甲醇储存系统耦合连通改造分析与应用实践

王 伟，马少龙，杜 蕊

(陕西渭河煤化工集团有限责任公司，陕西 渭南 714000)

0 引 言

陕西渭河煤化工集团有限责任公司(简称陕西渭化)本部现有3套生产装置，包括一期300 kt/a合成氨与520 kt/a尿素装置(1996年5月投产)、二期200 kt/a甲醇装置(2006年5月投产)、三期400 kt/a甲醇装置(2011年3月投产)，3套生产装置前端系统(工艺气、氧气)和公用工程系统(蒸汽、锅炉给水、脱盐水、仪表空气、工厂空气等)互联互通；其中，2套甲醇装置均采用德士古水煤浆气化、林德低温甲醇洗净化工艺，甲醇合成系统分别采用杭州林达均温型甲醇合成工艺、卡萨利甲醇合成工艺，甲醇精馏系统均采用天津大学三塔双效精馏工艺。为有效应对日常生产经营中的突发状况，提升装置运行效率及运行负荷，达到安全、环保、高效、节约、经济运行的整体目标，陕西渭化对甲醇储存系统进行优化改进，将二期甲醇装置、三期甲醇装置后端的粗甲醇储罐与630甲醇产品罐[630甲醇产品罐为陕西渭河化工科技有限责任公司(简称渭化科技公司)100 kt/a二甲醚装置的原料储罐]进行了有效耦合连通，这对灵活调整产品结构和产品质量等意义重大。以下对有关情况作一介绍。

1 甲醇精馏系统及储罐概况

1.1 甲醇精馏系统工艺流程简介

陕西渭化二期甲醇装置和三期甲醇装置精馏系统均采用天津大学的节能型三塔双效精馏工艺，系统操作弹性40%～130%，设计精甲醇产品质量符合美国联邦标准“AA”级要求。

甲醇合成系统制得的粗甲醇经粗甲醇进料泵加压，预热后送至预塔，预塔塔顶设置2台冷凝器，Ⅰ级冷凝器将塔内上升气中的甲醇蒸气大部分冷凝后送入预塔回流槽，并经预塔回流泵送入塔顶作为回流液，不凝气及轻组分、部分未冷凝甲醇蒸气则进入Ⅱ级冷凝器进一步冷凝，将其中大部分甲醇蒸气冷凝后，进入甲醇萃取槽用脱盐水萃取，萃取液溢流入甲醇油贮槽，甲醇和水则自流入回流罐。预塔塔釜粗甲醇经加压塔进料泵加压并与加压塔塔釜出料换热后进入加压塔，加压塔顶部甲醇蒸气进入冷凝器与常压塔釜液换热，作为常压塔热源，甲醇蒸气被冷凝后进入回流槽，一部分经加压后送至塔顶作为回流液，其余作为精甲醇产品送往中间槽。加压塔塔釜粗甲醇经加压塔换热器与加压塔进料换热后进入常压塔，常压塔顶部甲醇蒸气经冷凝后进入回流槽，再经加压后，一部分送往塔顶作为回流液，其余部分作为精甲醇产品送往中间槽，常压塔塔釜粗甲醇经汽提塔进料泵加压后进入汽提塔，或与汽提塔塔底废水混合进入汽提塔废水冷却器。常压塔中下部设有侧线采出，出料经常压塔侧线采出泵加压后送入汽提塔中部，汽提塔顶部蒸气经冷却，冷凝液流入汽提塔回流槽，槽内甲醇经加压后，一部分送往汽提塔塔顶作为回流液，其余部分作为精甲醇产品送往中间槽；汽提塔汽提所需热量由再沸器提供，其塔板段中上部设有侧线采出，采出的异丁基油和乙醇经冷却后进入甲醇油贮槽，塔釜废水经冷却后加压送至废水处理系统或气化磨煤工段。

