易洪民

(神華新疆化工有限公司 新疆烏魯木齊 830019)

1 甲醇合成裝置簡(jiǎn)介

神華新疆化工有限公司1 800 kt/a煤制甲醇項(xiàng)目于2016年5月底投料試車，7月初生產(chǎn)出合格甲醇產(chǎn)品。該煤制甲醇項(xiàng)目主要由空分裝置、氣化裝置、凈化硫回收裝置、甲醇合成裝置組成，其中甲醇合成裝置采用英國Davy工藝技術(shù)有限公司的甲醇合成工藝技術(shù)及英國莊信萬豐公司的甲醇合成催化劑來生產(chǎn)MTO級(jí)甲醇，生產(chǎn)能力為1 800 kt/a(按100%甲醇計(jì))。該甲醇合成技術(shù)采用雙反應(yīng)器串并聯(lián)的方式，具有合成氣轉(zhuǎn)化率高(99%)、原料消耗低、系統(tǒng)壓降小、能量利用合理、流程簡(jiǎn)練、控制簡(jiǎn)單、三廢排放量少等特點(diǎn)。

如圖1所示：凈化后的合成氣分為2股，其中占總體積56%的新鮮合成氣與循環(huán)氣混合，經(jīng)合成回路中間換熱器A預(yù)熱后進(jìn)入甲醇合成塔A，甲醇合成反應(yīng)熱副產(chǎn)的2.11 MPa(表壓)飽和蒸汽經(jīng)甲醇合成汽包A分離后進(jìn)入裝置內(nèi)副產(chǎn)蒸汽總管；甲醇合成塔A出口氣體經(jīng)合成回路中間換熱器A預(yù)熱甲醇合成塔A入口氣體后，依次經(jīng)空冷器A和粗甲醇水冷器A冷卻至45 ℃進(jìn)入粗甲醇分離器A進(jìn)行氣液分離，分離得到的粗甲醇經(jīng)粗甲醇過濾器A過濾后送至閃蒸槽；在粗甲醇分離器A分離出的氣體與占總體積44%的新鮮合成氣混合并經(jīng)合成氣壓縮機(jī)加壓后進(jìn)入合成回路中間換熱器B被預(yù)熱，然后進(jìn)入甲醇合成塔B，甲醇合成反應(yīng)熱副產(chǎn)的2.11 MPa(表壓)飽和蒸汽經(jīng)甲醇合成汽包B分離后進(jìn)入裝置內(nèi)副產(chǎn)蒸汽總管；甲醇合成塔B出口氣體經(jīng)合成回路中間換熱器B預(yù)熱甲醇合成塔B入口氣體后，依次經(jīng)

1.甲醇合成塔A 2.甲醇合成塔B 3.甲醇合成汽包A 4.甲醇合成汽包B 5.鍋爐給水預(yù)熱器 6.空冷器B7.空冷器A 8.合成氣壓縮機(jī) 9.粗甲醇水冷器A 10.粗甲醇水冷器B 11.粗甲醇分離器A 12.粗甲醇分離器B13.閃蒸槽 14.合成回路中間換熱器A 15.合成回路中間換熱器B 16.粗甲醇過濾器A 17.粗甲醇過濾器B圖1 甲醇合成工藝流程

空冷器B和粗甲醇水冷器B冷卻至45 ℃進(jìn)入粗甲醇分離器B進(jìn)行氣液分離，分離得到的粗甲醇經(jīng)粗甲醇過濾器B過濾去除石蠟、催化劑粉末等雜質(zhì)以后送至閃蒸槽；閃蒸槽底部得到的粗甲醇送入穩(wěn)定塔進(jìn)行MTO級(jí)甲醇的精制，合格的MTO級(jí)甲醇經(jīng)MTO級(jí)甲醇冷凝器換熱冷卻至40 ℃后送下罐區(qū)儲(chǔ)存，頂部出口的循環(huán)氣返回甲醇合成塔A，另有少量氣體作為弛放氣送氫回收單元以調(diào)節(jié)合成循環(huán)回路的惰性氣體含量。

