280 kt/a氨醇系统开车及生产运行总结

王 斌,李 强

[山西阳煤丰喜肥业(集团)有限责任公司临猗分公司,山西临猗 044100]

0 引 言

2008年底至2009年初,受国际金融危机影响,国内甲醇行业市场低迷、价格持续走低,国内好多甲醇生产企业相继减产或停产。山西阳煤丰喜集团临猗分公司甲醇分厂原有甲醇产能200 kt/a,亏损较为严重,公司为使企业走出困境,稳定人心和市场,适应市场经济变化的需要,决定对其进行技术改造,调整产品结构,盘活资产,使甲醇分厂同时能够生产甲醇和尿素,提升企业抵御市场风险的能力。

改造后,甲醇分厂总氨年产能340 kt/a(其中液氨产能240 kt/a,甲醇产能100 kt/a),尿素产能400 kt/a。整套装置于2010年7月10日一次性投料开车成功,经过十个月多的生产运行,各项工艺指标和产量均达到或优于工艺设计要求,装置运行稳定,吨氨各项消耗水平低。

我公司280 kt/a氨醇装置采用湖南安淳的醇烃化精制工艺和ⅢJD氨合成工艺技术,现将工艺流程和开车运行情况总结如下。

1 生产工艺流程简介

1.1 醇烃化工艺流程

压缩机送来22.0 MPa的原料气经醇化补气氨冷后和醇化循环气混合,进入醇化油分分离油水,经醇化预热器管间换热,进入醇化塔内换热器,加热至210～220℃,进入催化床层反应,反应后气体经醇化塔内换热器出醇化塔,再进入醇化预热器、醇化水冷器降温至40℃,进入醇分离器分离甲醇;分离甲醇后的醇后气经烃化预热器管间加热后从下部进入烃化塔内换热器管间,提温至210～220℃进入烃化催化层进行反应,出催化床层后经塔内换热器换热降温出烃化塔,再经烃化预热器管内降温到60℃左右,入烃化物分离器分离液态醇烃后,进入烃化水冷器、氨冷器降温至5～8℃,再进入烃化水分离器,分离水和少量醇烃后,作为合格的氨合成原料气进入氨合成系统。醇烃化工艺流程简图如图1。

图1 醇烃化流程示意1—醇化补充氨冷器;2—醇化补气油分;3—醇化塔;4—醇化预热器;5—醇化水冷器;6—醇分离器;7—烃化油分;8—烃化塔; 9—烃化预热器;10—烃化物分离器;11—烃化水冷器;12—烃化氨冷器;13—烃化水分离器;14—循环机

1.2 氨合成工艺流程

从合成油分出来氨含量2.5%左右的未反应气体分成两股:一股75%～80%经塔外热交加热至175～190℃进入塔内下热交的管内,由下而上上升被加热后,再经塔内上热交加热至370℃,经中心管到达催化床“0”米,与由冷管出来25%～20%、370℃的另一股未反应气混合,依次通过催化剂的轴径向床层反应,再进入塔内下热交管间,被管内冷气冷至320～340℃,从合成塔下部出来,进入废热锅炉(副产2.5 MPa蒸汽),换热后温度降至200～210℃,进热交换器冷却至80℃,再进循环水冷排冷却至35℃,进入冷交管间,温度降至10～15℃并分离液氨,然后经过氨冷、氨分二次分氨,补入从烃化来的22.0 MPa新鲜气,使混合气温度达到-10℃左右,再进入冷交管内,回收冷量之后,气体升温至25℃,再进循环机、油分、进塔,出塔,再进入废锅,热交……如此循环。氨合成工艺流程简图如图2。

1.3 工艺流程特点

(1)醇烃化精制工艺优于双甲精制工艺。用烃化催化剂取代甲烷化催化剂,大部分 CO、CO2转化成在常温下可冷凝为液态的烃类产物,极少量转化为甲烷。与双甲精制工艺相比,少耗33%的H2,氨合成放空量减少28%,甲醇产量增加,合成氨产量增加2%～3%。