1.2 粗甲醇储罐及630甲醇产品罐简介

陕西渭化二期甲醇装置粗甲醇储罐(V2812A/B)单台容积502 m3，三期甲醇装置粗甲醇储罐(V8212A/B)单台容积739 m3，630产品罐区甲醇储罐(V3001A/B，简称630产品罐)单台容积10 000 m3。正常生产中，甲醇合成系统等制得的含水粗甲醇进入粗甲醇储罐，粗甲醇经甲醇精馏系统精制后得到的精甲醇进入产品中间罐(V2807A/B)，再通过精甲醇泵(P2807A/B)送至630产品罐(V3001A/B)；V3001A作为渭化科技公司100 kt/a二甲醚装置的原料储罐，V3001B作为贸易甲醇储罐接收低价购进的甲醇，最终均供渭化科技公司100 kt/a二甲醚装置使用。

2 粗甲醇储罐与630产品罐耦合连通方案

将二期甲醇装置粗甲醇储罐(V2812A/B)、三期甲醇装置粗甲醇储罐(V8212A/B)、630产品罐(V3001A/B)进行有效耦合连通，此举可在特殊工况下协调粗甲醇储罐区的存储方式或存储量，维持甲醇装置粗甲醇储罐前端甲醇合成系统负荷不变，甲醇合成系统产出的粗甲醇储存在连通后的大甲醇储罐系统；同时，当200 kt/a甲醇装置长时间低负荷运行时，可以停运二期甲醇装置后端甲醇精馏系统，将前端甲醇合成系统产出的粗甲醇产品储存在连通后的大甲醇储罐系统，通过提高陕西渭化三期甲醇装置后端甲醇精馏系统负荷，将二期甲醇装置产出的粗甲醇一并精馏，实现2套甲醇合成系统“并联”运行，以降低生产消耗和系统能耗，进一步提高产品产量和质量，持续降低生产成本。陕西渭化甲醇储存系统耦合连通技改如图1(图中虚线为耦合连通技改部分)。

图1 甲醇储存系统耦合连通技改示意图

3 甲醇储罐区有效耦合连通应用场景

3.1 甲醇储罐区有效耦合连通适用场景描述

(1)2020年2月，受新冠疫情影响，甲醇滞销库存积压，面临胀罐压力，倒逼系统降负荷运行，二期甲醇装置负荷降至44%(蒸汽用量分别为预塔8.90 t/h、加压塔23.30 t/h、汽提塔1.07 t/h)，三期甲醇装置负荷降至50%(蒸汽用量分别为预塔9.90 t/h、加压塔51.40 t/h、汽提塔1.95 t/h)，导致蒸汽浪费，系统产能利用率低。

(2)2020年6月，受国家“能耗双控”政策影响，二期甲醇装置停运。后综合考虑一期合成氨/尿素装置、三期甲醇装置超负荷运行模式和3套装置同时高负荷运行模式的生产成本，以及对未来甲醇市场的预期，决定恢复二期甲醇装置运行。但由于二期空分装置空压机组透平大修后存在透平超速、振动超标的问题，无法正常运行，只能协调一期合成氨/尿素装置、二期甲醇装置、三期甲醇装置负荷分别为100%、45%、90%模式运行。

(3)2021年5月，三期甲醇装置进行为期7 d的抢修后，三期甲醇精馏系统常压塔精甲醇产品水含量高达0.28%(合格指标为0.1%以下)，精甲醇储罐(V8207A)产品水含量高达0.15%，精甲醇产品质量不合格，且预塔进料量96 m3/h，加压塔采出量35 m3/h，常压塔采出量40 m3/h，三期粗甲醇储罐(V8212A/B)液位偏高；与此同时，二期甲醇精馏系统预塔进料量只有38 m3/h，二期粗甲醇储罐(V2812A/B)液位仅为13%，粗甲醇储存调节空间大。

(4)2021年8月，陕西渭化在“能耗双控”方面持续发力，制定了煤耗总量控制方案，确立了2021年用煤总量小于2 098.5 kt的控制目标，但截至2021年6月底，陕西渭化本部的煤耗总量就达1 218 kt，面对异常严峻的节煤形势，生产部门研究制定了“3台燃煤锅炉(正常生产4台锅炉+3套装置高负荷运行，1台锅炉备用，锅炉四开一备)+3套装置”低负荷运行模式，即一期合成氨/尿素装置负荷100%、二期甲醇装置负荷45%、三期甲醇装置负荷90%。

