甲醇制烯烴裝置急冷塔優(yōu)化的改造措施

李繼翔，張可坤

甲醇制烯烴裝置急冷塔優(yōu)化的改造措施

李繼翔，張可坤

（南京誠志清潔能源有限公司， 江蘇 南京 210047）

甲醇制烯烴工藝技術(shù)生產(chǎn)以乙烯、丙烯為主的低碳烯烴，同時具有低碳烯烴收率高、甲醇消耗低的特點，是近十年成熟起來的新型化工生產(chǎn)工藝。南京誠志清潔能源有限公司的甲醇制烯烴裝置急冷塔運行不穩(wěn)定一直是裝置長滿優(yōu)生產(chǎn)的瓶頸，急冷水中的催化劑含量較高, 不但堵塞換熱器,降低換熱效率, 還會磨損機泵，減少使用壽命，嚴重影響著裝置的長期、穩(wěn)定運行。公司技術(shù)人員研究甲醇制烯烴裝置急冷塔相關(guān)的優(yōu)化改造，并通過實際的應(yīng)用得到了一定的效果。

甲醇制烯烴；急冷塔；催化劑；優(yōu)化

甲醇制烯烴技術(shù)是煤制烯烴工藝路線的樞紐技術(shù)，實現(xiàn)了由煤炭或天然氣經(jīng)甲醇生產(chǎn)基本有機化工原料，目前，煤基甲醇制烯烴技術(shù)已經(jīng)成熟，并實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)[1]。在我國煤制烯烴路線是對傳統(tǒng)的以石油為原料制取烯烴的路線的重要補充，也是實現(xiàn)煤化工向石油化工延伸發(fā)展的有效途徑，甲醇制烯烴技術(shù)在我國得到了快速發(fā)展和應(yīng)用[2]。南京誠志清潔能源有限公司甲醇制烯烴裝置的急冷塔存在塔盤篩孔堵塞，中上部各段無法循環(huán)等問題，進行有效優(yōu)化改造，不僅可以解決實際生產(chǎn)的問題，而且可以促進行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展，實現(xiàn)經(jīng)濟效益和社會效益雙提升。

1 甲醇制烯烴裝置概述

甲醇制烯烴(Methanol To Olefin，縮寫MTO)是將甲醇作為原料經(jīng)過催化轉(zhuǎn)化為以乙烯、丙烯為主的工藝技術(shù)；目前國內(nèi)外主要有SMTO、DMTO及UOP公司設(shè)計的MTO技術(shù)工藝，屬于新興的化工工藝路線，同時是煤制烯烴工藝路線的樞紐技術(shù)，實現(xiàn)了由煤炭或天然氣經(jīng)甲醇生產(chǎn)基本有機化工原料，以及對傳統(tǒng)的以石油為原料制取烯烴的路線的重要補充，是實現(xiàn)煤化工向石油化工延伸發(fā)展的有效途徑等。

2 急冷塔主要的優(yōu)化改造措施

2.1 急冷塔中上部塔盤的改造

2.1.1 急冷塔塔盤堵塞原因分析和類似裝置的處理措施

甲醇制烯烴裝置反應(yīng)器破損的催化劑主要采用三級旋風(fēng)分離器進行回收, 但分離器有一定的限制, 常常會使一部分催化細粉進入急冷塔和水洗塔里面,造成塔盤堵塞等[3]。進入急冷塔的反應(yīng)氣攜帶的催化劑雖然是少量的, 但是如果長期積累,沒有有效的分離措施, 將這部分催化劑分離出急冷水系統(tǒng), 催化劑就會越積越多[4]。傳統(tǒng)的解決方案是利用旋液分離器,在離心力和重力的雙重作用下,將急冷水中攜帶的催化劑分離出去。但在實際運行過程中,旋液分離器堵塞嚴重, 其分離效果差強人意。