(2)烃化系统设置两级分离。热交之后,一级分离出长碳链液态的烃化物;二级设置氨冷器,使气体中水蒸气含量降到34×10-6以下,最大限度地保护了氨合成催化剂。

图2 氨合成工艺流程图1—油分离器;2—氨合成塔;3—废热回收器;4—热交换器; 5—软水加热器;6—合成水冷器;7—冷交换器;8—氨冷器; 9—氨分离器;10—循环机

(3)工艺气体净化精制度高。甲醇化出口CO+CO2为0.03%～0.3%,烃化出口 CO+ CO2≤15×10-6;副产粗甲醇质量高,生成的醇醚化物可作汽车燃料,是价廉质高的二次能源,无污染物质排放,清洁、环保。

(4)冷交热气走管外,有利于氨的分离。传统流程中反应后热气由上而下走管内,再由下而上经中心管离开冷交,被管外冷气冷凝的液氨部分积留在管内,影响冷却效果。而新的流程含氨气体走管外,管子是螺旋管,冷凝的液氨沿管壁螺纹槽旋转而下,在分离段分离,提高了冷却效果。

(5)进热交换器的冷气温度35～40℃,使进水冷器的热气温度降到小于80℃,提高了热回收率,减少了设备投资。

(6)循环机位置放在塔前,其优点是节约了冷冻量;补气位置在氨冷氨分离器后,减少氨冷负荷,节约了冷冻量,同时又降低了气体中氨含量,有利氨合成反应。

(7)醇化、烃化、合成设为同一压力, 22.0 MPa等级,节约一台循环机,提高了醇化、烃化的生产能力。本装置采用的流程是节能流程。

2 氨醇装置主要设备简介

2.1 主要设备特点

醇化塔 内件结构为两轴两径,气体分流进塔,且催化剂床层径向段占总床高80%左右,塔阻力小,内件催化剂容积约35.0 m3,催化剂可自卸;φ2 000 mm,H净18 m,醇化塔内装填有粒径为φ5×(4.0～6.0)mm圆柱状的DC207催化剂47.3 t。

烃化塔 内件为两轴一径的绝热反应器,径向段占催化剂床层的42%。内件催化剂容积约31.3 m3,催化剂可自卸;φ1800 mm,H净18 m,装填粒径为2.5～6.7 mm的XAC催化剂89.3t。

氨合成塔 内件结构为一轴两径,未反应气体并联分流进塔,且径向段占整个催化剂床层的82%,塔阻力小。内件催化剂容积约68.5 m3。催化剂可自卸。φ2 500 mm,H净22 m,塔设计压差≤0.8 MPa,内装有粒径为φ3～5 mm的球形催化剂A201Q和HA310Q共203.8 t。

氨合成塔内件特点 氨合成塔内件中有三个换热器,进换热器的三股未反应气是并联分流进入的,只有少量冷气调温,大大减少了冷激气量,更有利于提高氨净值,提高单塔产氨能力;中心管换热器组件为可拆卸式,安装简单方便。

塔前预热器和换热器 换热管采用横纹管,传热系数比光滑管高30%～50%,相应可减少换热面积;大高径比,H/D≥10,适当提高气流速度,增加传热效果;换热器分为两段,热端为抗氢钢材料,冷端为碳钢材料,确保安全运行,又降低了造价。

淋洒式水冷器 醇烃化水冷器和氨合成水冷器均为淋洒式,克服了本地水质条件差易结垢的缺点,便于维修和清洗,强化了换热效果。

2.2 主要设备一览表(表1)

表1 主要设备一览表

3 原始开车情况

整套装置经过设备、管道和内件安装,系统吹除、试压、试气密等工序,醇烃化工段于2010年5月底安装结束,氨合成工段于6月10日安装结束。安装结束后,整套装置进入原始开车阶段,现将原始开车阶段情况总结如下。

3.1 醇烃化系统催化剂还原

3.1.1 醇化塔

醇化塔于6月6日0:00开一台(最后开3台)循环机开始升温还原,累计还原时间100 h,计划还原时间104 h,比计划还原时间缩短4 h。本次催化剂还原采用低氢气浓度还原方案,采用99.9%的N2作为催化剂还原的热载体,整个还原过程安全稳定,还原过程中系统压力控制2.9～3.5 MPa,空速控制3 000 h-1,83℃开始出物理水,164℃开始向还原系统中补入 H2, H2含量＜1%(气源为氨合成新鲜气)。催化剂还原主期控制 H2含量＜1%,后期可根据还原情况适当往高调整。