3.2 二期/三期甲醇精馏系统能耗情况

3.2.1 二期甲醇装置低负荷(45%)工况

2020年6月20日二期甲醇装置45%负荷下，甲醇精馏系统消耗如下：蒸汽用量27.4 t/h，分别为预塔7.8 t/h、加压塔18.6 t/h、汽提塔1.0 t/h；运行泵功率(电耗)176 kW，分别为加压塔进料泵45 kW、预塔回流泵22 kW、加压塔回流泵18.5 kW、常压塔废水泵4 kW、汽提塔废水泵11 kW、精甲醇泵30 kW、常压塔回流泵22 kW、汽提塔回流泵5.5 kW、预塔进料泵15 kW、甲醇油输送泵3 kW。

2021年8月26日二期甲醇装置45%负荷下，甲醇精馏系统消耗如下：蒸汽用量34.4 t/h，分别为预塔11.3 t/h、加压塔21.9 t/h、汽提塔1.2 t/h；运行泵功率(电耗)176 kW，分别为加压塔进料泵45 kW、预塔回流泵22 kW、加压塔回流泵18.5 kW、常压塔废水泵4 kW、汽提塔废水泵11 kW、精甲醇泵30 kW、常压塔回流泵22 kW、汽提塔回流泵5.5 kW、预塔进料泵15 kW、甲醇油输送泵3 kW。

总之，二期甲醇装置45%负荷运行，甲醇精馏系统蒸汽消耗在27～35 t/h，运行泵功率(电耗)176 kW。

3.2.2 三期甲醇装置90%负荷与116%负荷工况

2021年8月26日三期甲醇装置90%负荷下，甲醇精馏系统消耗如下：蒸汽用量71.5 t/h，分别为预塔13.0 t/h(进料量78.81 m3/h)、加压塔56.7 t/h、汽提塔1.8 t/h；运行泵功率(电耗)321.2 kW，分别为加压塔进料泵90 kW、预塔回流泵26 kW、加压塔回流泵55 kW、汽提塔进料泵11 kW、汽提塔废水泵15 kW、精甲醇泵22 kW、常压塔回流泵37 kW、汽提塔回流泵7.5 kW、常压塔侧线采出泵2.2 kW、废液泵18.5 kW、粗甲醇进料泵26 kW、甲醇油输送泵11 kW。

2020年6月14日三期甲醇装置116%负荷下，甲醇精馏系统消耗如下：蒸汽用量70.089 t/h，分别为预塔11.429 t/h(进料量101.00 m3/h)、加压塔56.878 t/h、汽提塔1.782 t/h；运行泵功率(电耗)321.2 kW，分别为加压塔进料泵90 kW、预塔回流泵26 kW、加压塔回流泵55 kW、汽提塔进料泵11 kW、汽提塔废水泵15 kW、精甲醇泵22 kW、常压塔回流泵37 kW、汽提塔回流泵7.5 kW、常压塔侧线采出泵2.2 kW、废液泵18.5 kW、粗甲醇进料泵26 kW、甲醇油输送泵11 kW。

总之，三期甲醇精馏系统负荷在90%～116%之间，蒸汽消耗量变化不大，通过停运低负荷(45%)二期甲醇精馏系统、三期甲醇精馏系统加负荷(负荷由90%提升至116%)运行，不仅可实现甲醇产量不减，而且可节约蒸汽、药剂、脱盐水、电、循环水用量，实现生产系统的经济运行。

