甲醇合成系统扩能改造小结

王 辉

［联泓（山东）化学有限公司，山东 滕州 277527］

0 引 言

联泓（山东）化学有限公司［原新能凤凰（滕州）能源有限公司，简称联泓化学］有2套工艺流程相同的甲醇装置（第一套甲醇装置于2009年12月投产，第二套甲醇装置于2011年11月投产），设计甲醇产能为2×360 kt／a，整套装置包括四喷嘴水煤浆气化、耐硫变换、低温甲醇洗脱硫脱碳、等压甲醇合成、四塔甲醇精馏、甲醇罐区、硫回收、空分、冷冻站、热电站等单元，以及与工艺装置相配套的公用工程及辅助装置。其中，2套甲醇合成系统均采用华东理工大学开发的“管壳外冷-绝热复合式固定床催化反应器”（双塔并联）和西南化工研究院开发的低压甲醇合成工艺。从合成回路来的循环气经循环气压缩机提压（第一套甲醇装置循环气提压采用往复式压缩机，第二套甲醇装置循环气提压采用离心式压缩机）后，与从低温甲醇洗系统来的新鲜气混合预热后一起进入甲醇合成塔（设计压力5.3 MPa、温度220～260℃）进行甲醇合成反应，出塔气依次经入塔气预热器、水冷器冷却和冷凝，然后在甲醇分离器中实现气液分离，从甲醇分离器上部分离出的循环气经循环气压缩机返回合成回路，甲醇分离器下部的甲醇液体则送膨胀槽，最终送甲醇精馏系统。

2套甲醇装置经过多年的稳定运行后，通过分析研究和性能标定后认为，部分设备尚有富余能力。为充分发挥系统潜能，降低能耗，提升企业的经济效益，增强企业的市场竞争力，联泓化学决定对甲醇装置进行扩能改造——原装置总体流程不变，增加少量设备，或在关键设备上通过塔内件改造提升设备的产能，即通过填平补齐及采用先进技术使整套甲醇装置的能力得到充分发挥，在实现增产（设计2套甲醇装置总产能提升至900 kt／a精甲醇）的同时，使装置的综合能耗得到降低——能耗在以煤为原料的同类型装置中处于领先水平。最终2套甲醇合成系统通过实施一系列技术改造，实际总产能提升至了1 000 kt／a，取得了良好的经济效益。以下对2套甲醇合成系统的扩能改造情况作一总结。

1 甲醇合成系统扩能改造

1.1 入塔气预热器改造

1.1.1 存在的问题

入塔气预热器是将甲醇合成塔出塔气热量传递给入塔气的设备，以提高入塔气的温度，利于甲醇合成反应的进行，同时降低甲醇合成塔出塔气的温度，以利后续分离出甲醇。甲醇合成系统原设计入塔气预热器出口温度≥190℃，但实际上入塔气预热器出口温度在180℃左右。有关资料显示，170～190℃是甲醇合成系统高碳链蜡类物质生成的最佳温度区间，入塔气温度过低会导致甲醇合成系统结蜡倾向增大。经核算，甲醇合成系统入塔气预热器的换热面积为7 260 m2，仅就换热面积而言，设计值是足够的。但实际操作中，入塔气的温度一直未达到设计值，因没有机会进行停车查看（注：入塔气预热器属高压设备，出口全焊接，解体排查难度较大、施工周期较长，长周期运行也不允许停车排查），无法排除入塔气预热器是否存在折流板脱落、换热器内漏等设备方面的问题，不过2台入塔气预热器并联使用，2台入塔气预热器的出口温度均未达到设计值，判断2台设备同时出现问题的可能性较小；再经多个软件进行校核，2台入塔气预热器的换热面积有较大的余量，但2台入塔气预热器管内、管外流体的流速较低——管内气体平均流速为2.77 m／s、管外气体平均流速为2.93 m／s，甚至第一套甲醇合成系统入塔气预热器管内气体流速仅为1.78 m／s、管外气体流速仅为2.02 m／s，对于气体流动而言，这个流速严重偏低了。第一套甲醇合成系统的循环气来自往复式循环气压缩机，分析得知入塔气预热器壳程排污的矿物油含量较高，推断往复式压缩机润滑油污染导致入塔气预热器列管结垢的可能性非常大。经回归分析实测操作数据，第一套甲醇装置入塔气预热器管内污垢系数为0.003 m2·K／W、管外污垢系数为0.007 m2·K／W。

