陜西延長石油榆林凱越煤化有限責任公司現(xiàn)有60萬t/a甲醇裝置，合成氣制備單元采用西北化工研究院的多元料漿煤氣化技術(shù)，合成氣洗滌單元采用大連理工大學低溫甲醇洗工藝技術(shù)，甲醇制備單元采用英國戴維(Davy)公司的甲醇合成工藝技術(shù)，此外，天津新天進公司提供了五塔三效+兩效甲醇精餾工藝方案。

    甲醇的合成采用英國戴維公司提供的氣冷-水冷式反應器串聯(lián)工藝路線，該技術(shù)國內(nèi)首次引進的甲醇合成生產(chǎn)技術(shù)（據(jù)了解國內(nèi)只有2家企業(yè)使用類似裝置，即凱越煤化公司和中煤遠新）。戴維氣冷-水冷串聯(lián)式甲醇合成反應器工藝如圖1所示，采用1臺管殼式水冷甲醇合成反應器和1臺氣冷式氣甲醇合成反應器串聯(lián)的方式進行甲醇合成。

    水冷式反應器為管殼式反應器，催化劑裝填在管程內(nèi)，殼程為飽和沸騰水，管內(nèi)合成反應放出的熱量傳遞給管外的沸騰水，沸騰水氣化成飽和蒸汽后進入合成汽包。氣冷式反應器為自冷卻式，冷氣體首先進入氣冷式反應器的冷管中，催化反應放出的熱量傳遞給冷管中冷氣體，冷氣體預熱至反應所需溫度后進入反應器冷管外的催化劑床層中。

1 存在的問題

    本套裝置自2014年1月開車運行以來，存在甲醇合成氣冷式反應器在運行一定時間后出現(xiàn)催化劑床層易超溫的異常工況，由于在工藝操作層面控制手段較少，無法有效通過工藝條件的改變來改善催化劑失活的問題。

    催化劑失活速率加快造成了另一個問題是裝置運行經(jīng)濟性的降低，由于催化劑更換周期縮短為1年一換，生產(chǎn)成本大大增加。此外，頻繁的催化劑更換也造成裝置停車維護時間加長，一定程度上影響了甲醇的連續(xù)生產(chǎn)。

2 原因分析

    首先，氣冷式反應器催化劑溫度過高、使用壽命過短的主要原因在于催化劑的裝填量。水冷式反應器催化劑裝填量為33.8 m³，氣冷式反應器催化劑裝填量為28.2 m³，總催化劑裝填量為62 m³，而同類規(guī)模的甲醇合成裝置催化劑裝填量一般在80 m³左右。

    其次，在原始設計中，水冷式反應器的催化劑裝填量約33.8 m³，占總裝填量的54%，但卻處理著80%的反應負荷。氣冷式反應器（絕熱反應器）裝填量為28.2 m³，處理負荷僅為20%，負荷分配不合理。上述不合理的情況會帶來以下問題。

    首先，當水冷式反應器負荷偏大時，催化劑余量不足導致無法處理這部分新增的負荷，因此催化劑失活速率加快。而催化劑失活會進一步使得水冷式反應器的處理能力下降，導致氣冷式反應器負荷增加。由于氣冷式反應器操作彈性較小，負荷增加會造成氣冷式反應器反應放熱量激增，最終導致催化劑床層溫度迅速升高。而高溫會進一步引起催化劑失活速率的增加，從而造成2臺反應器的催化劑壽命同時縮短，并造成氣冷式反應器催化劑床層溫度無法控制的現(xiàn)象。

    其次，當氣冷式反應器負荷偏大時造成催化劑床層溫度快速上升無法控制時，催化劑失活速率增加，進而導致氣冷式反應器無法滿足工藝要求負荷。

    最后，雖然理論上2臺反應器在處理負荷合適的情況下可以滿足生產(chǎn)要求，但在實際工況中，隨反應時間的增加，催化劑不可避免的失活現(xiàn)象會直接影響到生產(chǎn)負荷的分配。由于催化劑失活，水冷式反應器的處理能力降低，此時就會出現(xiàn)氣冷式反應器負荷增加的情況，使氣冷式反應器催化劑床層溫度升高且難以控制。此時，為保證反應器的正常操作，鑒于水冷式反應器操作彈性較大，更多的負荷會移至水冷式反應器，這就會進一步讓水冷式反應器的操作工況惡化，繼而又將繼續(xù)增加氣冷式反應器的操作負荷。最終，反應器的操作過程進入了惡性循環(huán)階段。因此，在催化劑裝填量不足的情況下，無法單純從工藝操作層面達到維持催化劑正常使用壽命的目的。

3、改造方案

    通過上述分析可知，本甲醇合成裝置的主要問題出在催化劑裝填量偏少，由于原反應器已經(jīng)定型，要增加催化劑裝填量，只有通過增加反應器的數(shù)量來實現(xiàn)。

氣冷式反應器存在著操作彈性較小，反應傳熱系數(shù)小，移熱性能不佳等問題，負荷的變化對其的影響較大。因此，考慮新增1臺操作彈性較大的水冷式反應器來解決催化劑裝填量不足的問題。

    串聯(lián)式反應器如圖1，改后的工藝方案如圖2，增加1臺與原水冷式反應器相同的水冷式反應器，2臺水冷式反應器并聯(lián)后再與原氣冷式反應器串聯(lián)連接。這相當于增加了水冷式反應器的催化劑裝填量，在操作時，只需保證氣冷式反應器的生產(chǎn)負荷滿足設計條件即可，水冷式反應器增加的催化劑完全可以處理新增的反應負荷。

