馬 輝，崔玉彪，龔普勤

(江西心連心化學(xué)工業(yè)有限公司，江西 彭澤 332700)

0 引 言

江西心連心化學(xué)工業(yè)有限公司(簡(jiǎn)稱江西心連心)一期“60·52·40”項(xiàng)目于2021年2月8日建成投產(chǎn)，設(shè)計(jì)產(chǎn)能為600 kt/a合成氨、520 kt/a尿素、400 kt/a二甲醚，并配套600 kt/a甲醇裝置為400 kt/a二甲醚裝置提供生產(chǎn)原料。江西心連心“60·52·40”項(xiàng)目醇氨產(chǎn)能為1 200 kt/a，氣化系統(tǒng)配置3臺(tái)多噴嘴對(duì)置式水煤漿加壓氣化爐(兩開一備，單臺(tái)氣化爐設(shè)計(jì)投煤量3 000 t/d，設(shè)計(jì)操作壓力6.5 MPa)，氣化爐出口粗煤氣進(jìn)入變換系統(tǒng)一分為二(據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)所需原料氣成分的不同，設(shè)置不同的生產(chǎn)線)，一條線進(jìn)入甲醇生產(chǎn)線(CO部分變換線)，一條線進(jìn)入合成氨生產(chǎn)線(CO全變換線)；在甲醇生產(chǎn)線，一部分粗煤氣進(jìn)入變換爐，一部分粗煤氣不經(jīng)變換爐，兩股氣體匯合出變換界區(qū)進(jìn)入甲醇生產(chǎn)線低溫甲醇洗系統(tǒng)，為甲醇合成系統(tǒng)制取合格的原料氣；甲醇合成系統(tǒng)制得的粗甲醇，經(jīng)五塔雙效+三效精餾系統(tǒng)制得精甲醇送400 kt/a二甲醚裝置作為生產(chǎn)原料。以下主要就600 kt/a甲醇合成系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)及運(yùn)行情況進(jìn)行分析與總結(jié)。

1 甲醇合成工藝技術(shù)的選擇

1.1 工藝技術(shù)方向的確定

甲醇合成工藝技術(shù)與氨合成工藝技術(shù)類似，不同技術(shù)供應(yīng)商之甲醇合成回路整體工藝設(shè)計(jì)差別很小，其技術(shù)核心及區(qū)別主要在于甲醇合成反應(yīng)器(甲醇合成塔)的設(shè)計(jì)，甲醇合成塔的效能直接影響著整個(gè)合成回路運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。目前，國(guó)外已經(jīng)工業(yè)化的大型甲醇(裝置)合成技術(shù)主要有魯奇列管式等溫甲醇合成塔技術(shù)、莊信萬豐戴維徑向甲醇合成塔技術(shù)、托普索絕熱型管殼式甲醇合成塔技術(shù)、卡薩利板式換熱甲醇合成塔技術(shù)、林德螺旋管式甲醇合成塔技術(shù)、日本東洋MRF甲醇合成塔技術(shù)等[1]。國(guó)內(nèi)甲醇合成技術(shù)推廣應(yīng)用較多的有：南京聚拓化工科技有限公司(簡(jiǎn)稱南京聚拓)束管水床式甲醇合成塔，其是在戴維徑向甲醇合成塔基礎(chǔ)上開發(fā)而來；華東理工大學(xué)絕熱—管殼式甲醇合成塔，其是在魯奇列管式甲醇合成塔基礎(chǔ)上開發(fā)而來；南京國(guó)昌化工科技有限公司GC型甲醇合成塔，其是在卡薩利板式換熱甲醇合成塔基礎(chǔ)上開發(fā)而來；湖南安淳高新技術(shù)有限公司JJD水管式等溫低壓甲醇合成塔，其是在日本MRF型雙套管式水床甲醇合成塔基礎(chǔ)上開發(fā)而來。