经综合分析，推断入塔气预热器换热效果差的原因有二：一是换热器内气体流速明显偏低，对于同一台换热器来说，介质在设备内的流速越高，其传热系数就越高，其关键不在于时间，而在于热阻，新换热器的热阻主要来自热介质的层流膜，一般来讲，金属换热壁的热阻很小，热阻大小的关键在于冷热介质的层流膜，传热过程也就是层流膜的热传导过程，而层流膜热传导效果的好坏除了与膜的物理性质有关外，主要取决于膜的厚度，气体流速低，层流膜厚，热阻就大，换热效果就差；二是往复式压缩机的润滑油被循环气带出，出往复式压缩机的循环气经油分离器后，仍有部分油被带入了入塔气预热器，加之甲醇合成催化剂粉末的存在，使得入塔气预热器因结垢而换热效率明显降低。

1.1.2 改造方案及实施

众所周知，流体的湍动状态越好，层流膜的厚度就越小，相应地换热器的换热效果就越好。在设备内加装麻花铁（又称扰流子）可以改善流体的湍动状态，不需对既有设备进行改造，麻花铁安装简便、造价低廉，是目前最普及、极具优势的一种提高换热器传热效率的一种方法。于是，2017年7月利用甲醇装置停车更换甲醇合成催化剂的机会，在入塔气预热器φ19 mm×2 mm的列管内装入等效直径φ14 mm的不锈钢麻花铁（有少部分列管因催化剂粉末和瓷球堵塞而未装入麻花铁）。

1.2 循环气压缩机扩能更换

1.2.1 存在的问题

第一套甲醇装置于2009年12月开车成功，循环气压缩机采用2台MW-118／49-54型、功率为2 200 kW的往复式压缩机；第二套甲醇装置于2011年11月开车成功，循环气压缩机采用EB45-1型、功率为2 200 kW的离心式压缩机。

从多年来的运行情况来看，第一套甲醇装置的往复式循环气压缩机投资省、对气体要求低，但设备占地面积大、易损部件多，且有脉冲现象，运行过程中振动较大。第一套甲醇装置开车初期，2台循环气压缩机运行，循环气量约420 km3／h，由于2010年甲醇装置在较长的时间段内一直维持低负荷运行，故决定停开1台循环气压缩机，采用单机运行模式，后期随着甲醇装置负荷的提高，单机运行模式节电效益更加明显，但单机运行模式循环气量较小、气体空速较低，造成甲醇合成系统副反应物增多，表现为合成水冷器换热效果差、甲醇精馏常压塔废水中含蜡量较高，同时甲醇合成催化剂的使用寿命受到一定影响；2015年后，随着第一套甲醇装置运行周期的延长，往复式循环气压缩机出口DN400 PN10.0手动闸阀打开困难、填料密封不严、出口缓冲罐焊缝多次出现裂纹、现场漏点较多等安全隐患问题相继出现。

第二套甲醇装置的离心式循环气压缩机由汽轮机拖动，平均消耗2.2 MPa、330℃的过热蒸汽10.2 t／h，循环气量可达510 km3／h，循环气量达到设计指标要求。总体而言，离心式循环气压缩机打气量大，有利于甲醇合成催化剂的使用，机组运行平稳、效率较高，节能效果明显。