寧波富德能源有限公司甲醇制烯烴項目于2013年1月投料試車成功后, 甲醇制烯烴裝置水洗塔壓差偏高,影響裝置的穩(wěn)定運行，由多甲基苯和催化劑細粉引起的水洗塔塔盤堵塞是造成水洗塔壓差升高的主要原因, 通過向水洗塔中定期添加二甲苯或防堵塞藥劑(如水洗塔阻垢分散劑)可以有效降低水洗塔的壓差[5]。神華榆林能源化工有限公司甲醇制烯烴工業(yè)裝置通過在水洗塔注入點2注入阻垢分散劑后, 換熱器的換熱效果明顯增強, 進而通過注入柴油、二甲苯并采用高壓水機械清洗后, 最終解決了水洗塔壓差高的問題[6]。

南京誠志清潔能源有限公司的甲醇制烯烴裝置自2013年9月建設(shè)投產(chǎn)后，急冷塔運行狀況差，在幾次檢修中發(fā)現(xiàn)急冷塔的塔盤存在篩孔被催化劑堵塞嚴重的情況。塔盤篩孔堵塞，致使孔徑變小，氣相阻力增大，塔的中上部的差壓增加，塔盤被氣相物料來回沖擊導(dǎo)致?lián)p壞，也存在被沖翻的情況，嚴重時中上部的集液槽也出現(xiàn)了損壞，中上部液位無法維持，急冷塔上部的循環(huán)洗滌水會被氣相物料帶至下游的產(chǎn)品分離塔，給生產(chǎn)穩(wěn)定操作帶來困難。

急冷塔的結(jié)構(gòu)形式為篩板塔，篩板塔的突出優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，金屬耗量小，造價低廉，氣體壓降小，板上液面落差也較小，其生產(chǎn)能力及板效率比泡罩塔高。主要缺點是操作彈性范圍較窄，小孔篩板容易堵塞。近年來對大孔 (直徑10 mm以上) 篩板的研究和應(yīng)用有所進展，大孔徑篩板塔采用氣、液錯流方式,可以提高氣速以及生產(chǎn)能力, 而且不易堵塞[7]。經(jīng)過公司技術(shù)人員探討后決定將塔盤篩孔的孔徑稍增大，在設(shè)計院設(shè)計后聯(lián)系廠家進行生產(chǎn)制作，并利用檢修期間進行安裝。由于塔盤本身的強度不夠以及安裝過程存在一定的缺陷,分布器和塔盤上的法蘭和螺栓較多, 在開停車過程中,很容易造成螺栓松動脫落, 影響到塔盤的強度和穩(wěn)定[8]，所以在安裝過程中嚴格把關(guān)，安裝質(zhì)量高。安裝效果圖如圖1所示，在裝置開車運行后，經(jīng)過長時間的觀察和運行分析，急冷塔的運行效果比之前穩(wěn)定，進一步增加了裝置的運行周期。

圖1 急冷塔中上部新塔盤圖片

2.2 急冷塔內(nèi)下部增加新噴嘴

急冷塔在原始設(shè)計中底部有一股噴嘴的工藝流程用于洗滌脫除產(chǎn)品氣相中夾帶的固體催化劑，從分析的數(shù)據(jù)中看出急冷塔底部的固含量偏低，中上部的固含量偏高，實際運行中產(chǎn)品氣相中的固體催化劑沒有洗滌下來，被帶到中上部，堵塞了塔盤上的篩孔，無法達到設(shè)計的使用要求。急冷塔各段水循環(huán)采用機泵輸送提供動力，由于在水流中混有大量的固體顆粒，從而使得當(dāng)水流高速通過葉輪時給葉片造成較大的彈性形變，一般葉片都由金屬合金打造而成，長此以往就會造成金屬疲勞。當(dāng)磨損較為輕微時，葉片邊緣會出現(xiàn)劃痕和麻點，當(dāng)磨損較為嚴重時，便會出現(xiàn)波紋狀的溝槽，從而使得葉片變形和表面材料脫落，當(dāng)磨損再為嚴重便會造成葉片的穿孔，此時葉片也就完全損壞了[9]，造成泵不上量等，對操作和效益都有較大的影響。噴淋效果的好壞不但與噴淋密度、氣速及氣體停留時間有關(guān),還與噴嘴的材質(zhì)、壽命、噴淋角度、液相淋灑粒度有關(guān)[10]，公司生產(chǎn)與設(shè)備部門技術(shù)人員綜合考慮后，決定在原有噴嘴的上部，錯開增加一組新噴嘴（圖3為工藝流程簡圖，圖4為急冷塔內(nèi)安裝后現(xiàn)場圖），新噴嘴的形式和原有噴嘴一樣，目的用來增加洗滌效果，以此來更好的脫除產(chǎn)品氣相中的固體催化劑。改造完成后，經(jīng)過長周期的運行和水系統(tǒng)中催化劑含量的分析數(shù)據(jù)對比中，可以驗證增加的噴嘴起到了一定的作用，對急冷塔的優(yōu)化也有一定的促進作用。