項(xiàng)目建設(shè)之初，單套系統(tǒng)甲醇產(chǎn)能在600 kt/a及以上的甲醇合成技術(shù)主要被國(guó)外壟斷，且國(guó)外供應(yīng)商更青睞于產(chǎn)能1 000 kt/a及以上的大型甲醇裝置，像采用魯奇甲醇合成技術(shù)、戴維甲醇合成技術(shù)的單套系統(tǒng)甲醇合成塔產(chǎn)能均已能輕松達(dá)到900 kt/a[2]。江西心連心在進(jìn)行甲醇合成工藝技術(shù)的選擇時(shí)，基于投資成本控制方面的要求，未考慮國(guó)外甲醇合成技術(shù)，主要在國(guó)內(nèi)甲醇合成技術(shù)中進(jìn)行考察。當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)大型甲醇(裝置)合成技術(shù)應(yīng)用業(yè)績(jī)較多的是華東理工大學(xué)的絕熱—管殼式甲醇合成塔，其優(yōu)點(diǎn)是，管內(nèi)裝催化劑、管外走水，相當(dāng)于整個(gè)甲醇合成反應(yīng)“泡”在水中，床層溫度分布均勻，且甲醇合成反應(yīng)副產(chǎn)物少、甲醇合成催化劑使用壽命長(zhǎng)；其缺點(diǎn)是，反應(yīng)過程為軸向流，催化劑床層阻力大，甲醇合成塔上/下管板(大型化)制造、加工、運(yùn)輸困難。通過對(duì)外技術(shù)交流考察和對(duì)內(nèi)技術(shù)論證分析，認(rèn)為南京聚拓的束管水床式甲醇合成塔在催化劑裝填、塔壓差、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、操作運(yùn)行、大型化設(shè)計(jì)等方面更具優(yōu)勢(shì)，故將其與華東理工大學(xué)的絕熱—管殼式甲醇合成塔技術(shù)作為江西心連心甲醇裝置甲醇合成工藝技術(shù)備選方案。

1.2 工藝技術(shù)方案的對(duì)比

若采用絕熱—管殼式甲醇合成塔，可供選擇的為8.0 MPa級(jí)單塔或5.0 MPa級(jí)雙塔甲醇合成技術(shù)方案。鑒于甲醇合成系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力為8.0 MPa時(shí)甲醇合成塔直徑為DN4200，受項(xiàng)目所在地運(yùn)輸條件限制，經(jīng)論證分析放棄了8.0 MPa級(jí)單塔絕熱—管殼式甲醇合成技術(shù)。

若采用束管水床式甲醇合成塔，甲醇合成系統(tǒng)(單塔)設(shè)計(jì)壓力采用5.0 MPa或8.0 MPa均可，兩種壓力等級(jí)的投資整體上差別不大，通過模擬計(jì)算，其運(yùn)行參數(shù)的對(duì)比見表1(注：上游系統(tǒng)氣化爐設(shè)計(jì)操作壓力為6.5 MPa，8.0 MPa甲醇合成系統(tǒng)屬加壓合成，合成氣壓縮機(jī)分為新鮮氣壓縮段與循環(huán)氣壓縮段；5.0 MPa甲醇合成系統(tǒng)屬等壓合成，合成氣壓縮機(jī)只有循環(huán)氣壓縮段)。據(jù)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單估算，以電價(jià)0.62元/(kW·h)、循環(huán)水運(yùn)行費(fèi)用0.25元/m3、年運(yùn)行時(shí)間7 200 h計(jì)，5.0 MPa甲醇合成系統(tǒng)在長(zhǎng)周期運(yùn)行成本方面更具優(yōu)勢(shì)。

表1 束管水床式甲醇合成系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)模擬結(jié)果

綜上，當(dāng)時(shí)甲醇合成工藝技術(shù)方案主要在5.0 MPa級(jí)雙塔絕熱—管殼式甲醇合成塔技術(shù)與5.0 MPa級(jí)單塔束管水床式甲醇合成塔技術(shù)之間抉擇，兩者投資及運(yùn)行成本大體相當(dāng)，技術(shù)上各有千秋，前者應(yīng)用業(yè)績(jī)多、技術(shù)成熟[2]，后者甲醇合成塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更合理、適宜于大型化。經(jīng)多次論證，基于束管水床式甲醇合成塔床層阻力小、催化劑裝填量大和裝卸方便、合成塔可靠性高、單塔系統(tǒng)各方面更簡(jiǎn)易等優(yōu)勢(shì)，最終決定選擇5.0 MPa級(jí)單塔束管水床式甲醇合成塔技術(shù)。