1.2.2 改造方案及实施

通过往复式循环气压缩机与离心式循环气压缩机的对比可知，要实现甲醇装置增产，需对第一套甲醇合成系统的循环气压缩机进行更换，达到既提升负荷又解决安全隐患的目的。于是，边生产边在第一套甲醇合成系统2台往复式循环气压缩机南侧吊装区位置安装1台BCL451型离心式循环气压缩机，该离心式压缩机由汽轮机拖动，以甲醇合成系统汽包副产的2.2 MPa饱和蒸汽至变换系统过热后形成的动力蒸汽作为动力源。BCL451型离心式循环气压缩机安装完成并提前试车后，拆除原2台往复式循环气压缩机，新增的离心式循环气压缩机利用大修机会配管并吹扫试车后并入系统。

1.3 甲醇分离器内件改造

1.3.1 存在的问题

甲醇合成系统原甲醇分离器设计采用的是旋风式，靠气流切向进入造成的旋转使流体运动，将具有较大惯性离心力的固体颗粒或液滴甩向外壁面，即利用液、气、固相旋转运动时所产生的离心力不同实现气相与甲醇液体的分离。原设计甲醇分离器进口气量为488 750 m3／h，进口工艺气中的甲醇含量为6.7%（摩尔分数）。随着甲醇合成系统负荷的提升，要想实现甲醇装置扩产，这种气液分离方式显然不能满足生产所需。

1.3.2 改造方案及实施

将甲醇分离器内件改为高效分离内件，该高效分离内件采用叶片式分离技术，其技术核心为设备内装有多片高效气液分离叶片，其工作原理为利用机械冲击粘连机理进行气液分离，高效分离叶片能有效分离气体里所夹带的液体，配备增强双袋型叶片式内件的气液分离器适用于去除气体携带的大量液体，对于直径10μm的液滴分离效率可达99.9%。2017年7月甲醇装置大修时，拆除原甲醇分离器内的丝网除沫器及支撑圈，安装叶片箱及降液管，同时拆除原有旋流板及降液管，保留支撑圈，安装填料，叶片箱内安装人字形叶片，所有内件通过人孔进入甲醇分离器内进行安装。

1.4 膜分离氢回收系统的优化改造

1.4.1 存在的问题

联泓化学甲醇装置甲醇合成弛放气膜分离氢回收系统原设置1台膜分离器（M5102A／B／C／D，内有4支膜，4支膜并联运行）供2套甲醇合成系统共用，膜分离氢回收系统设计最大处理气量12 096 m3／h、年运行时间8 000 h、操作弹性30%～110%。膜分离氢回收系统的氢气压缩机采用D型往复式一级压缩机，甲醇合成系统压力5.3 MPa，由于压缩比的限制，氢气压缩机进口氢气（渗透气）的压力只能控制在3.1 MPa，由于膜分离器前后压差较小，氢气的回收效率低，导致非渗透气中H2含量较高（见表1），非渗透气中高浓度的H2只能去火炬燃烧，造成有效气组分的浪费。据甲醇合成系统的扩能目标，原膜分离氢回收系统已不能满足扩能后的生产所需，须进行优化改造。

表1 技改前膜分离氢回收系统运行数据

1.4.2 改造方案及实施

为保证膜分离氢回收系统产品H2品质、尾气压力、负荷满足甲醇合成系统的扩能要求，确保改造后的膜分离氢回收系统安、稳、长、满、优运行，对其进行了优化改造。改造后膜分离氢回收系统工艺流程为：甲醇合成弛放气→水洗塔→气液分离器（DN500）→预热器→一级膜分离器→（新增）二级膜分离器（非渗透气去燃料气管网）→（一级+二级膜分离渗透气）氢气压缩机→甲醇合成回路净化气管道。具体改造内容主要如下。

（1）新增1套膜分离器撬装框架，包括2支膜及配套的膜壳、连接管道、阀门、撬装框架等，在原有膜分离器的非渗透气管线上串联新增的膜分离器（2支膜并联运行），进行第二级膜分离，二级膜分离渗透气（氢气）与一级膜分离渗透气（氢气）一同送往氢气压缩机。