2 甲醇合成裝置運(yùn)行概況

該甲醇合成裝置經(jīng)1年多的實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行，逐漸暴露出一些影響裝置長(zhǎng)周期滿負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行的問題，如合成氣壓縮機(jī)干氣密封一級(jí)密封氣壓差小、MTO級(jí)甲醇冷凝器和粗甲醇水冷器結(jié)蠟、地下槽系統(tǒng)設(shè)計(jì)不完善、合成氣壓縮機(jī)抽氣器二級(jí)抽循環(huán)水回水溫度高等。為了從根本上解決上述問題、消除設(shè)計(jì)缺陷，實(shí)施了相應(yīng)的技術(shù)改造和優(yōu)化措施，取得了顯著的效果。

3 存在的問題及技改方案

3.1 合成氣壓縮機(jī)干氣密封一級(jí)密封氣壓差低

合成氣壓縮機(jī)選用美國Flowserve公司的單向螺旋槽結(jié)構(gòu)、帶中間進(jìn)氣的串聯(lián)式干氣密封組件，其第1級(jí)主密封氣采用工藝氣，引入0.7 MPa低壓氮?dú)庾鳛榈?級(jí)密封的氣源，通過一級(jí)密封泄漏出的工藝氣體被氮?dú)馊恳牖鹁嫒紵?，而通過二級(jí)密封漏入大氣的全部為氮?dú)?，?dāng)主密封失效時(shí)，第2級(jí)密封同樣起到輔助安全密封的作用。隔離密封位于密封殼體與壓縮機(jī)軸承之間，同樣采用0.7 MPa低壓氮?dú)庾鳛楦綦x氣氣源，以阻止壓縮機(jī)潤(rùn)滑油進(jìn)入密封腔而污染密封端面，同時(shí)可防止工藝氣向外進(jìn)入潤(rùn)滑軸承箱。

干氣密封工作原理：當(dāng)端面外側(cè)開設(shè)的流體動(dòng)壓槽(2.5～10.0 μm)的動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，流體動(dòng)壓槽把外徑側(cè)(稱之為上游側(cè))的高壓隔離氣體泵入密封端面之間，由外徑至槽徑處氣膜壓力逐漸增大，而自槽徑至內(nèi)徑處氣膜壓力逐漸下降，因端面膜壓增大使所形成的開啟力大于作用在密封環(huán)上的閉合力，在摩擦副之間形成很薄的一層氣膜(1.0～3.0 μm)，從而使密封工作在非接觸狀態(tài)下，所形成的氣膜完全阻塞了相對(duì)低壓的密封介質(zhì)泄漏通道，實(shí)現(xiàn)了密封介質(zhì)的零泄漏或零逸出。

正常操作時(shí)，壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)端與非驅(qū)動(dòng)端一級(jí)密封氣壓差≥70 kPa，低低聯(lián)鎖值為≤12 kPa。當(dāng)無法產(chǎn)生足夠給干氣密封供氣的壓差時(shí)，來自機(jī)殼內(nèi)未經(jīng)過濾的氣體就會(huì)進(jìn)入密封腔，易造成干氣密封損壞。

3.1.1 存在問題

(1)在啟動(dòng)合成氣壓縮機(jī)前，需用0.7 MPa低壓氮?dú)饨⒁患?jí)密封氣壓差(≥70 kPa)，合成氣壓縮機(jī)正常啟動(dòng)后，需切換至合成氣壓縮機(jī)出口合成氣作為一級(jí)密封氣氣源，在切換過程中易發(fā)生因一級(jí)密封氣壓力低而聯(lián)鎖跳車；如果系統(tǒng)壓力大于0.7 MPa，由于合成氣壓縮機(jī)啟動(dòng)前低壓氮?dú)鈮毫χ挥?.7 MPa，一級(jí)密封氣增壓泵只有10 kPa的增壓能力，無法建立一級(jí)密封氣壓差≥70 kPa的工況，此時(shí)將引起工藝氣反竄，最終導(dǎo)致干氣密封組件的密封面污染受損。

(2)正常生產(chǎn)后，當(dāng)壓縮機(jī)發(fā)生跳車時(shí)，系統(tǒng)壓力高達(dá)7.8 MPa，由于一級(jí)密封氣增壓泵只有10 kPa的增壓能力，自密封氣無法建立一級(jí)密封氣壓差≥70 kPa的工況，同樣會(huì)造成工藝氣反竄，最終導(dǎo)致干氣密封組件的密封面污染受損。

