周傳華,孫新莊,崔志杰,王俊峰,申屠梁,胡亮華,劉 維
(1.杭州林達化工技術(shù)工程有限公司,浙江 杭州 310012;2.徐州華裕煤氣有限公司,江蘇 徐州 221000)
隨著城市煤氣需求量日益增長和環(huán)保要求的不斷升級,徐州環(huán)宇焦化作為徐州市唯一人工煤氣氣源廠亟需進行異地擴能改造,為加快搬遷擴能改造工程建設(shè),成立了徐州華裕煤氣有限公司,作為項目公司實施搬遷改造工程。
工程年供應(yīng)城市煤氣達3×108m3以上,年產(chǎn)焦炭1300kt,配套150kt/a甲醇裝置用于煤氣調(diào)峰。其中,甲醇裝置以焦?fàn)t煤氣為原料,氣體經(jīng)凈化、轉(zhuǎn)化、壓縮,制備合格的甲醇合成原料氣,裝置包括了由賽鼎工程有限公司設(shè)計的空分、壓縮、甲醇合成和精餾、甲醇罐區(qū)等單元;甲醇合成系統(tǒng)壓力6.0MPa,合成工藝選用杭州林達的新型水管型甲醇合成反應(yīng)器專利技術(shù);催化劑選用四川天一科技股份有限公司的φ6×5mm催化劑(重量57.9t);設(shè)計副產(chǎn)壓力>1.5MPa蒸汽。2009年開工建設(shè),2012年11月3日成功投產(chǎn)。
合成氣壓縮機P3301出口的轉(zhuǎn)化氣與循環(huán)氣形成的混合氣,壓力5.5MPa、溫度約55℃,在塔前換熱器E3301中被出甲醇合成塔R3301的反應(yīng)氣預(yù)熱至200℃后,進入甲醇合成塔R3301,進塔氣至上而下通過催化劑層進行甲醇合成反應(yīng),反應(yīng)熱使反應(yīng)器列管內(nèi)的鍋爐水汽化,并經(jīng)自然循環(huán)在汽包V3301中分離出蒸汽。
反應(yīng)后氣體出R3301,經(jīng)E3301管程加熱入塔氣,然后經(jīng)蒸發(fā)式冷卻器E3302冷卻至40℃,氣體中甲醇和水絕大部分被冷凝,并在甲醇分離器F3301中分離下來。分離后的氣體,一部分作為循環(huán)氣去P3302提壓重新返回合成塔;另一部分作為弛放氣經(jīng)洗醇塔T3301回收甲醇后減壓,再分別去焦?fàn)t、轉(zhuǎn)化裝置燃燒或并入燃料管網(wǎng)。
F3301分離下來的粗甲醇經(jīng)甲醇過濾器過濾雜質(zhì)后,去閃蒸槽F3302減壓閃蒸出溶解氣后,至甲醇精餾工序。閃蒸壓力為0.5MPa(G),閃蒸氣與弛放氣一并作燃料氣。
表1 甲醇合成系統(tǒng)主要設(shè)備一覽表
甲醇合成反應(yīng)器是甲醇生產(chǎn)的核心設(shè)備,新型水管型合成塔(圖2)不同于管殼塔結(jié)構(gòu),其由高壓外筒、內(nèi)件和催化劑三部分組成。外筒由Q345R、15CrMoR多層板包扎而成;殼體上部設(shè)計有一對法蘭,用于內(nèi)件安裝和檢修;上球形封頭設(shè)有兩組測溫?zé)犭娕冀涌?,從頂部垂直插入催化劑床層,每組測溫?zé)犭娕紲y8個點,相鄰兩點距離約800mm,同平面有2個測溫點。內(nèi)件為全不銹鋼管,管內(nèi)介質(zhì)為飽和水及蒸汽,管外介質(zhì)為催化劑;內(nèi)件由多組同心環(huán)形管束組成,各組環(huán)形管束在催化劑層的上下連接成一體,并通過膨脹石墨/膨脹節(jié)與外殼連接,以保證受熱后的自由伸縮;內(nèi)件支承在殼體下球形封頭上。
圖1 甲醇合成系統(tǒng)流程示意
圖2 新型水管型甲醇合成塔結(jié)構(gòu)示意
新型水管型合成塔最大的優(yōu)點是:一是內(nèi)件采用普通的無縫不銹鋼管,避免催化劑層內(nèi)列管存在焊縫,內(nèi)件泄漏可能性降低;二是從結(jié)構(gòu)上根除熱應(yīng)力,結(jié)構(gòu)可靠性增加,設(shè)備投資省,此外,內(nèi)件安裝和檢修方便;三是鍋爐水自然循環(huán),節(jié)省能耗。
