Davy合成塔中心管改造提產(chǎn)能的應(yīng)用

蔣海金

(中煤陜西榆林能源化工有限公司，陜西 榆林 719000)

1 工藝流程

1.1 工藝流程

中煤陜西榆林能源化工有限公司的甲醇裝置采用英國Davy的專利技術(shù)，使用串并聯(lián)耦合式蒸汽上升合成塔。合成氣進(jìn)入合成塔后經(jīng)中心管上分布小孔均勻進(jìn)入催化劑床層反應(yīng)，催化劑床層填裝莊信萬豐的katalco51-9銅基合成催化劑。甲醇合成系統(tǒng)工藝流程圖見第143頁圖1。

1.2 Davy大型甲醇合成塔簡介

Davy甲醇合成塔工藝甲醇合成回路由2臺串并聯(lián)耦合式蒸汽上升合成反應(yīng)器(SRC)組成，這種串并聯(lián)方式比傳統(tǒng)流程在催化劑與設(shè)備投資上要更為經(jīng)濟(jì)。甲醇合成反應(yīng)器為軸徑向流反應(yīng)器，列管內(nèi)走鍋爐水，列管外側(cè)即殼層均勻裝填銅基催化劑。凈化合成氣從合成反應(yīng)器下部通過其中心管四周均勻分布的小孔(2 mm左右)進(jìn)入裝填在殼側(cè)的催化劑床層，發(fā)生甲醇合成反應(yīng)。反應(yīng)產(chǎn)生的熱量由管內(nèi)上升的鍋爐水和蒸汽混合物帶走，合成反應(yīng)器的出口溫度由汽包的壓力控制。合成塔熱偶分布4個區(qū)域(T1、T2、T3、T4)，T1為催化劑床層內(nèi)絕熱層區(qū)，T4為催化劑床層外絕熱層區(qū)，在絕熱區(qū)內(nèi)沒有換熱管束，T2、T3為換熱區(qū)，此區(qū)內(nèi)有用熱鍋爐水換熱的換熱管束。每個區(qū)域沿塔軸向安裝2只復(fù)合式熱偶，每只熱偶設(shè)置A～J 10個測溫點，監(jiān)控不同區(qū)域。合成塔中心管結(jié)構(gòu)圖見第143頁圖2。

2 中心管改造背景

甲醇合成裝置是中煤陜西榆林能源化工有限公司化工分公司主要的工藝生產(chǎn)裝置之一，引進(jìn)英國Johnson Matthey Davy公司的大規(guī)模甲醇合成工藝技術(shù)，生產(chǎn)的MTO級甲醇作為下游烯烴裝置原料，生產(chǎn)能力為180萬t/a。中煤陜西榆林能源化工有限公司的甲醇合成裝置于2014年6月13日投料開車產(chǎn)出合格甲醇，2014年8月20日合成系統(tǒng)負(fù)荷提升至108%時，2#合成塔因SIS溫度高于300 ℃導(dǎo)致合成系統(tǒng)連鎖停車，再次開車后從組分、入口流量等多方面調(diào)整工藝參數(shù)都未得到解決，負(fù)荷最高只能提至105%運行。1#合成塔的床層溫度分布明顯比2#合成塔均勻，2#合成塔入口床層溫度較低，但是床層后面出現(xiàn)高點并且波動較大。7月底，MTO裝置投料試車完成，8月底，MTO裝置負(fù)荷逐漸提至110%并保持長期穩(wěn)定運行。但是，生產(chǎn)的甲醇產(chǎn)量無法滿足后系統(tǒng)MTO裝置110%的需求，所以，需要全面分析甲醇裝置負(fù)荷的提升潛能，保證后系統(tǒng)甲醇量的需求和裝置的安全平穩(wěn)運行。