3.1.2 改造內(nèi)容

采用8.0 MPa高壓氮?dú)庾鳛閴嚎s機(jī)一級(jí)密封氣氣源，同時(shí)增設(shè)1只兩位切斷閥，當(dāng)一級(jí)密封氣壓力低于30 kPa時(shí)，聯(lián)鎖或手動(dòng)打開兩位切斷閥，以保證一級(jí)密封氣壓差≥70 kPa，實(shí)現(xiàn)干氣密封組件的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.1.3 改造效果

改造措施實(shí)施后，在加減負(fù)荷、開停車、事故處理過程中，不僅可以避免一級(jí)干氣密封氣壓力低低(≤12 kPa)聯(lián)鎖停車，而且可以避免干氣密封組件的污染受損，有效保證了合成氣壓縮機(jī)組的安全平穩(wěn)運(yùn)行。

3.2 MTO級(jí)甲醇冷凝器結(jié)蠟

甲醇合成裝置反應(yīng)生成石蠟是不可避免的，生成的石蠟一部分經(jīng)粗甲醇過濾器過濾后清除，其余的石蠟通過穩(wěn)定塔精餾后進(jìn)入MTO級(jí)甲醇冷凝器。

MTO級(jí)甲醇冷凝器的管程入口和出口設(shè)計(jì)操作溫度分別為92 ℃以及40 ℃，設(shè)計(jì)操作壓力為0.68 MPa，材質(zhì)為304不銹鋼，走M(jìn)TO級(jí)甲醇；殼程入口和出口設(shè)計(jì)操作溫度分別為30 ℃以及40 ℃，設(shè)計(jì)操作壓力為0.44 MPa，材質(zhì)為碳鋼，走循環(huán)冷卻水。

3.2.1 存在問題

(1)在生產(chǎn)過程中，石蠟冷凝后附著在MTO級(jí)甲醇冷凝器的換熱管內(nèi)部，導(dǎo)致MTO級(jí)甲醇冷凝器出口MTO級(jí)甲醇溫度高達(dá)60 ℃。除蠟時(shí)，需要關(guān)閉循環(huán)水上水閥門，將MTO級(jí)甲醇冷凝器出口MTO級(jí)甲醇溫度提高至88 ℃(甲醇沸點(diǎn)為64.7 ℃)才能將石蠟徹底清除干凈，但是高溫甲醇給罐區(qū)安全運(yùn)行帶來重大隱患。

(2)循環(huán)冷卻水走殼程，其材質(zhì)為碳鋼，易結(jié)垢、腐蝕。在甲醇合成裝置運(yùn)行初期，由于循環(huán)水水質(zhì)控制不嚴(yán)，造成結(jié)垢、腐蝕加重，嚴(yán)重影響該換熱器的換熱效果，導(dǎo)致出口MTO級(jí)甲醇溫度高達(dá)60 ℃，給罐區(qū)安全運(yùn)行帶來極大的隱患；每次進(jìn)行高壓清洗時(shí)，需要抽芯清洗換熱器殼程，造成檢修工作量大、耗時(shí)長(zhǎng)，嚴(yán)重影響裝置的經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行。

3.2.2 改造內(nèi)容

新增1臺(tái)MTO級(jí)甲醇冷凝器與原MTO級(jí)甲醇冷凝器并聯(lián)，其管程入口和出口設(shè)計(jì)操作溫度分別為30 ℃和40 ℃，設(shè)計(jì)操作壓力為0.44 MPa；殼程入口和出口設(shè)計(jì)操作溫度分別為92 ℃和40 ℃，設(shè)計(jì)操作壓力為0.68 MPa；管程和殼程材質(zhì)均采用304不銹鋼，循環(huán)水走管程，MTO級(jí)甲醇走殼程。

3.2.3 改造效果

2臺(tái)MTO級(jí)甲醇冷凝器互為備用，當(dāng)進(jìn)行MTO級(jí)甲醇冷凝器除蠟操作時(shí)，穩(wěn)定塔無需停車處理，MTO級(jí)甲醇冷凝器出口MTO級(jí)甲醇溫度完全能夠穩(wěn)定控制在40 ℃以內(nèi)；對(duì)新增的MTO級(jí)甲醇冷凝器的管束進(jìn)行高壓水清洗時(shí)，只需打開封頭即可清洗循環(huán)水側(cè)污垢，檢修量大幅降低，檢修時(shí)間由36 h縮短至12 h，不僅確保裝置安全穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行，而且保障了罐區(qū)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3 粗甲醇水冷器結(jié)蠟

