劉生華，汪銀平，龔春香，苗付杰

(盛隆化工有限公司，山東滕州 277519)

高效冷卻方式在焦爐氣合成甲醇中的應用

劉生華，汪銀平，龔春香，苗付杰

(盛隆化工有限公司，山東滕州 277519)

鑒于焦爐煤氣制甲醇合成冷卻系統(tǒng)中U形管冷卻器在使用中存在的問題，將U形管冷卻器改造成復合蒸發(fā)式空冷器，增強了甲醇設備運行的穩(wěn)定性，提高甲醇換熱效率。減少了原冷卻過程中的維修頻率，使用清水對冷卻器的清洗，節(jié)約了水資源。實踐表明，該冷卻器的應用經(jīng)濟、環(huán)保效益明顯。

甲醇;合成;冷卻;高效;應用

盛隆化工有限公司以焦爐氣為原料的10萬t/a甲醇裝置于2006年9月份投產(chǎn)，混合氣合成系統(tǒng)為甲醇生產(chǎn)的關鍵裝置，原水冷器為U形管換熱器，換熱面積991 m2，消耗循環(huán)水量1 300 m3/h，使用過程中由于甲醇的腐蝕，造成U形管換熱器泄漏，沖擊循環(huán)水管道，引起循環(huán)水中有機物超標(僅2008年5月、9月及2009年7月就發(fā)生三次換熱器泄漏事件，裝置被迫停產(chǎn)檢修);同時該換熱器冷卻效果差，尤其夏季時換熱效果不好，換熱器后工藝指標達不到要求，循環(huán)氣中甲醇含量超標，帶入合成塔，影響甲醇質(zhì)量及產(chǎn)量。通過將U形管換熱器改造成新型復合式蒸發(fā)冷卻器有效解決這一難題。

1 甲醇合成工藝

原料氣由轉化工段預熱后進入二合一壓縮機經(jīng)兩級壓縮后形成壓力為4.0～5.9 MPa、溫度80℃的合成氣，隨后進入氣氣換熱器的殼層，由來自甲醇合成塔的熱氣體預熱到205～225℃，然后進入甲醇合成塔上部。反應器管內(nèi)裝有C309銅基低壓合成催化劑，當合成氣進入含催化劑管層后，設備內(nèi)H2與CO、CO2反應生成CH3OH和H2O，同時副反應生成微量的其它雜質(zhì)。合成甲醇反應過程中釋放出大部分熱量由合成塔殼層的壓力3.9MPa、溫度249℃的副產(chǎn)蒸汽帶走，將該蒸汽減溫減壓到0.7 MPa左右并入低壓蒸汽管網(wǎng)。此時，通過調(diào)節(jié)合成塔頂部汽包的壓力來控制催化劑層的溫度及合成塔出口溫度。合成塔反應生成熱反應氣(壓力5.6 MPa、溫度225℃)經(jīng)氣氣換熱器換熱管層后，被冷卻到80～100℃后，由氣氣換熱器管層出來的混合氣體進入U形管換熱器，溫度降至40℃以下，甲醇冷凝成液體，隨后進入甲醇分離器分離出粗甲醇。分離出粗甲醇后的氣體(壓力為5.45 MPa，溫度為40℃)大部分返回到合成氣壓縮機的循環(huán)段，經(jīng)加壓后，循環(huán)使用。為了防止合成系統(tǒng)中惰性氣體的積累，運行中需要連續(xù)地釋放部分循環(huán)氣，作為弛放氣送往焦爐或轉化燃燒。整體工藝流程如圖1所示。

圖1 合成工藝流程圖

2 U形管換熱器存在問題

使用過程中發(fā)現(xiàn):①由于甲醇及循環(huán)水的腐蝕，造成U形管換熱器泄漏，4.0MPa的混合氣進入0.4 MPa的循環(huán)水管道，巨大壓差沖擊循環(huán)水管道(2008年5月將循環(huán)水回水管撕裂)，增加了甲醇停車維修率。②少量甲醇進入循環(huán)氣中，增大了二合一壓縮機的負荷。③降低粗甲醇合成效率;合成副反應增加，副產(chǎn)物增多，降低了粗甲醇品質(zhì)。④少量甲醇隨弛放氣排出，造成浪費、污染環(huán)境。經(jīng)測算，此現(xiàn)象發(fā)生前后，合成甲醇噸消耗焦爐氣由1 868 Nm3上升為2 030 Nm3，按日產(chǎn)250 t甲醇計算，日損失甲醇23.4 t。

3 冷卻改造方案

為從根本上解決問題，盛隆公司經(jīng)過多方考察論證，于2010年5月利用甲醇合成裝置西側空置區(qū)域設計增加兩套復合型變頻蒸發(fā)式冷卻器設備，在U形管換熱器進出口管道處并聯(lián)接入蒸發(fā)冷冷卻器(如圖2)。