3.3 近年二期甲醇装置低负荷(45%)工况统计

2018年1月1日，2#锅炉因引风机连轴节螺栓断计划停炉，二期空分装置、一期合成氨/尿素装置配套发电机停运，二期甲醇装置低负荷运行持续至1月12日；2018年2月1日，2#气化炉压差高跳车，二期甲醇装置低负荷运行持续至2月9日；2018年8月8日，4#锅炉省煤器泄漏，二期空分装置停运，二期甲醇装置低负荷运行持续至8月22日；2018年9月1日，二期甲醇装置产品甲醇中乙醇含量高达680×10-6，产品甲醇返粗甲醇储罐重新精馏，二期甲醇装置低负荷运行1 d；2018年10月8日，5#锅炉跳车，手动停二期空分装置空压机、发电机，二期甲醇装置低负荷运行持续至10月25日；2019年2月8日，4#锅炉空预器漏致跳车，二期甲醇装置低负荷运行持续至2月13日；2019年2月25日，3#锅炉省煤器漏，停二期空分装置、发电机，二期甲醇装置低负荷运行持续至3月10日；2019年7月5日，因电气系统UPS故障，一期合成氨/尿素装置配套空压机及后续系统停车、尿素装置停车，二期甲醇装置低负荷运行持续至8月大修；2019年10月3日，二期空压机停运，二期甲醇装置低负荷运行持续至10月16日；2019年12月30日，2#锅炉水冷壁泄漏扩大，二期空压机计划停车，二期甲醇装置低负荷运行持续至2020年1月1日；2020年1月20日二期甲醇装置精甲醇产品水含量不合格，系统减负荷至45%运行1 d；2020年1月31日，二期空压机检修，二期甲醇装置低负荷运行持续至2月26日；2020年6月13日，二期甲醇装置大修后重启，低负荷运行持续至7月4日；2020年7月31日，二期空压机计划停车，二期甲醇装置低负荷运行持续至8月13日；2020年12月1日，二期空压机手动停车，二期甲醇装置低负荷运行至12月2日；2021年8月9日，据陕西渭化煤耗情况，启动“3台锅炉+3套装置”运行模式，二期空压机、发电机停运，二期甲醇装置低负荷运行持续至2021年9月11日。综合统计近年二期甲醇装置低负荷运行天数，平均每年二期甲醇装置低负荷运行43.75 d。

4 甲醇储罐有效耦合连通后能耗与效益分析

4.1 能耗分析

二期甲醇精馏系统生产消耗见表1(注：“消耗定额”指满负荷工况下生产吨甲醇消耗公用工程介质设计值，“消耗量”指满负荷工况下公用工程介质每小时消耗量，数据均源自陕西渭化二期200 kt/a甲醇装置基础设计包)。在“3台锅炉+3套装置”运行模式下，依托3套装置甲醇储罐的有效耦合连通，若二期甲醇精馏系统停运，可以节约二期甲醇装置前端副产的S3蒸汽(1.0 MPa、200 ℃)34.4 t/h，二期S2蒸汽(4.0 MPa、400 ℃)至S3蒸汽减压站减压阀(PV8305)开度30%，1#发电机小时发电量18 000×104kW，富余的S3蒸汽可以通过减压站调节至S2蒸汽管网发电，预计小时可发电6 880 kW；同时，供水车间一期余热发电机小时发电量为4 000 kW，富余的S3蒸汽可以通过减压站调节至S4蒸汽(0.34 MPa、150 ℃)管网发电，预计小时可发电4 000 kW。

表1 二期甲醇精馏系统生产消耗

4.2 效益分析

据统计，二期甲醇装置每年平均低负荷(45%)运行约43.75 d，3套装置甲醇储罐实现有效耦合连通后，二期甲醇精馏系统可直接停运，通过提高三期甲醇装置后端甲醇精馏系统的负荷，将二期甲醇装置产出的粗甲醇一并精馏，实现2套甲醇合成系统“并联”运行。以二期甲醇精馏系统甲醇产量297 t/d计，其直接经济效益计算如下。

(1)节约S3蒸汽用量34.4 t/h，按照陕西渭化冬季采用S3蒸汽为渭南高新区供暖的现阶段市场价格120元/t计，年节汽效益为34.4×24×43.75×120÷10000=433.4万元。