2 束管水床式甲醇合成塔系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)介

低溫甲醇洗系統(tǒng)來的新鮮合成氣經(jīng)脫毒槽脫去有害成分，與氫氣壓縮機(jī)來的氫氣(由甲醇合成弛放氣膜分離氫回收系統(tǒng)提取)、醇分離器來的循環(huán)氣混合后進(jìn)入合成氣壓縮機(jī)提壓，而后在熱交換器中與甲醇合成塔出口氣換熱，反應(yīng)氣從上部進(jìn)入甲醇合成塔殼程，從甲醇合成塔外側(cè)向內(nèi)側(cè)沿徑向方向發(fā)生反應(yīng)，最后由中心管出甲醇合成塔；出塔氣經(jīng)熱交換器、水冷卻器降溫后，在醇分離器內(nèi)進(jìn)行氣液分離，分離出的大部分氣相作為循環(huán)氣返回合成氣壓縮機(jī)，小部分氣相作為弛放氣經(jīng)洗醇塔回收甲醇后送弛放氣膜分離氫回收系統(tǒng)回收氫氣(氫回收系統(tǒng)尾氣放空)；醇分離器分離出的液相(粗甲醇)則經(jīng)兩級(jí)閃蒸槽閃蒸后送至甲醇罐區(qū)。束管水床式甲醇合成塔配備高位汽包，汽包分離出蒸汽后，在重力的作用下爐水從汽包底部進(jìn)入甲醇合成塔管程移走催化劑床層反應(yīng)熱，然后自流入汽包。

束管水床式甲醇合成塔技術(shù)的特點(diǎn)：通過兩級(jí)閃蒸降低粗甲醇中的輕組分含量，提高產(chǎn)品質(zhì)量；用洗醇塔液相(稀甲醇)洗滌一級(jí)閃蒸槽的閃蒸氣，提高稀甲醇濃度，降低運(yùn)行成本；合成回路設(shè)置弛放氣膜分離氫回收系統(tǒng)，回收弛放氣中的有效成分——?dú)錃?，降低系統(tǒng)消耗；熱水依靠重力在汽包與甲醇合成塔管程間自然循環(huán)，不需要額外動(dòng)力(即無需設(shè)置熱水循環(huán)泵強(qiáng)制循環(huán))；甲醇合成塔為徑向結(jié)構(gòu)，床層阻力??；甲醇合成塔上/下進(jìn)出管口采用4個(gè)小管板結(jié)構(gòu)，可節(jié)約制作成本，提高甲醇合成塔的可靠性。

3 甲醇合成系統(tǒng)運(yùn)行情況及問題分析

3.1 甲醇合成系統(tǒng)運(yùn)行情況

江西心連心600 kt/a甲醇裝置2021年2月8日投運(yùn)，投產(chǎn)以來，整體運(yùn)行穩(wěn)定。經(jīng)測(cè)試，甲醇合成系統(tǒng)主要工藝指標(biāo)基本接近設(shè)計(jì)值，某一時(shí)段甲醇合成系統(tǒng)部分運(yùn)行數(shù)據(jù)(均值)與設(shè)計(jì)值(100%負(fù)荷)的對(duì)比見表2?？梢钥闯觯状己铣上到y(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況與設(shè)計(jì)情況基本相符。