圖2 復合型蒸發(fā)式冷卻器工作原理

該冷卻器以水和空氣為冷卻介質(zhì)，在設備內(nèi)部通過循環(huán)冷卻水的蒸發(fā)吸熱和外部含水蒸氣的空氣熱傳遞將高溫氣體或介質(zhì)(水在一個大氣壓下的汽化熱為2 386.48 kJ/kg)冷卻。運行中高溫高壓氣體或高溫液體從盤管部件和翅片部件頂部集管進入，被分配給每根冷卻盤管，而循環(huán)冷卻水由冷卻器底部水泵送至冷卻盤管部件上部的噴淋水管中，由噴嘴均勻地噴淋在盤管的外表面，冷卻管內(nèi)的熱量通過管壁傳給管外表面的冷卻水從而形成一層很薄的水膜，實現(xiàn)熱量的交換。蒸發(fā)的水膜穿過熱盤管后使得空氣濕度增加而達到飽和狀態(tài)，隨后由風機從管束中抽出飽和的濕空氣，并使其穿過收水器(位于噴淋分配器上方)，從而再一次將熱量進行交換。最后飽和的濕空氣由上部風機抽排至設備外進入大氣中，加速管外表面水膜的蒸發(fā)。其余沒有被蒸發(fā)的冷卻水吸收部分熱后在重力作用下流入底部的集水箱中，與補充的新鮮水混合供噴淋水泵循環(huán)使用(如圖2)。

本系統(tǒng)在進脫鹽水箱的兩根現(xiàn)有的冷凝液管道上取其中一根，連接DN80管道三通分到兩側蒸發(fā)水池中，用于補充新鮮水。

4 復合型蒸發(fā)式冷卻器特點

①復合式的應用，即水冷與空冷的結合。改變設備冷卻介質(zhì)進口的收水器，依靠翅片加強散熱，這樣做的優(yōu)點:a.緩解管壁結垢，經(jīng)過空冷散熱后介質(zhì)溫度降低到70℃以下，這樣管壁結垢的速率很慢或者不結垢;b.消除白霧現(xiàn)象，高溫的介質(zhì)散熱這樣可以提高通過收水器的水汽溫度，降低外排氣的相對濕度，沒有白霧現(xiàn)象;c.緩解腐蝕。廠區(qū)空氣含液滴數(shù)量少，同時防止水汽液滴吸收廠區(qū)的有害氣體而導致的管道設備表面腐蝕;d.由于空冷散發(fā)一定的熱量，比單一的蒸發(fā)冷熱負荷降低30%左右，所以節(jié)水;e.減小設備應力，空冷段、蒸發(fā)冷段每一段的溫度差都減小，設備的整體應力也明顯減小。

②被冷卻介質(zhì)的出口溫度傳入DCS控制系統(tǒng)，員工不需進行操作，系統(tǒng)使用變頻調(diào)節(jié)風扇轉速，可以有效節(jié)能節(jié)電。

③收水器采用折流板收水，在不降低收水效率的前提下，降低來收水層的阻力，減小的風機功耗，也可以節(jié)電。

④設備采用厚壁管材，尤其是彎頭部位采用裕量更大(1.5倍以上)的管材可以明顯延長設備的使用壽命。

⑤設備采用模塊化，提高運行效率。某一模塊出現(xiàn)泄漏等問題，可以關閉該模塊，其他模塊仍可以保證生產(chǎn)需要。

⑥消除了整體應力:復合式分兩段可以減少大部分應力;換熱管束與管板不焊接固定，溫差較大的設備管束與管板不固定;而且管板開口明顯大于管徑，可以降低振動產(chǎn)生的破壞應力。

U形管換熱器與復合型變頻蒸發(fā)式冷卻器技術規(guī)格對比如下:Φ1 500臥式U形管式換熱器;A= 991 m2，雙管程雙殼程，換熱管Φ19×2，L=6 000 mm，管程操作溫度為:40～100℃，操作壓力為: 5.55MPa;殼程操作溫度為32～42℃;操作壓力為0.35 MPa;介質(zhì)為循環(huán)水。復合型蒸發(fā)式冷卻器:外形尺寸為9 470 mm×3 800 mm×5 115 mm;設計壓力為6.3MPa;設計溫度為180℃;排風量為7 200 kW;風量為8×9 000 m3;水量2×336 m3/h，介質(zhì)為冷凝液或循環(huán)水。

5 實施效果

自2011年9月份復合型變頻蒸發(fā)式冷卻器投入使用以來，裝置運行平穩(wěn)可靠。冷卻器后混合氣溫度可達到37℃，滿足混合氣≤40℃的工藝要求。降低了二合一機組的運行負荷，保證了粗甲醇合成品質(zhì)和合成效率，大大提高了企業(yè)經(jīng)濟效益。同時減少由于U形管換熱器泄漏造成停產(chǎn)維修的頻次，以及由此引起循環(huán)水中有機物超標對冷卻器的清洗，減少維修頻次，運行中如在負荷允許或溫度較低的情況下風水混合冷卻器可關閉循環(huán)冷卻水或風機，只依靠風冷或水冷使甲醇冷凝，進一步節(jié)約了水電資源。該冷卻方式在甲醇空分、轉化、合成、精餾的應用值得推廣。

TQ051.61

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1003-3467(2015)10-0050-03

2015-07-28

劉生華(1981-)，男，助理工程師，從事煤化工安全生產(chǎn)管理工作，電話:13869444774。