數(shù)據(jù)說明：表1所示為急冷塔上中下各段水中固含量分析數(shù)據(jù)，7月為裝置停車檢修時間，數(shù)據(jù)記錄有為停車前1-6月每月固含量的平均值和開車后8-12月每月固含量的平均值，進行對比觀察，圖2是根據(jù)表1制圖，可以看出急冷塔下部水中的固含量有增加的趨勢，中部和上部有下降的趨勢。

表1 急冷塔上中下各段水中固含量分析數(shù)據(jù)

圖2 急冷塔上中下各段水中固含量折線圖

圖3 增加新噴嘴的簡圖（紅線流程）

圖4 急冷塔底部增加的噴嘴

2.3 急冷塔底部增加水漿過濾試驗設(shè)備

急冷塔底部的噴嘴對產(chǎn)品氣相中的固體催化劑洗滌效果有限，未能將催化劑脫除洗滌在下部，導(dǎo)致中上部的固體催化劑較多，長時間進行沉積堵塞塔盤和機泵的入口過濾器，影響著急冷塔和裝置的穩(wěn)定運行，因中上部無固體催化劑的分離去除設(shè)備，所以決定增加一套分離催化劑試驗設(shè)備，進行驗證水漿過濾設(shè)備的實用性，在得到的結(jié)果滿足需要時，再進行增加此類設(shè)備，來保證減小急冷塔中上部塔盤堵塞的速度，讓裝置能夠更長周期的運行，減少停車檢修損失。

在催化裂化裝置中，脫除 FCC 油漿中催化劑粉末的主要方法有:自然沉降法、絮凝沉降法、靜電分離法、過濾分離法和離心分離法等。自然沉降法效率低周期長, 在大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)線上難以推廣應(yīng)用;靜電分離法在國外用得較多。我國石化企業(yè)曾引進兩套油漿靜電分離裝置, 經(jīng)工業(yè)運轉(zhuǎn), 都難以使油漿中固質(zhì)量分數(shù)低于100 μg·g-1; 采用金屬微孔管過濾 FCC 油漿的方法, 石油化工科學(xué)研究院于1994—1995年曾反復(fù)試驗, 曾反復(fù)試驗, 雖然過濾液中催化劑粉末質(zhì)量分數(shù)小于20 μg·g-1, 但微孔管使用期短,難以工業(yè)應(yīng)用[11]。

裝置管理人員與設(shè)計研究院合作，在急冷塔底部增加水漿過濾試驗設(shè)備，流程主要為從底部循環(huán)泵的出口引廢水至水漿過濾設(shè)備，固體催化劑被過濾脫除，干凈的廢水再返回急冷塔底部。圖5是水漿過濾器出入口的固含量數(shù)據(jù)分析，入口的固質(zhì)量濃度在0.35 mg·L-1左右，出口的固質(zhì)量濃度為0.05 mg·L-1左右，有明顯的脫出催化劑的效果，圖6是現(xiàn)場水漿過濾器濾出的催化劑，圖7是水漿過濾器出入口取樣對比圖，從現(xiàn)場濾出的催化劑和出入口取樣對比也都可以發(fā)現(xiàn)水漿過濾器的實用性較好，有效的脫除了催化劑。對于廢催化劑處理，國內(nèi)同類裝置對于外甩的高濃度含催化劑淤泥進行進一步處理, 例如增加多級提濃措施, 多池排放, 定期處理，或者設(shè)置烘干設(shè)施,直接在線烘干成細粉、壓成塊狀物后裝袋等[12]。FCC廢催化劑作為平衡劑回用、填埋、磁分離、合成分子篩、精制油品、復(fù)活以及從廢劑中回收有價金屬等處理方法[13]。本裝置采用曬干裝袋，外送廠家進行固廢處理。