3 限制甲醇裝置提升產(chǎn)量的原因分析

3.1 合成系統(tǒng)原因分析

合成系統(tǒng)最關(guān)鍵的設(shè)備就是合成塔，所以對2臺合成塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。2臺合成塔的內(nèi)外徑(Φ4 100 mm×112.5 mm)、塔內(nèi)的列管數(shù)(1 424根)及列管規(guī)格(Φ31.8 mm×3.4 mm)、塔的高度22 850 mm以及填裝催化劑均完全一致。唯一不同的地方是，中心管的開孔面積：1#合成塔的中心管開孔面積為647 368 mm2，2#合成塔的中心管開孔面積為567 260 mm2，2#合成塔中心管的開孔面積比1#合成塔小了12.3%。根據(jù)專利數(shù)據(jù)，2臺合成塔生產(chǎn)甲醇能力是相同的。但是，通過實際生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，1#合成塔的甲醇產(chǎn)量能達(dá)到129.6 t/h，2#合成塔的甲醇產(chǎn)量只有110.2 t/h。2臺塔的生產(chǎn)對比參數(shù)如表1。

圖1 甲醇合成系統(tǒng)工藝流程圖

圖2 合成塔中心管結(jié)構(gòu)圖

1#合成塔和2#合成塔的入口合成氣流量、入口氣體組份(CO和CO2的含量等)基本相同，同時，填裝等量的催化劑，且2#合成塔的壓力高于1#合成塔，理論上2#合成塔的甲醇產(chǎn)率應(yīng)該略高于1#合成塔，但是剛好相反，在單程轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)量上1#合成塔卻大于2#合成塔。如果可以將2#合成塔的產(chǎn)量提高到和1#合成塔一致，則整個裝置的產(chǎn)量可達(dá)到129.6 t/h×2=259.2 t/h，相當(dāng)于裝置產(chǎn)能提高到113.2% 。

表1 改造前1#、2#合成塔運行參數(shù)(數(shù)據(jù)取自2014年9月平均值)

3.2 中心管實際流通面積計算

合成塔中心管壓降和中心管開孔面積的計算公式見式(1)。

P=K·(W/A)2/Rho

(1)

式中：W為氣體流量，kg/h；Rho為氣體密度，kg/m3；A為中心管開孔面積，mm2；P為壓降，kPa；K為常數(shù)，在該項目上是166.6。

1) 實際運行中2#合成塔的數(shù)據(jù)

P2=25 kPa，W2=629 258 kg/h，Rho=12.88 kg/m3

2#合成塔中心管的實際流通面積：

2) 實際運行中1#合成塔的數(shù)據(jù)

P1=18 kPa，W1=674 461 kg/h，Rho=12.43 kg/m3

1#合成塔中心管的實際流通面積：

通過以上計算發(fā)現(xiàn)，1#、2#合成塔中心管的開孔面積在實際運行中均有變小的現(xiàn)象，可能是催化劑的粉末或其他原因使得開孔面積變小。

根據(jù)實際運行數(shù)據(jù)，2臺塔中心管的開孔面積和通過氣量不一致，則通過計算得出2臺塔合成氣經(jīng)過中心管進(jìn)入催化劑床層的實際線速度分別為9.38 m/s和10.69 m/s(當(dāng)初設(shè)計的線速度為8.24 m/s和9.25 m/s)。

通過計算合成氣體進(jìn)入合成塔的線速度發(fā)現(xiàn)，2#合成塔內(nèi)的氣體線速度比1#塔的要大，但是前面比較過2#合成塔的空速卻比1#合成塔略小。因2臺塔的結(jié)構(gòu)、催化劑填裝量完全一致，說明合成氣進(jìn)入2#塔的線速度較大，但進(jìn)入催化劑床層后線速度逐漸下降略低于1#塔。

