600 kt/a甲醇合成系统工艺设计及运行总结

马 辉，崔玉彪，龚普勤

(江西心连心化学工业有限公司，江西 彭泽 332700)

0 引 言

江西心连心化学工业有限公司(简称江西心连心)一期“60·52·40”项目于2021年2月8日建成投产，设计产能为600 kt/a合成氨、520 kt/a尿素、400 kt/a二甲醚，并配套600 kt/a甲醇装置为400 kt/a二甲醚装置提供生产原料。江西心连心“60·52·40”项目醇氨产能为1 200 kt/a，气化系统配置3台多喷嘴对置式水煤浆加压气化炉(两开一备，单台气化炉设计投煤量3 000 t/d，设计操作压力6.5 MPa)，气化炉出口粗煤气进入变换系统一分为二(据产品生产所需原料气成分的不同，设置不同的生产线)，一条线进入甲醇生产线(CO部分变换线)，一条线进入合成氨生产线(CO全变换线)；在甲醇生产线，一部分粗煤气进入变换炉，一部分粗煤气不经变换炉，两股气体汇合出变换界区进入甲醇生产线低温甲醇洗系统，为甲醇合成系统制取合格的原料气；甲醇合成系统制得的粗甲醇，经五塔双效+三效精馏系统制得精甲醇送400 kt/a二甲醚装置作为生产原料。以下主要就600 kt/a甲醇合成系统的工艺设计及运行情况进行分析与总结。

1 甲醇合成工艺技术的选择

1.1 工艺技术方向的确定

甲醇合成工艺技术与氨合成工艺技术类似，不同技术供应商之甲醇合成回路整体工艺设计差别很小，其技术核心及区别主要在于甲醇合成反应器(甲醇合成塔)的设计，甲醇合成塔的效能直接影响着整个合成回路运行的经济性。目前，国外已经工业化的大型甲醇(装置)合成技术主要有鲁奇列管式等温甲醇合成塔技术、庄信万丰戴维径向甲醇合成塔技术、托普索绝热型管壳式甲醇合成塔技术、卡萨利板式换热甲醇合成塔技术、林德螺旋管式甲醇合成塔技术、日本东洋MRF甲醇合成塔技术等[1]。国内甲醇合成技术推广应用较多的有：南京聚拓化工科技有限公司(简称南京聚拓)束管水床式甲醇合成塔，其是在戴维径向甲醇合成塔基础上开发而来；华东理工大学绝热—管壳式甲醇合成塔，其是在鲁奇列管式甲醇合成塔基础上开发而来；南京国昌化工科技有限公司GC型甲醇合成塔，其是在卡萨利板式换热甲醇合成塔基础上开发而来；湖南安淳高新技术有限公司JJD水管式等温低压甲醇合成塔，其是在日本MRF型双套管式水床甲醇合成塔基础上开发而来。

项目建设之初，单套系统甲醇产能在600 kt/a及以上的甲醇合成技术主要被国外垄断，且国外供应商更青睐于产能1 000 kt/a及以上的大型甲醇装置，像采用鲁奇甲醇合成技术、戴维甲醇合成技术的单套系统甲醇合成塔产能均已能轻松达到900 kt/a[2]。江西心连心在进行甲醇合成工艺技术的选择时，基于投资成本控制方面的要求，未考虑国外甲醇合成技术，主要在国内甲醇合成技术中进行考察。当时国内大型甲醇(装置)合成技术应用业绩较多的是华东理工大学的绝热—管壳式甲醇合成塔，其优点是，管内装催化剂、管外走水，相当于整个甲醇合成反应“泡”在水中，床层温度分布均匀，且甲醇合成反应副产物少、甲醇合成催化剂使用寿命长；其缺点是，反应过程为轴向流，催化剂床层阻力大，甲醇合成塔上/下管板(大型化)制造、加工、运输困难。通过对外技术交流考察和对内技术论证分析，认为南京聚拓的束管水床式甲醇合成塔在催化剂装填、塔压差、结构设计、操作运行、大型化设计等方面更具优势，故将其与华东理工大学的绝热—管壳式甲醇合成塔技术作为江西心连心甲醇装置甲醇合成工艺技术备选方案。

1.2 工艺技术方案的对比

若采用绝热—管壳式甲醇合成塔，可供选择的为8.0 MPa级单塔或5.0 MPa级双塔甲醇合成技术方案。鉴于甲醇合成系统设计压力为8.0 MPa时甲醇合成塔直径为DN4200，受项目所在地运输条件限制，经论证分析放弃了8.0 MPa级单塔绝热—管壳式甲醇合成技术。

若采用束管水床式甲醇合成塔，甲醇合成系统(单塔)设计压力采用5.0 MPa或8.0 MPa均可，两种压力等级的投资整体上差别不大，通过模拟计算，其运行参数的对比见表1(注：上游系统气化炉设计操作压力为6.5 MPa，8.0 MPa甲醇合成系统属加压合成，合成气压缩机分为新鲜气压缩段与循环气压缩段；5.0 MPa甲醇合成系统属等压合成，合成气压缩机只有循环气压缩段)。据模拟数据进行简单估算，以电价0.62元/(kW·h)、循环水运行费用0.25元/m3、年运行时间7 200 h计，5.0 MPa甲醇合成系统在长周期运行成本方面更具优势。