甲醇合成催化劑的升溫還原方案由催化劑廠家、林達公司及車間技術(shù)人員共同討論確定:以焦?fàn)t氣為還原介質(zhì),還原壓力約1.0MPa;將2.5MPa蒸汽通過開工噴射器補入循環(huán)鍋爐水系統(tǒng),進行催化劑的升溫還原。
物理出水從常溫至140℃,還原出水從140℃至220~230℃,整個過程通過出水量控制升溫還原進程,小時出水量<150kg,還原末期通過進、出塔氣氫氣濃度判定還原是否結(jié)束。
還原后床層溫度降至210℃,通入轉(zhuǎn)化氣進行置換,催化劑層溫差控制為,軸向<30℃、徑向<5℃。
實際操作情況:還原前出物理水1988kg,自2012年10月31日12:25配入經(jīng)精脫硫的焦?fàn)t氣開始還原,至11月3日9:30開始導(dǎo)氣投產(chǎn);還原累計耗時69h,還原過程比較平穩(wěn),累計出化學(xué)水6753.6kg,總出水量8742kg、約占催化劑總質(zhì)量的15%。
甲醇合成系統(tǒng)于11月3日轉(zhuǎn)入輕負荷生產(chǎn)后,合成系統(tǒng)自產(chǎn)壓力>1.5MPa蒸汽,關(guān)閉開工噴射器前后切斷閥,將開工蒸汽從系統(tǒng)中切出,鍋爐水系統(tǒng)利用兩側(cè)鍋爐水密度差實現(xiàn)自然循環(huán),副產(chǎn)的蒸汽與鍋爐水一起從甲醇反應(yīng)器頂部進入汽包進行氣液分離。11月6日開始加量生產(chǎn),運行數(shù)據(jù)如表2、表3。
表2 合成原料氣、入塔氣及甲醇產(chǎn)量情況
表3 甲醇合成塔壓力和溫度分布情況
目前,在轉(zhuǎn)化氣量48985m3/h,入塔CO+CO2約11.57%(mol),CO+CO2的總轉(zhuǎn)化率>90%情況下,日產(chǎn)精甲醇429t。催化劑層平面溫差<5℃、軸向溫差<30℃,合成塔阻力僅0.1MPa。
(1)甲醇合成塔采用水冷方式移熱,與氣冷方式相比,操作穩(wěn)定性好,催化劑層溫度基本不會受原料氣量或組成變化而大幅波動,生產(chǎn)控制容易。合成塔鍋爐水為自然循環(huán)方式與催化劑層換熱,裝置內(nèi)不設(shè)鍋爐循環(huán)水泵,一是減少了循環(huán)水泵這部分投資和運行費用,二是杜絕了循環(huán)水泵突然停車對催化劑層溫度控制的影響。
(2)甲醇合成塔內(nèi)的催化劑裝在列管外,催化劑裝填系數(shù)大(約70%)。本項目合成塔內(nèi)徑為2800mm,同規(guī)模管殼式塔內(nèi)徑預(yù)計為3800mm,雖然塔徑相對較小,但催化劑層氣體流通面積比管殼式塔大,阻力小,從而有利于降低循環(huán)機功耗。相較于管殼式反應(yīng)器,水管型反應(yīng)器更易于大型化。
(3)塔前換熱器設(shè)計面積富裕,有利于提高合成塔進口溫度,雖然設(shè)備的一次性投入增加,但進塔氣溫度提高有利于提高上層催化劑活性,對提高CO、CO2的單程轉(zhuǎn)化率有利,同時,進塔氣溫度提高后,理論上副產(chǎn)蒸汽量也將增加,可提高反應(yīng)熱回收率。
(4)蒸發(fā)式水冷器在本項目中運用,有利于降低冷卻水消耗,每臺水冷器的補水量僅為6m3/h。北方特別是冬季氣溫低,充分利用空氣中的冷量更有利于節(jié)省冷卻水消耗。與列管式換熱器相比,雖然一次性投入相對較高、占地面積較大,但總體運行費用低。另外,本項目為3組蒸發(fā)式水冷器并聯(lián)運行,實際操作中可以降低負荷完成水冷器在線分別除蠟,故可以提高年運行天數(shù)。