（2）新增1台DN500的气液分离器，替换掉原有的DN400气液分离器，配套新增1套自动排液系统。

（3）因甲醇装置扩能后膜分离氢回收系统入口气量增加较多，相应地产品H2流量也会增加较多，对氢气总管及相应阀门等进行改造——氢气总管由DN100改为DN150，氢气总管新增安全阀，更换氢气总管上的流量孔板、仪表根部阀、引压管。

（4）新增1台两级压缩的DW-15／17-54对称平衡型往复式氢气压缩机，因甲醇装置扩能后氢气压缩机进口渗透气压力降低，且增设了二级膜分离器，使得膜分离器前后压差增大，从而可提升氢气回收率。

1.5 其他设备的改造

根据甲醇装置的扩产需要，经核算，对甲醇合成系统的其他设备进行了如下改造：将合成汽包蒸汽出口的丝网除沫器更换为高效丝网除沫器，防止蒸汽产量增加而造成的带液现象；对部分自动调节阀进行了核算更换，如外送蒸汽阀通道加大、甲醇输送阀门更换等；结合HAZOP分析，对部分关键安全点进行改造，如甲醇分离器液位联锁由原一取一改为三取二联锁等，以提升甲醇装置运行的安全性。

2 改造后甲醇合成系统的运行情况

上述改造方案经多方论证后，2017年7月利用全厂大修的机会予以了实施，改造后系统运行情况如下。

（1）入塔气预热器增加麻花铁后，甲醇合成塔入口气温度有所提升，虽然甲醇合成催化剂使用初期甲醇合成塔入口气温度仍然没有达到预期的190℃以上，但甲醇合成催化剂使用中期和后期甲醇合成塔入口气温度提升明显（见表2），甲醇合成系统结蜡现象明显改善，水冷器及甲醇分离器内的蜡类物质明显减少。

表2 改造前后甲醇合成塔部分温度数据的对比 ℃

（2）将第一套甲醇合成系统2台往复式循环气压缩机拆除、新增1台离心式循环气压缩机后，取得了良好的效果：循环气量从原来开1台往复式循环气压缩机时的220 km3／h提升至现在的540 km3／h，循环气量增加带来的气体高空速减少了甲醇合成副反应产物的生成，为甲醇合成系统生产负荷的提升打下了基础；同时，原往复式循环气压缩机配套电机功率为2 200 kW·h，改为利用合成汽包副产蒸汽（经变换系统过热后）驱动汽轮机拖动离心式循环气压缩机后，机组整体运行平稳，仅消耗过热蒸汽约12.2 t／h，达到了节能降耗的效果。

（3）甲醇分离器改造后，气液分离能力增强，在甲醇合成系统设计负荷工况下，工艺气中夹带的甲醇得到有效分离，不过循环气压缩机入口甲醇分离器处仍有少量甲醇带入，下一步还需对甲醇分离器继续进行观察及优化。

（4）甲醇合成弛放气膜分离氢回收系统改造后，膜分离器进气量由改造前的12 096 m3／h增至改造后的14 704 m3／h，氢回收率可达90%以上。2018年10月又对原膜分离器的4组膜进行了更换，同时将氢气压缩机改为了变频操作，以适应甲醇合成催化剂不同使用阶段的甲醇合成弛放气量。

3 结束语

联泓化学2套甲醇合成系统，通过投入较少的资金对入塔气预热器、（第一套甲醇装置）循环气压缩机、甲醇分离器、弛放气膜分离氢回收系统等进行优化改造后，甲醇合成系统运行中存在的一些瓶颈问题得到有效解决，甲醇装置产能得到较大提升，通过一段时间的运行优化，2套甲醇装置的总产能由改造前的720 kt／a提升至改造后的1 000 kt／a，吨甲醇生产成本有效降低，系统的能耗水平和经济效益显著提升，达到了节能降耗、增产增效的目的。