新鮮合成氣先與循環(huán)氣混合，再經(jīng)合成回路中間換熱器預(yù)熱(220～250 ℃、7.90 MPa)后進(jìn)入甲醇合成塔進(jìn)行甲醇合成反應(yīng)，生成的粗甲醇經(jīng)合成回路中間換熱器換熱(93 ℃、7.89 MPa)后進(jìn)入粗甲醇水冷器，反應(yīng)生成的副產(chǎn)物石蠟冷凝后附著在粗甲醇水冷器的換熱管內(nèi)，造成粗甲醇水冷器出口粗甲醇溫度在50 ℃以上。過高的溫度將嚴(yán)重影響粗甲醇分離器的分離效果，未被分離的粗甲醇隨著循環(huán)氣重新進(jìn)入甲醇合成塔中，不僅嚴(yán)重影響甲醇合成反應(yīng)的效率，而且造成副反應(yīng)增加，給裝置滿負(fù)荷穩(wěn)定高效運(yùn)行帶來極大的影響。

通過對(duì)石蠟成分的分析發(fā)現(xiàn)，正四十烷至正四十八烷的混合烷烴所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為55%，該混合烷烴沸點(diǎn)超過80 ℃，故除蠟操作時(shí)需將管程溫度提高至80 ℃以上。

3.3.1 存在問題

對(duì)粗甲醇水冷器進(jìn)行除蠟操作時(shí)，需要關(guān)閉水冷器殼程的循環(huán)水回水閥門，將粗甲醇出口溫度提高至石蠟的熔融溫度(80 ℃以上)。石蠟的密度比粗甲醇大，石蠟聚集在粗甲醇分離器底部，由于粗甲醇分離器與閃蒸槽存在7.00 MPa的壓差，固體石蠟會(huì)被壓入管道并進(jìn)入粗甲醇過濾器，需頻繁清理粗甲醇過濾器的過濾網(wǎng)，而且石蠟也會(huì)在過濾器前截止閥、調(diào)節(jié)閥處形成堵塞，導(dǎo)致閥門不能正常開啟和切斷，增加在線清洗石蠟的工作難度；此外，夾帶石蠟的粗甲醇經(jīng)過穩(wěn)定塔后，會(huì)影響MTO級(jí)甲醇冷凝器的冷卻效果，造成MTO級(jí)甲醇冷凝器需頻繁除蠟。

由于經(jīng)合成回路中間換熱器后的甲醇?xì)鉁囟仍?0 ℃左右，粗甲醇水冷器出口溫度往往無法達(dá)到除蠟操作要求的溫度，導(dǎo)致系統(tǒng)除蠟不徹底，不僅造成合成系統(tǒng)反應(yīng)惡化，需頻繁進(jìn)行除蠟操作，而且影響裝置安全、平穩(wěn)運(yùn)行。

3.3.2 改造內(nèi)容

在粗甲醇水冷器殼程中間底部排污導(dǎo)淋上增設(shè)0.46 MPa、165 ℃低壓蒸汽管線，若粗甲醇水冷器除蠟時(shí)出口溫度較低，則通入蒸汽加熱循環(huán)水，使其管程出口氣體溫度滿足除蠟操作要求。

3.3.3 改造效果

進(jìn)行除蠟操作后，粗甲醇水冷器出口溫度低于38 ℃，且除蠟操作由原來的每2個(gè)月進(jìn)行1次延長(zhǎng)至每3個(gè)月進(jìn)行1次，大大減輕了操作人員的工作負(fù)荷，而且保證了裝置的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。

3.4 地下槽密閉排放系統(tǒng)改造

地下槽密閉排放系統(tǒng)是保證甲醇合成裝置安全、節(jié)能、環(huán)保運(yùn)行的重要組成部分，甲醇合成裝置區(qū)機(jī)泵檢修時(shí)外排的帶甲醇液體、精餾單元清洗和過濾器清洗產(chǎn)生的帶甲醇液體、各壓縮機(jī)分液罐排液、臨時(shí)取樣的帶醇液體等均需通過地下密閉排放管線排放至地下槽罐，然后送入公用工程系統(tǒng)的甲醇水罐。