    本方案需將原水冷式反應器入口管路進行改造，原入口管路一分為二，并列進入2臺水冷式反應器中。由于反應器以及配管過程中存在的工程差異性，以及管道沿程阻力降可能存在的不同，為保證2套并行流程的反應器前后差壓保持一致和穩(wěn)定，所以在2臺反應器入口處分別增加了手動閘閥，通過觀察2臺反應器催化劑床層壓差和汽包產(chǎn)汽溫度來調(diào)整2臺水冷式反應器的負荷比例。2臺水冷式反應器出口氣體匯合后再與循環(huán)氣進行換熱，降溫后再進入氣冷式反應器。

4 改造效果

4.1 壓差對比

    表1是改造前、改造后水冷式反應器壓差對比情況。改造前的反應器差壓PDI20009范圍在0.10~0.12MPa，單塔壓差較大。改造后單臺反應器差壓在0.03~0.05之間波動，壓差較小，通過表1還可以看出，兩塔的床層差壓之和遠小于單塔差壓，說明反應器內(nèi)的工況更加良好。同時壓差減小可以減少甲醇合成催化劑的粉碎機率，使催化劑使用壽命增加。

4.2 熱點溫度

    表2是改造前、改造后氣冷式反應器熱點溫度對比情況?？梢钥闯?，改造前合成催化劑更換完成初期氣冷式反應器的熱點溫度約為260℃，改造后合成催化劑更換完成初期氣冷式反應器的熱點溫度約為240℃，從測溫點得到的溫度數(shù)據(jù)來看，溫度最高降低了20℃。這樣既延長了氣冷式反應器催化劑的使用壽命，又降低了反應器出口溫度，進而降低了后系 統(tǒng)空冷器和水冷器的負荷。最終，提高了能源利用效率，并且對夏季操作控制更為有利。

4.3 汽包溫度及產(chǎn)汽量對比

    改造前合成汽包初始溫度為230℃左右，產(chǎn)汽70 t/h左右，改造后合成汽包初始溫度為224℃左右，產(chǎn)汽90 t/h左右，合成汽包產(chǎn)汽量增加20 t/h左右，根據(jù)半年的運行情況來看，催化劑低溫運行時間增加而產(chǎn)量也得到增加，所以催化劑的使用壽命也隨之增加。

4.4 負荷分配

    改造前合成氣進合成水冷式反應器和氣冷式反應器的氣量的比例分別為70%、30%。改造后負荷比例分別為80%、20%。合成氣的氣體負荷分配發(fā)生了變化。

    但是，改造前70%的處理氣量全部由1臺水冷式反應器承擔，改造后總氣量的80%是由2個水冷式反應器在承擔，即每個水冷式反應器承擔的負荷為40%左右。這樣既能增加合成甲醇的產(chǎn)量又能延長合成水冷反應器催化劑的使用壽命。

4.5 操作對比

    改造前合成裝置只有1臺汽包，汽包液位及爐水指標控制相對較容易。改造后增加了1臺合成汽包，原汽包產(chǎn)汽量減少，由于2臺水冷式反應器的反應工況不可能完全一樣，汽包液位的協(xié)調(diào)控制難度將會增加。再者2臺合成汽包將共用一套加藥裝置，合成汽包的爐水指標控制難度增加，這些指標的控制需要操作人員經(jīng)過不斷的實踐操作后進一步總結(jié)經(jīng)驗予以掌握。

    此外，本次改造新增3個聯(lián)鎖，分別是新增水冷塔出口超溫聯(lián)鎖、新增合成汽包上水調(diào)節(jié)閥前后壓差低聯(lián)鎖、新增合成汽包液位低聯(lián)鎖。安全聯(lián)鎖數(shù)量的增加從一定程度上提高了裝置跳車的幾率，也提高了操作人員的操作難度。

5 經(jīng)濟效益

5.1 產(chǎn)能不變

    改造后，甲醇產(chǎn)能不變，按60萬t/a產(chǎn)能計算。催化劑的壽命可以由以前的1年增加到3年，減少2次開停車過程，增加了連續(xù)生產(chǎn)時間。按1個開停車周期14d計算，可以多生產(chǎn)甲醇28d，按日產(chǎn)甲醇量為1800 t計，可多產(chǎn)甲醇25200 t。

原催化劑裝填量為33.8+28.2=62 m³。使用壽命為1年，現(xiàn)在催化劑裝填量為62+34=96 m³，使用壽命為3年，即3年少使用催化劑量為62×3-96=90 m³。平均每年節(jié)約催化劑約30 m³。國產(chǎn)甲醇合成催化劑1m³價格約10萬元。

    目前甲醇價格約1500元/t，按成本1200元計算，改造后每年增加的經(jīng)濟效益為：25200×300+30×100000=10560000 元，即1056萬元。

5.2 增加產(chǎn)能

    改造后，甲醇產(chǎn)能增加至75萬t/a。催化劑壽命增加至2 a。若能滿負荷生產(chǎn)，每年可多產(chǎn)甲醇15萬t，催化劑用量減少62×2-(62+34)=28 m³。

因此，該方案每年增加的經(jīng)濟效益為150000×0.03+14×10=4640 萬元。

6 結(jié)語

    通過對甲醇合成裝置進行改造，成功地解決了氣冷式反應器催化劑壽命短的問題，并提高了甲醇反應的轉(zhuǎn)化率，有效降低了合成系統(tǒng)的馳放氣量和原料氣的消耗量，節(jié)約成本，降低消耗。經(jīng)過半年多的實際運行之后，甲醇產(chǎn)能可達到75 萬t/a，增加產(chǎn)能顯著。

    綜上所述，該項目的實施有良好的經(jīng)濟效益，達到了預期的效果；為同類裝置出現(xiàn)類似問題提供了切實可行的解決方案。

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