甲醇生產經濟性分析

蔣云龍，趙曉明，杜曉宇

（天津渤化永利化工股份有限公司，天津300452）

甲醇是一種重要的基礎化工產品，是生產二甲醚、MTBE、烯烴、甲醛、醋酸、氯甲烷、甲胺和硫酸二甲酯等產品的主要原料。在煤化工發展的帶動下，煤制甲醇裝置如雨后春筍，相繼投產。盡管甲醇燃料、甲醇制烯烴和芳烴等新興產業的發展為甲醇市場展望了美好前景，但當前我國化學工業發展速度整體放緩，甲醇產能過剩問題依然突出，提高甲醇市場競爭力成為各單位生產管理要點[1]。本文以天津渤化永利化工股份有限公司甲醇生產為例，通過分析甲醇生產負荷與投入產出數據，得出甲醇裝置生產負荷——日利潤關系，為公司優化生產提供有益參考。

1 天津渤化永利甲醇生產簡介

天津渤化永利化工股份有限公司以煤氣化裝置為龍頭，下游配有甲醇、合成氨、醋酸、丁辛醇和聯堿等系列產品生產裝置（見圖1）。公司采用荷蘭殼牌粉煤氣化技術，2套氣化裝置生產的粗煤氣送入煤氣總管后，分兩路氣分別送至合成氨裝置和甲醇裝置。由于合成氨裝置為丁辛醇、醋酸和聯堿裝置提供生產所需原料，故單爐運行時，所產粗煤氣僅供合成氨裝置使用。這就造成甲醇裝置生產波動較大，開停車及負荷調整相對頻繁。

圖1 天津渤化永利化工股份有限公司生產流程簡圖

甲醇生產裝置主要工藝流程為來自煤氣化裝置的粗煤氣脫除水分后，通過變換反應使出口變換氣中一氧化碳的含量達到指標要求。變換氣在酸脫工序將全部硫化物及部分二氧化碳脫除，凈化氣與來自氫回收工序的氫氣混合，經壓縮機升壓后進入甲醇合成工序反應，生成的粗甲醇進一步在精餾工序脫除二甲醚等輕組分及水、乙醇、高碳鏈雜醇等重組分，生產出優級的精甲醇產品和副產雜醇油。酸脫工序生產的濃二氧化碳和尾氣經甲醇裝置區內的兩臺二氧化碳壓縮機加壓后，送至聯堿和煤氣化裝置。

2 負荷對甲醇生產利潤影響

甲醇生產涉及到的投入產出項目見表1，本文中的各項物料單價和投入產出量分別采用渤化永利同期預算單價和甲醇生產的實際投入產出數據。另外，2015年我公司的結算方式中，甲醇產品成本包含兩臺二氧化碳壓縮機的投入和產出，且甲醇合成催化劑處于活性初期。2019年甲醇產品成本采用新的結算方式，不包含兩臺CO2壓縮機的投入和產出，且甲醇合成催化劑處于活性中期。在煤質穩定、催化劑活性穩定、進甲醇裝置合成氣溫度170～172℃的情況下（上述穩定僅限于統計期間），2015年7月（工況1）和2019年2月（工況2）甲醇裝置的負荷與日利潤關系見圖2。由圖2可知：隨著甲醇裝置負荷的提升，甲醇產品的單日利潤逐漸上升，且近似于線性關系，裝置負荷分別達到85.69%和68.02%時，生產甲醇產品的投入與產出持平。酸脫、氣壓機、精餾等工序裝置運行時消耗的蒸汽、循環水、低壓氮氣等物料較多，在裝置負荷較低時，維持這些工序運行的物料循環量并未隨著負荷的降低而線性下降，且甲醇合成裝置送氫回收氣量并非線性下降，日消耗的直接人工和制造費用總額變化也不大，理論上會造成低負荷時單噸甲醇產品的物料消耗和費用分攤均較高，進而造成單噸產品甲醇利潤較裝置高負荷運行時偏低。但從統計數據來看，特別是72%～84%負荷期間，單噸產品的利潤隨負荷的增長變化不大（等于斜率÷設計日產量×100），日利潤與負荷接近線性關系。此外，2015年7月和2019年2月兩個生產時期，甲醇裝置的負荷與日利潤關系差異較大，說明粗煤氣的穩定供給、結算方式、催化劑活性和物料單價等因素都對甲醇負荷—日利潤的線性關系有較大影響，實際生產中，應注意數據的積累，形成不同情況下的負荷—日利潤關系。