3.1.2 烃化塔

烃化塔于6月9日0:00开一台(最后开3台)循环机开始升温还原,累计还原时间160 h,计划还原时间168 h,比计划还原时间缩短8 h。本次催化剂还原采用氨合成新鲜气还原方案,还原过程中系统压力初期和中期控制在3.0～3.5 MPa,空速控制3 000 h-1,还原过程中以催化剂出水为目的,以水汽浓度的控制为调节手段;下层催化剂的还原压力可根据还原情况适当往高调整,整个还原过程安全稳定。值得注意的是,催化剂还原主后期,存在大量较高浓度氨水外送的问题,要提前做好准备工作。特别注意还原过程中氨水浓度大于5%时,氨冷温度才能降到0℃以下操作。

3.2 氨合成系统催化剂还原

氨合成塔上层装填A201Q球形催化剂,下层装填HA310Q球形催化剂,于6月17日7:00开一台循环机(最后开5台)开始升温还原,累计还原时间210 h,计划还原时间210 h。本次催化剂还原采用氨合成新鲜气为气源的还原方案,还原过程中初期系统压力控制4.1～4.2 MPa,空速控制3 000～5 000 h-1,催化剂还原后期可根据还原情况将系统压力适当往高调整。

3.3 三塔催化剂还原工作总结

该项目三个合成塔的催化剂装填量大,催化剂还原质量的好坏将直接影响到系统开车后能否稳定连续运行,各项工艺消耗指标能否达到设计要求。三个合成塔的催化剂还原工作十分重要,为此我们专门成立了催化剂还原的组织机构,统一协调和指挥催化剂的还原工作,从技术准备和行动上来保证还原工作的顺利进行。催化剂还原前,我们从人员理论培训、实践操作和熟悉现场工艺流程等方面进行了认真、详细的生产准备工作。

针对甲醇催化剂高氢气浓度还原不稳定、容易飞温、催化剂还原过程中不安全等问题,我们充分利用公司内有效资源,采用99.9%的N2作为催化剂还原的热载体,进入还原主期开始补H2,控制 H2含量＜1%,来确保甲醇催化剂还原的稳定性和成功率;烃化催化剂和氨合成催化剂的装填量都比较大,为确保两塔催化剂的还原质量,我们采用催化剂分层还原的原则,采用“三高三低”的催化剂还原操作法,即高 H2含量、高电炉功率、高空速,低水汽浓度、低压力、低氨冷温度,来保证催化剂还原的质量。从生产运行情况看,三塔催化剂的还原是成功的,催化剂还原的质量是可靠的。

4 生产运行情况

山西阳煤丰喜集团临猗分公司2010年7月投产的DN2500合成氨装置,设计总氨280 kt/a (液氨250 kt/a,粗醇30 kt/a),其中,醇烃化精制工序的主要任务是精炼精制工艺气体(只设计一套醇化装置),使合成氨原料气中的CO+CO2≤15×10-6,不以产甲醇为主要目的。整套装置于7月15日满负荷生产,到目前为止已运行十个多月,整套装置生产运行的工艺指标均达到或优于设计的工艺指标。现将装置的生产运行情况总结如下。

4.1 醇烃化工序生产状况

(1)系统运行工艺参数

原料气流量 103000～106000 m3/h

原料气压力 14.1～15.1 MPa

醇化塔压差 0.1 MPa

烃化塔压差 0.05～0.1 MPa

系统压差 0.3～0.4 MPa

烃化氨冷温度 10～15℃

醇化水冷器温度 27.6℃

烃化水冷器温度 27.9℃

醇化塔炉温 225±5℃

烃化塔炉温 225±5℃

(2)醇烃化气体成分(表2)

表2 醇烃化工序气体成分

4.2 氨合成工序生产状况

(1)系统运行工艺参数

新鲜气流量 99 500～103500 m3/h

系统压力 15.1～16.0 MPa

系统压差 1.1～1.2 M Pa

氨合成塔压差 0.4～0.5 MPa

合成水冷器温度 29.5℃

合成氨冷器温度 -12℃

氨合成塔炉温 475±5℃

(2)氨合成工序气体成分(表3)

