝后附著在粗甲醇水冷器的換熱管內，造成粗甲醇水冷器出口粗甲醇溫度在50 ℃以上。過高的溫度將嚴重影響粗甲醇分離器的分離效果，未被分離的粗甲醇隨著循環氣重新進入甲醇合成塔中，不僅嚴重影響甲醇合成反應的效率，而且造成副反應增加，給裝置滿負荷穩定高效運行帶來極大的影響。

通過對石蠟成分的分析發現，正四十烷至正四十八烷的混合烷烴所占質量分數約為55%，該混合烷烴沸點超過80 ℃，故除蠟操作時需將管程溫度提高至80 ℃以上。

3.3.1 存在問題

對粗甲醇水冷器進行除蠟操作時，需要關閉水冷器殼程的循環水回水閥門，將粗甲醇出口溫度提高至石蠟的熔融溫度(80 ℃以上)。石蠟的密度比粗甲醇大，石蠟聚集在粗甲醇分離器底部，由于粗甲醇分離器與閃蒸槽存在7.00 MPa的壓差，固體石蠟會被壓入管道并進入粗甲醇過濾器，需頻繁清理粗甲醇過濾器的過濾網，而且石蠟也會在過濾器前截止閥、調節閥處形成堵塞，導致閥門不能正常開啟和切斷，增加在線清洗石蠟的工作難度；此外，夾帶石蠟的粗甲醇經過穩定塔后，會影響MTO級甲醇冷凝器的冷卻效果，造成MTO級甲醇冷凝器需頻繁除蠟。

由于經合成回路中間換熱器后的甲醇氣溫度在90 ℃左右，粗甲醇水冷器出口溫度往往無法達到除蠟操作要求的溫度，導致系統除蠟不徹底，不僅造成合成系統反應惡化，需頻繁進行除蠟操作，而且影響裝置安全、平穩運行。

3.3.2 改造內容

在粗甲醇水冷器殼程中間底部排污導淋上增設0.46 MPa、165 ℃低壓蒸汽管線，若粗甲醇水冷器除蠟時出口溫度較低，則通入蒸汽加熱循環水，使其管程出口氣體溫度滿足除蠟操作要求。

3.3.3 改造效果

進行除蠟操作后，粗甲醇水冷器出口溫度低于38 ℃，且除蠟操作由原來的每2個月進行1次延長至每3個月進行1次，大大減輕了操作人員的工作負荷，而且保證了裝置的長周期穩定運行。

3.4 地下槽密閉排放系統改造

地下槽密閉排放系統是保證甲醇合成裝置安全、節能、環保運行的重要組成部分，甲醇合成裝置區機泵檢修時外排的帶甲醇液體、精餾單元清洗和過濾器清洗產生的帶甲醇液體、各壓縮機分液罐排液、臨時取樣的帶醇液體等均需通過地下密閉排放管線排放至地下槽罐，然后送入公用工程系統的甲醇水罐。

3.4.1 存在問題

(1)從甲醇合成裝置開車運行至今，每次清理粗甲醇過濾器時均發現過濾器底部導淋排液管線被石蠟、鐵屑等雜質堵塞。由于該管線直徑只有12.7 mm，且設有4個彎頭，排放不暢，造成過濾器內部甲醇無法密閉排放至地下槽，只能外排，不僅對檢修人員的身心健康有害，還存在一定的安全和環保隱患。

(2)由于地下槽設備本體無備用開口，正常生產時在現場取樣和置換時留下的含醇廢液以及其他情況排出的含醇廢液都無法回收進入地下槽。

(3)在清理地下槽時發現，地下槽底部有大量的鐵屑、污泥等雜質，但密閉排放進入地下槽的總管線并無過濾器及切斷閥，地下槽無法單獨隔離，每次清理地下槽均需將裝置內整個地下管網進行水洗并置換合格，不僅工作量大、耗時長，而且存在一定的安全風險。

3.4.2 改造內容

(1)將粗甲醇過濾器底部密閉排放含醇液體的管線直徑由12.7 mm增大至25.4 mm，并取消彎頭，將管線直接插入地下排放管線，以改善液體流動狀況，防止雜質堵塞管線。

(2)在地下槽本體遠程液位計管線上開口，接1根直徑76.2 mm的管線至地下槽旁邊，配上1只切斷閥和1只漏斗。當裝置因臨時取樣、置換等需要處置含醇廢液時，打開切斷閥門，將含醇廢液倒入漏斗后關閉閥門，即可避免含醇液體對環境的污染。

(3)在進入地下槽的總管上增加1組過濾器及前后切斷閥，過濾器設置現場壓差表。當過濾器壓差>50 kPa時進行清理，這樣不僅能防止雜質再次進入地下槽，減少清理地下槽的頻次，而且能將地下槽單獨隔離，便于清理及檢修。

3.4.3 改造效果

改造后，粗甲醇過濾器密閉排液管線再未發生堵塞，地下槽由2年清理1次改為根據需求進行檢修、清理；臨時需排放的含醇廢液倒入地下槽，不僅將安全風險降至最低，而且有利于節能減排和環境保護，保證了裝置的長周期、穩定經濟高效運行。

3.5 壓縮機抽氣器二級抽循環水回水溫度高

壓縮機抽氣器二級抽設計循環水上水壓力為0.45 MPa，回水壓力為0.20 MPa；上水溫度為33 ℃，回水溫度為43 ℃；透平真空度設計值為25 kPa(絕壓)。

3.5.1 存在問題

在甲醇合成裝置運行過程中，由于壓縮機抽氣器二級抽循環水回水溫度高達88 ℃，導致透平真空度高達50 kPa(絕壓)，嚴重影響裝置的平穩運行。

3.5.2 改造內容

循環水上水壓力設計值為0.45 MPa，現場實測值為0.26 MPa，循環水壓力不足導致換熱效果差。為此，增設循環水管道增壓泵(1開1備，)，將循環水壓力提高至0.45 MPa，并設計出口壓力低低聯鎖(≤0.30 MPa)啟動備用泵。

3.5.3 改造效果

改造后，壓縮機抽氣器二級抽循環水上水壓力和回水溫度恢復正常，透平真空度達到設計要求，保證了壓縮機的穩定運行。

4 結語

針對存在的問題，通過采取有針對性的改造措施，逐步解決了生產和設計上存在的絕大部分問題，消除了制約甲醇合成裝置長周期穩定運行的瓶頸。