圖5 水漿過濾器出入口數(shù)據(jù)趨勢圖

圖6 水漿過濾器濾出的催化劑圖片

圖7 水漿過濾器出入口取樣對比圖

2.4 急冷塔廢水外排流程優(yōu)化

裝置的急冷塔上中下部的循環(huán)泵入口過濾器因固體催化劑的堆積，會堵塞入口導(dǎo)致機泵的出口流量降低，嚴重了會造成泵汽蝕等造成設(shè)備損壞，需要定期進行拆出清理，過濾器抽出前需要將機泵出入口閥關(guān)閉，管線內(nèi)的廢水進行泄壓排空。裝置在初期機泵倒空時，是進行將廢水經(jīng)密排管線排至地罐，但地罐的容量較小，經(jīng)常性的開停泵會造成地罐排水泵損壞；后面進行現(xiàn)場直排，因廢水中含有固體催化劑和少量油污，現(xiàn)場排水造成地面污染較大，裝置技術(shù)人員研究后，決定在機泵出入口管線底部增加排水管線及總管引至裝置的TK-1001污水收集罐進行外送（圖8所示），及在入口過濾器的下方增加收集污水的地溝（圖9所示），將收集的污水進行排至污水收集池，送至下游煤氣化裝置進行處理后回用。

圖8 現(xiàn)場機泵倒空密排線圖

圖9 現(xiàn)場機泵直排收集地溝圖

甲醇制烯烴裝置外排廢水中含有的難降解有機物、石油類以及催化劑顆粒都可作為氣化裝置的原料參與氣化反應(yīng),在高溫高壓環(huán)境下, 轉(zhuǎn)變?yōu)镃O、H2等。實際生產(chǎn)中常用的氣化裝置磨煤制漿用水主要為氣化裝置自產(chǎn)灰水[14], 但也可用此廢水進行制漿。

3 結(jié)束語

本文甲醇制烯烴裝置進行了優(yōu)化改造，使得急冷塔能夠相對較長周期的運行，滿足兩年一度的檢修周期，避免因急冷塔問題進行停車檢修帶來的損失。甲醇制烯烴裝置的急冷塔一直是困擾本行業(yè)的難題，一般來說, 由于甲醇制烯烴反應(yīng)對原料甲醇中的水含量指標不敏感, 為了降低成本, 如果是煤制烯烴裝置, 均使用粗制甲醇, 會不可避免地帶入甲醇合成反應(yīng)過程中的副產(chǎn)物雜醇類物質(zhì)[15], 對急冷塔的塔盤篩孔進一步造成堵塞，粗甲醇的使用也將是裝置未來考慮研究的一個方向，目前的這些急冷塔優(yōu)化措施也可以在同類型的裝置中進行借鑒，也起到了促進甲醇制烯烴工藝技術(shù)的進步。

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Improvement Measures of Quench Tower Optimization in a Methanol-to-Olefin Plant

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（Nanjing Chengzhi Clean Energy Co., Ltd., Nanjing Jiansgu 210047, China）

Methanol-to-olefins process is a new type of chemical process in the past ten years. It is characterized by high yield of low olefins and low consumption of methanol. The unstable operation of the quench tower in the methanol-to-olefin unit of Nanjing Chengzhi Clean Energy Co.,Ltd. has been the bottleneck of optimal production of the unit. The high content of catalyst in the quench water not only blocks the heat exchanger, but also reduces the heat transfer efficiency, it will also wear the pump, reduce the service life, seriously affecting the long-term, stable operation of the device. The optimal modification of quench tower in the methanol-to-olefin plant was carried out, and a certain effect was obtained in practical application.

Methanol-to-olefin; Quench tower; Catalyst; Optimization

2020-12-14

李繼翔（1982-），男，江蘇省南京市人，工程師，2005年畢業(yè)于天津大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)，研究方向：煉油和煤化工技術(shù)。

張可坤（1990-），男，助理工程師，研究方向：煤化工。

TQ032.4

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1004-0935（2021）01-0071-05