通過催化劑適應(yīng)空速的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)甲醇裝置在設(shè)計100%負(fù)荷運行時，1#合成塔入口的線速度為8.24 m/s，2#合成塔入口氣體的線速度是9.25 m/s，處于催化劑運行的最佳區(qū)間。但是，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷繼續(xù)提高后，加上實際運行中合成塔中心管上的小孔部分堵塞后，2臺合成塔入口的線速度分別變成了9.38 m/s和10.69 m/s，其中，2#合成塔入口的實際線速度超過了催化劑反應(yīng)的最佳線速度區(qū)間的上限，導(dǎo)致2#合成塔入口內(nèi)絕熱層的床層溫度無法維持(入口溫度較低)，但是，在2#床層的中層和外層卻因氣體流速下降劇烈反應(yīng)，出現(xiàn)局部超溫現(xiàn)象。

以上的數(shù)據(jù)理論分析與實際運行現(xiàn)象相符，所以，2#合成塔中心管實際開孔面積小是影響甲醇裝置提負(fù)荷的主要原因。

4 中心管改造方案

2014年12月中旬，因2#合成塔壓差漲至200 kPa，嚴(yán)重影響合成系統(tǒng)平穩(wěn)運行。經(jīng)過研究決定，進(jìn)行改造更換2#合成塔中心管。根據(jù)以上計算，中心管實際運行面積比原設(shè)計開孔面積小了10%左右(實際運行中堵塞)，所以，再次設(shè)計時要考慮10%的余量，本次改造希望將裝置的產(chǎn)能提高到120%，在裝置120%的負(fù)荷下，合成塔系統(tǒng)保證平穩(wěn)安全運行。推算新設(shè)計2#合成塔中心管的開孔面積范圍為588 381 mm2～678 415 mm2。

原有2#合成塔的中心管上有180 656個直徑為2 mm的分布小孔，小孔間距為12 mm，原2#合成塔中心管的總開孔面積為567 260 mm2;而改造后的新中心管上有205 987個直徑為2.13 mm的分布小孔，小孔間距為11.3 mm，改造后的新中心管的總開孔面積達(dá)到657 626 mm2，改造后中心管在開孔數(shù)量、孔間距、小孔直徑等多個方面均有所改變，使得開孔面積比原來增大了16%，即開孔率增加了16%。

5 改造后運行效果

2014年12月末，2#合成塔中心管改造安裝完成，合成系統(tǒng)開車運行。甲醇裝置的生產(chǎn)負(fù)荷由105%逐漸提117%，并長期保持高負(fù)荷穩(wěn)定運行。由于新中心管的孔間距由12 mm減小至11.3 mm，使得新中心管開孔數(shù)量增多、開孔面積變大后，反應(yīng)氣體通過2#合成塔變得更容易，2#合成塔壓差由改造前的200 kPa降至18 kPa左右。

由于新中心管上開孔面積的變化，使得合成氣在2#合成塔內(nèi)分布也更為均勻，2#合成塔催化劑床層溫度分布也更均勻。改造后1#、2#合成塔的運行效果如圖3及表2所示。

圖3 2#合成塔中心管改造前、后甲醇系統(tǒng)負(fù)荷對比

表2 改造后1#、2#運行參數(shù)(2015年3月平均值)

6 結(jié)語

通過對2#合成塔中心管改造，甲醇裝置在2015年、2016年、2017年都在113%～117%運行負(fù)荷長周期平穩(wěn)運行，沒有再出現(xiàn)2#合成塔因高溫聯(lián)鎖造成系統(tǒng)停車的情況，并且完全滿足了后系統(tǒng)高負(fù)荷運行的要求，為中煤陜西榆林能源化工有限公司節(jié)能降耗、降本增效起到了關(guān)鍵作用。

不足之處，雖然中煤陜西榆林能源化工有限公司甲醇裝置經(jīng)過對中心管的改造負(fù)荷提到117%，未出現(xiàn)超溫聯(lián)鎖跳車，但是，由于徑向流合成塔結(jié)構(gòu)的特點，所有使用Davy合成塔工藝的裝置床層上部和下部都有超溫現(xiàn)象。因此，還需進(jìn)一步研究解決。