圖2 工況1和工況2甲醇負荷—日利潤圖

表1 甲醇裝置投入產出項目表

3 負荷—日利潤圖的應用

2015年8月（除8月14日～8月17日外），甲醇變換入口粗煤氣溫度降為161℃左右（工況3），其負荷—日利潤關系見圖3。由圖3可知：在裝置低負荷時，工況1和工況3的甲醇負荷—日利潤關系較接近，但隨著負荷的升高，相同負荷下，工況3的日利潤較工況1顯著偏高。分析投入產出數據時發現，雖然變換入口粗煤氣溫度不同，但兩種工況下變換工序的投入產出基本沒有變化，且變換出口CO指標較穩定，合成工序新鮮氣的氫碳比均控制在1.95～2.05范圍。工況3時，甲醇合成系統的平均壓力從工況1的6.55MPa降為6.31MPa，合成循環氣惰氣（CH4+N2）含量平均值從25.18%降為22.06%。甲醇合成反應為可逆放熱反應，在催化劑活性穩定的前提下，甲醇合成系統的溫度、壓力、合成氣組成、空速、循環比、馳放氣量、換熱器的換熱能力、分離器的分離效果等因素都對甲醇合成反應有較大影響，且上述因素互相影響。系統壓力在一定程度上能反映裝置的綜合運行水平，是日常控制的重要指標之一。系統壓力升高，有利于甲醇合成反應的發生，但對設備強度和催化劑強度有較高要求，還會加速副反應的發生，增加壓縮機的功耗，且在催化劑活性高的情況下，容易發生合成塔熱點溫度超溫。但系統壓力太低，則馳放氣量大，有效氣損失量大，造成甲醇成本偏高。此外，通過提高合成循環氣惰氣含量來控制反應程度，也會導致消耗上漲[2～4]。工況1和工況3的負荷—日利潤圖說明，工況3下裝置經濟運行效果更好。故在實際生產中，需根據催化劑的活性來調節系統壓力和惰性氣體含量。

圖3 工況1和工況3甲醇負荷—日利潤圖

2015年8月14日～8月17日(工況4)，變換入口粗煤氣參數與工況1接近，圖4中的離散點為工況4的生產負荷與日利潤數據對應點，上述點與工況1負荷—日利潤線的相對位置直觀的呈現出生產波動對日利潤的影響。可以看出：這4天日利潤較工況1負荷—日利潤線所對應的日利潤偏低，特別是8月14日和8月15日，日利潤分別較當月負荷—日利潤趨勢線對應值低4.05萬元和3.17萬元。結合生產實際，8月14日12:05，甲醇裝置儀表線路發生故障，造成甲醇合成氣壓縮機跳車。8月14日19:40，甲醇合成氣壓縮機恢復接氣。我公司以每日20:00為投入產出結算時間，氣壓機停車期間，有效氣在酸脫工序放空，精餾裝置循環運行。氣壓機接氣后，調整甲醇合成氫碳比期間，有效氣在酸脫工序和甲醇合成工序部分放空。

圖4 工況1和工況4甲醇負荷—日利潤圖

因此，本次甲醇合成工序和精餾工序開停車期間，全系統公用工程消耗大，且停開車期間有效氣放空量大，造成甲醇產品高壓蒸汽和低壓蒸汽消耗量分別上漲20.88%和57.66%，有效氣消耗最高時達到3.13kNm3/t（正常運行期間約2.25 kNm3/t）。此外，氫碳比調整基本穩定后，馳放氣量仍然較大，合成塔壓力維持在6.15MPa，合成塔循環氣惰氣含量約19.79%，導致較正常生產利潤偏低。

4 結論

4.1 甲醇裝置的單日利潤隨甲醇生產負荷的上升而升高，且在一定范圍內呈現出線性關系。生產波動、結算方式、催化劑活性和物料單價等因素都對甲醇負荷—日利潤關系有較大影響。

4.2 負荷—日利潤圖直觀的呈現出不同工況日利潤與平均日利潤的差異，將生產統計數據擬合為直線，可量化裝置生產負荷與日利潤的關系，為生產管理動態化分析提供參考。

4.3 本文統計的負荷區間為60%～85%，由于影響生產因素較多，故擬合直線僅能反映生產平均水平，在應用時，需根據單位實際生產情況，選取生產穩定期間的數據，并通過劃分不同負荷區間來得到分段方程，從而提高擬合直線或曲線方程的準確性。

4.4 生產應用中，可在建立各裝置負荷—日利潤關系的基礎上，進一步關聯企業各裝置開工負荷與企業日利潤關系，優化生產經濟運行。