表1 束管水床式甲醇合成系统运行参数模拟结果

综上，当时甲醇合成工艺技术方案主要在5.0 MPa级双塔绝热—管壳式甲醇合成塔技术与5.0 MPa级单塔束管水床式甲醇合成塔技术之间抉择，两者投资及运行成本大体相当，技术上各有千秋，前者应用业绩多、技术成熟[2]，后者甲醇合成塔结构设计更合理、适宜于大型化。经多次论证，基于束管水床式甲醇合成塔床层阻力小、催化剂装填量大和装卸方便、合成塔可靠性高、单塔系统各方面更简易等优势，最终决定选择5.0 MPa级单塔束管水床式甲醇合成塔技术。

2 束管水床式甲醇合成塔系统工艺流程简介

低温甲醇洗系统来的新鲜合成气经脱毒槽脱去有害成分，与氢气压缩机来的氢气(由甲醇合成弛放气膜分离氢回收系统提取)、醇分离器来的循环气混合后进入合成气压缩机提压，而后在热交换器中与甲醇合成塔出口气换热，反应气从上部进入甲醇合成塔壳程，从甲醇合成塔外侧向内侧沿径向方向发生反应，最后由中心管出甲醇合成塔；出塔气经热交换器、水冷却器降温后，在醇分离器内进行气液分离，分离出的大部分气相作为循环气返回合成气压缩机，小部分气相作为弛放气经洗醇塔回收甲醇后送弛放气膜分离氢回收系统回收氢气(氢回收系统尾气放空)；醇分离器分离出的液相(粗甲醇)则经两级闪蒸槽闪蒸后送至甲醇罐区。束管水床式甲醇合成塔配备高位汽包，汽包分离出蒸汽后，在重力的作用下炉水从汽包底部进入甲醇合成塔管程移走催化剂床层反应热，然后自流入汽包。

束管水床式甲醇合成塔技术的特点：通过两级闪蒸降低粗甲醇中的轻组分含量，提高产品质量；用洗醇塔液相(稀甲醇)洗涤一级闪蒸槽的闪蒸气，提高稀甲醇浓度，降低运行成本；合成回路设置弛放气膜分离氢回收系统，回收弛放气中的有效成分——氢气，降低系统消耗；热水依靠重力在汽包与甲醇合成塔管程间自然循环，不需要额外动力(即无需设置热水循环泵强制循环)；甲醇合成塔为径向结构，床层阻力小；甲醇合成塔上/下进出管口采用4个小管板结构，可节约制作成本，提高甲醇合成塔的可靠性。

3 甲醇合成系统运行情况及问题分析

3.1 甲醇合成系统运行情况

江西心连心600 kt/a甲醇装置2021年2月8日投运，投产以来，整体运行稳定。经测试，甲醇合成系统主要工艺指标基本接近设计值，某一时段甲醇合成系统部分运行数据(均值)与设计值(100%负荷)的对比见表2。可以看出，甲醇合成系统实际运行情况与设计情况基本相符。

表2 某一时段甲醇合成系统运行数据与设计值的对比

3.2 甲醇合成系统问题分析

(1)目前，江西心连心600 kt/a甲醇合成系统一大主要问题是副产蒸汽品质偏低——设计副产蒸汽压力为2.70 MPa、实际生产中副产蒸汽压力只有1.89 MPa左右，导致蒸汽流量示数不准确；但通过汽包上水流量可知，副产蒸汽量基本上接近设计值，计划在系统中修时伺机进行流量计参数调校。

(2)本套系统为工艺包供应商设计的第一套600 kt/a甲醇合成系统，由于缺乏运行数据支撑，设计时为防止甲醇合成催化剂使用初期催化剂床层超温，在热交换器进口前设置有1根直径8″的冷副线进行甲醇合成催化剂床层温度调节；实际生产中，由于甲醇合成塔压差太低，此冷副线过气量太小，无法起到有效调节甲醇合成催化剂床层温度的作用。

(3)由于甲醇合成塔反应热移出能力差，设计床层热点温度为(245±5) ℃，而实际床层热点温度达260 ℃，导致甲醇合成反应副反应较多，粗甲醇中乙醇含量超过设计值600×10-6，生产中部分时段甚至达(1 500～2 000)×10-6。对于此问题，目前江西心连心正与工艺包供应商及甲醇合成催化剂供应商进行进一步交流与摸索，以寻找最佳解决方案。

4 结束语

江西心连心600 kt/a甲醇装置选用的国内5.0 MPa级束管水床式甲醇合成塔技术，当时该技术在产能300 kt/a以下的甲醇装置上的应用业绩也寥寥无几，江西心连心这套装置是其在大型甲醇装置中的首次应用，前期经过反复论证作出此选择，确实需要一定的“魄力”。虽然江西心连心甲醇合成系统的运行情况不尽完美，但其在甲醇合成塔阻力、催化剂装卸与催化剂装填量、甲醇合成塔结构合理性等方面确实优势明显[4]。

甲醇合成反应不同于氨合成反应，甲醇合成反应迅速、完成快，相较于鲁奇列管式甲醇合成塔，束管水床式甲醇合成塔(壳程装催化剂，管程走水)在移热设计方面难度更高，需要设计人员结合模型参数、实际运行情况不断调整优化。例如，江西心连心甲醇合成系统副产蒸汽品质偏离设计太多，表明甲醇合成塔内部换热设计方面尚有不足，后续推广中还需调整优化。河南心连心化学工业集团股份有限公司2011—2020年连续10年被中国石油和化学工业联合会评为合成氨行业“能效领跑者标杆企业”，针对江西心连心甲醇合成系统的实际运行情况，后续将与工艺包供应商协作对系统进行进一步优化，为今后的设计优化探明方向，为国产化大型甲醇(装置)合成技术的推广应用做出更多的贡献。