表2 某一時(shí)段甲醇合成系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)值的對(duì)比

3.2 甲醇合成系統(tǒng)問題分析

(1)目前，江西心連心600 kt/a甲醇合成系統(tǒng)一大主要問題是副產(chǎn)蒸汽品質(zhì)偏低——設(shè)計(jì)副產(chǎn)蒸汽壓力為2.70 MPa、實(shí)際生產(chǎn)中副產(chǎn)蒸汽壓力只有1.89 MPa左右，導(dǎo)致蒸汽流量示數(shù)不準(zhǔn)確；但通過汽包上水流量可知，副產(chǎn)蒸汽量基本上接近設(shè)計(jì)值，計(jì)劃在系統(tǒng)中修時(shí)伺機(jī)進(jìn)行流量計(jì)參數(shù)調(diào)校。

(2)本套系統(tǒng)為工藝包供應(yīng)商設(shè)計(jì)的第一套600 kt/a甲醇合成系統(tǒng)，由于缺乏運(yùn)行數(shù)據(jù)支撐，設(shè)計(jì)時(shí)為防止甲醇合成催化劑使用初期催化劑床層超溫，在熱交換器進(jìn)口前設(shè)置有1根直徑8″的冷副線進(jìn)行甲醇合成催化劑床層溫度調(diào)節(jié)；實(shí)際生產(chǎn)中，由于甲醇合成塔壓差太低，此冷副線過氣量太小，無法起到有效調(diào)節(jié)甲醇合成催化劑床層溫度的作用。

(3)由于甲醇合成塔反應(yīng)熱移出能力差，設(shè)計(jì)床層熱點(diǎn)溫度為(245±5) ℃，而實(shí)際床層熱點(diǎn)溫度達(dá)260 ℃，導(dǎo)致甲醇合成反應(yīng)副反應(yīng)較多，粗甲醇中乙醇含量超過設(shè)計(jì)值600×10-6，生產(chǎn)中部分時(shí)段甚至達(dá)(1 500～2 000)×10-6。對(duì)于此問題，目前江西心連心正與工藝包供應(yīng)商及甲醇合成催化劑供應(yīng)商進(jìn)行進(jìn)一步交流與摸索，以尋找最佳解決方案。

4 結(jié)束語

江西心連心600 kt/a甲醇裝置選用的國(guó)內(nèi)5.0 MPa級(jí)束管水床式甲醇合成塔技術(shù)，當(dāng)時(shí)該技術(shù)在產(chǎn)能300 kt/a以下的甲醇裝置上的應(yīng)用業(yè)績(jī)也寥寥無幾，江西心連心這套裝置是其在大型甲醇裝置中的首次應(yīng)用，前期經(jīng)過反復(fù)論證作出此選擇，確實(shí)需要一定的“魄力”。雖然江西心連心甲醇合成系統(tǒng)的運(yùn)行情況不盡完美，但其在甲醇合成塔阻力、催化劑裝卸與催化劑裝填量、甲醇合成塔結(jié)構(gòu)合理性等方面確實(shí)優(yōu)勢(shì)明顯[4]。

甲醇合成反應(yīng)不同于氨合成反應(yīng)，甲醇合成反應(yīng)迅速、完成快，相較于魯奇列管式甲醇合成塔，束管水床式甲醇合成塔(殼程裝催化劑，管程走水)在移熱設(shè)計(jì)方面難度更高，需要設(shè)計(jì)人員結(jié)合模型參數(shù)、實(shí)際運(yùn)行情況不斷調(diào)整優(yōu)化。例如，江西心連心甲醇合成系統(tǒng)副產(chǎn)蒸汽品質(zhì)偏離設(shè)計(jì)太多，表明甲醇合成塔內(nèi)部換熱設(shè)計(jì)方面尚有不足，后續(xù)推廣中還需調(diào)整優(yōu)化。河南心連心化學(xué)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司2011—2020年連續(xù)10年被中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)評(píng)為合成氨行業(yè)“能效領(lǐng)跑者標(biāo)桿企業(yè)”，針對(duì)江西心連心甲醇合成系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，后續(xù)將與工藝包供應(yīng)商協(xié)作對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，為今后的設(shè)計(jì)優(yōu)化探明方向，為國(guó)產(chǎn)化大型甲醇(裝置)合成技術(shù)的推廣應(yīng)用做出更多的貢獻(xiàn)。