表3 氨合成工序气体成分

4.3 产量情况(表4)

表4 醇氨产量

装置最大生产能力921.25 t/d(液氨883.1t,甲醇38.15 t),平均生产能力902.84 t/d(液氨870.83 t,粗醇32.01 t)。合成氨装置的运行压力均在 15.1～16.0 MPa,CH4含量 16%～18%,塔压差0.5 MPa,系统压差1.2 MPa。

4.4 生产运行消耗(吨氨)

循环机电耗 55～65 kW·h

冰机电耗 110～120 kW·h

烃化电炉电耗 15～18 kW·h

合成工段总电耗 180～203 kW·h

循环水消耗 65～70 t

2.5 MPa蒸汽 28.9 t/h(吨氨副产蒸汽≥0.8 t)

5 工程建设经验体会

临猗分公司合成装置的工程特点是,单台设备吨位重,吊装难度大,其中,氨合成塔342 t,为整个项目中最重设备;管道压力等级高,安装焊接工作量大;内件数量多,安装内件,打填料、试气密工作要求专业,工作程序繁琐、严格,施工难度大;催化剂装填种类多,吨位重(3种催化剂,共356 t),原始开车中催化剂装填任务重;醇烃化工段、合成工段吹除、试漏、试气密等原始开车准备工作任务重。现将工程建设过程中的经验总结如下。

(1)若循环机是往复式循环机,循环机相连接管道的振动问题要特别注意,最好是在设计和安装阶段就能够很好地把往复式循环机连接管道的振动问题解决了。

(2)装置中关键设备的制作,如氨合成塔、醇化塔、烃化塔、直通式废热锅炉等设备,在选择设备制作厂家时要谨慎,注重设备制作厂家的实力和工程业绩。

(3)工程安装要选择合成装置安装业绩多且专业的安装施工单位。

6 装置总结

整套装置从工程设计到安装,建设周期短,一次性开车成功。正常生产十个多月以来,生产工艺指标均达到或优于设计工艺指标,装置现场无任何废气和废液排放,达到了环保的零排放,工艺装置的先进性和节能性非常突出。具体如下。

(1)醇烃化工序与氨合成工序均采用22.0 MPa压力运行,这样设置的工艺流程更简洁、更节能。同时氨合成工段还可省去两台高压设备,节省了工程的投资费用。

(2)醇烃化工序只作为氨合成原料气的精制工序来使用,不以产醇为目的,醇化塔和烃化塔均只设置一台即可满足工艺气体精制的需求。

(3)醇烃化与氨合成的循环机共用,正常生产时醇烃化工序不开循环机,5台循环机供氨合成工序使用;醇烃化工序只在催化剂还原时开循环机,节省两台循环机,既满足了工艺需求又节省了工程投资。

(4)三个合成塔的外供热源均采用电加热器来提供。外供热源还有蒸汽和导热油加热器,蒸汽和导热油加热器的设备投资大,我们均采用电加热器来提供热源。正常生产时,醇化塔电炉不工作,烃化塔电炉工作,烃化塔电炉吨氨耗电量为15～18 kW·h,而且操作简单、方便。

(5)氨合成塔内件采用三股气体并联分流进塔,有效降低合成塔压差和系统压差,有效降低合成系统的单耗。

(6)列管式换热器循环水在壳程换热,壳程空间有限,容易堵,影响换热效果。因而我公司这次选用了淋洒式水冷器,有条件的工厂也可选用蒸发式水冷器代替淋洒式水冷器。蒸发式水冷器采用软水来强制冷却,吨氨消耗低,设备占地面积小,更环保、节能。

(7)醇烃化精制工艺作为一种新型、节能、环保的合成氨原料气精制工艺,与传统的合成氨原料气精制工艺相比,具有物料消耗小、精制纯度高、制造成本低、环境污染小等诸多优势,其工艺指标运行稳定,系统能够低成本、长周期平稳运行,给企业带来了良好的经济、环保以及社会效益。

(8)氨合成工序工艺先进可靠,操作简单,劳动强度低,热量和冷量利用合理,工作压力低,吨氨消耗低,更节能。