(2)生产吨甲醇消耗脱盐水0.34 t，脱盐水价格以5元/t计，年节约脱盐水量成本297×0.34×43.75×5÷10000=2.2万元。

(3)生产吨甲醇电耗7.24 kW·h，电价以0.5元/(kW·h)计，年节约用电成本297×7.24×43.75×0.5÷10000=4.7万元。

(4)节约的S3蒸汽可转化为S4饱和蒸汽发电，以10 t/h饱和蒸汽小时发电1 000 kW计，年节约用电成本34.4÷10×1000×24×43.75×0.5÷10000=180.6万元。

总之，二期甲醇装置低负荷运行时，依托3套装置甲醇储罐的有效耦合连通，停运二期甲醇精馏系统、三期甲醇精馏系统加负荷运行，在实现甲醇产品产量不变的前提下，年可节约运行成本数百万元。

5 甲醇储罐耦合连通后的整体效能与效益

(1)在二期甲醇装置负荷过高的情况下，可以输送一部分二期粗甲醇至三期甲醇精馏系统精馏，维持精甲醇产品中乙醇含量在50×10-6以内，确保精甲醇优等品率100%；同时，3套装置甲醇储罐系统连通后多了一种选择，三期甲醇储罐甲醇可以送往630产品罐/191甲醇产品罐区储存，也可以送往二期甲醇储罐储存；目前，三期甲醇精馏系统高效节能改造正在实施中，改造完成后，其性能将会得到显著提升，会进一步拓宽二期、三期甲醇装置粗甲醇储罐连通后系统负荷提升的空间。

(2)“4台锅炉+3套装置”运行模式转变为“3台锅炉+3套装置”运行模式时，可以停运二期甲醇精馏系统，减少设备损耗与电力、循环水、脱盐水、蒸汽、药剂、冷凝液、低压氮气消耗，降低系统整体能耗的同时保持优级品甲醇、尿素总产量不变，并且可利用节约的蒸汽增加发电量，进一步提高装置运行的经济性。

(3)三期甲醇装置在甲醇合成催化剂使用末期经常性地出现水冷器(E8102)结蜡现象，导致水冷器后工艺气温度高达56 ℃，严重影响甲醇的分离效果和甲醇合成催化剂的使用寿命、合成气压缩机的运行负荷。甲醇存储系统有效耦合连通后，此种情况下可在三期甲醇装置前端甲醇合成系统开车运行后，仅通过三期甲醇精馏系统加负荷继续保持系统的运行状态，持续产出甲醇，从而有效避免系统停运及减少甲醇精馏系统开停车过程中的蒸汽损耗。

(4)“3台锅炉+3套装置”低负荷运行模式下，二期甲醇精馏系统停运，可在很大程度上减少废水排放、减少甲醇油的产出，助力环保工作；且产能更大的三期甲醇精馏系统工况更稳定、操控更平稳、精馏效果更好，精甲醇产品品质显著提高，利于产品品牌建设，可提升产品竞争力，促进企业的可持续发展与利润增长。

(5)目前渭化科技公司100 kt/a二甲醚装置正在试用二期甲醇精馏系统前端的粗甲醇作为原料，改变一直以来以精甲醇产品作为二甲醚生产原料的生产方式，试验完成后，依托2套甲醇装置粗甲醇储罐与630产品罐的有效耦合连通，二期甲醇精馏系统可以考虑长期停运，由此仅节约S3蒸汽这一项年就可节约生产成本2 000万元以上，经济效益相当可观。

6 结束语

依托历史生产数据，陕西渭化在充分分析与探讨3套装置甲醇储存系统耦合连通运行必要性的基础上，于2023年5月大修期间实施了甲醇储存系统的耦合连通技改，技改后的运行实践表明，此举为陕西渭化生产经营开辟了多种运行模式，降低了系统总体生产成本；今后通过不断地研究与创新，有望进一步提高精甲醇产品品质、降低系统能耗，并推动甲醇储存系统耦合连通后更多应用场景的开发(比如目前正在探索的渭化科技公司100 kt/a二甲醚装置试用粗甲醇作为原料的生产方式)，为其他相关介质的连通应用提供参考与借鉴，为企业带来更好的经济效益和环境效益。