3.4.1 存在問題

(1)從甲醇合成裝置開車運(yùn)行至今，每次清理粗甲醇過濾器時(shí)均發(fā)現(xiàn)過濾器底部導(dǎo)淋排液管線被石蠟、鐵屑等雜質(zhì)堵塞。由于該管線直徑只有12.7 mm，且設(shè)有4個(gè)彎頭，排放不暢，造成過濾器內(nèi)部甲醇無法密閉排放至地下槽，只能外排，不僅對(duì)檢修人員的身心健康有害，還存在一定的安全和環(huán)保隱患。

(2)由于地下槽設(shè)備本體無備用開口，正常生產(chǎn)時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)取樣和置換時(shí)留下的含醇廢液以及其他情況排出的含醇廢液都無法回收進(jìn)入地下槽。

(3)在清理地下槽時(shí)發(fā)現(xiàn)，地下槽底部有大量的鐵屑、污泥等雜質(zhì)，但密閉排放進(jìn)入地下槽的總管線并無過濾器及切斷閥，地下槽無法單獨(dú)隔離，每次清理地下槽均需將裝置內(nèi)整個(gè)地下管網(wǎng)進(jìn)行水洗并置換合格，不僅工作量大、耗時(shí)長(zhǎng)，而且存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.4.2 改造內(nèi)容

(1)將粗甲醇過濾器底部密閉排放含醇液體的管線直徑由12.7 mm增大至25.4 mm，并取消彎頭，將管線直接插入地下排放管線，以改善液體流動(dòng)狀況，防止雜質(zhì)堵塞管線。

(2)在地下槽本體遠(yuǎn)程液位計(jì)管線上開口，接1根直徑76.2 mm的管線至地下槽旁邊，配上1只切斷閥和1只漏斗。當(dāng)裝置因臨時(shí)取樣、置換等需要處置含醇廢液時(shí)，打開切斷閥門，將含醇廢液倒入漏斗后關(guān)閉閥門，即可避免含醇液體對(duì)環(huán)境的污染。

(3)在進(jìn)入地下槽的總管上增加1組過濾器及前后切斷閥，過濾器設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)壓差表。當(dāng)過濾器壓差>50 kPa時(shí)進(jìn)行清理，這樣不僅能防止雜質(zhì)再次進(jìn)入地下槽，減少清理地下槽的頻次，而且能將地下槽單獨(dú)隔離，便于清理及檢修。

3.4.3 改造效果

改造后，粗甲醇過濾器密閉排液管線再未發(fā)生堵塞，地下槽由2年清理1次改為根據(jù)需求進(jìn)行檢修、清理；臨時(shí)需排放的含醇廢液倒入地下槽，不僅將安全風(fēng)險(xiǎn)降至最低，而且有利于節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)，保證了裝置的長(zhǎng)周期、穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行。

3.5 壓縮機(jī)抽氣器二級(jí)抽循環(huán)水回水溫度高

壓縮機(jī)抽氣器二級(jí)抽設(shè)計(jì)循環(huán)水上水壓力為0.45 MPa，回水壓力為0.20 MPa；上水溫度為33 ℃，回水溫度為43 ℃；透平真空度設(shè)計(jì)值為25 kPa(絕壓)。

3.5.1 存在問題

在甲醇合成裝置運(yùn)行過程中，由于壓縮機(jī)抽氣器二級(jí)抽循環(huán)水回水溫度高達(dá)88 ℃，導(dǎo)致透平真空度高達(dá)50 kPa(絕壓)，嚴(yán)重影響裝置的平穩(wěn)運(yùn)行。

3.5.2 改造內(nèi)容

循環(huán)水上水壓力設(shè)計(jì)值為0.45 MPa，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值為0.26 MPa，循環(huán)水壓力不足導(dǎo)致?lián)Q熱效果差。為此，增設(shè)循環(huán)水管道增壓泵(1開1備，)，將循環(huán)水壓力提高至0.45 MPa，并設(shè)計(jì)出口壓力低低聯(lián)鎖(≤0.30 MPa)啟動(dòng)備用泵。

3.5.3 改造效果

改造后，壓縮機(jī)抽氣器二級(jí)抽循環(huán)水上水壓力和回水溫度恢復(fù)正常，透平真空度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，保證了壓縮機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)語

針對(duì)存在的問題，通過采取有針對(duì)性的改造措施，逐步解決了生產(chǎn)和設(shè)計(jì)上存在的絕大部分問題，消除了制約甲醇合成裝置長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行的瓶頸。