剖析鲁奇甲醇装置运用节能设计

1概述
中海石油建滔化工有限公司600kt/a甲醇装置采用德国鲁奇中压甲醇合成技术，是全国目前已投产的单套最大甲醇生产装置，原料为天然气（CH4体积分数为60.74％）。其基本工艺流程为：ZnO干法脱硫，一段转化，单机压缩，甲醇合成，PSA回收氢气，双塔精馏。装置自2006年9月投产以来，无一例安全事故和设备事故发生，在开车伊始就创造了连续运行157d的长周期运行纪录，取得了非常可观的经济效益。除了设计安全可靠外，装置最大的特点就是节能、环保，实际甲醇能耗仅为30.89GJ/（t国内其他天然气甲醇厂能耗多为40～50GJ/t），几乎所有的废水、废气都在甲醇厂界区内部得到利用，不需要在界外处理，节省了处理所需的化学药品，保护了环境。节能环保的设计有：双脱氧槽设计，回收蒸汽冷凝液和工艺冷凝液；采用双喷射器设计来提高原料气压力和回收各种废气；空冷代替水冷，节约水资源，减少水污染；顶烧加水平对流段设计，提高热效率，节约投资成本等。通过以上优化设计，使得600kt/a甲醇厂脱盐水量只要45t/h，循环冷却水量只要9500m3/h，循环冷却水补水量只要180m3/h，总天然气流量仅为109085m3/h。
2废液的回收和利用
2.1工艺冷凝液的回收和利用
天然气预热到350℃后，经过镍钼加氢和ZnO脱硫槽干法脱硫，在喷射器（见图1）作用下，与工艺蒸汽混合，进入蒸汽转化炉进行转化反应，以制取甲醇合成气。图1喷射器使蒸汽和天然气混和示意喷射器能起到使蒸汽和天然气混合均匀，以及提高天然气压力的作用，图1中蒸汽部分由三部分组成：中压蒸汽（14283kg/h），来自工艺汽包的工艺蒸汽（15140kg/h）与来自合成汽包的蒸汽（77392kg/h），流量共为106815kg/h。脱硫天然气的流量为79395m3/h，混合均匀的原料气在镍催化剂作用下发生如下反应：CH4+H2O=CO+3H2-Q（1）CnH2n+2+nH2O=nCO+（2n+1）H2-Q（2）CO+H2O=CO2+H2+Q（3）天然气经过界区入口分离器后，组成如表1。原料气发生转化反应，生成转化气后经过一系列的热回收，在最终分离器后，流量为226080m3/h，其组成如表2。表2转化气组成体积分数%通过以上的数据和转化反应方程式，我们不难算出，在转化炉实际参加反应的水蒸汽只有40000kg/h，而没有参加反应、经过换热冷却再分离出来的水有66000kg/h之多。国内其他合成氨厂和甲醇厂都是把这部分工艺冷凝液汽提后送往公用工程处理，这样既增加了输送的能耗、药品的用量，也不利于环境保护。在本装置中，鲁奇采用双脱氧槽和高压汽包、工艺汽包与合成汽包三汽包相结合的设计（图2），巧妙地对工艺冷凝液进行回收和利用。根据不同汽包的产汽要求，分别对应不同的锅炉给水———脱盐水、蒸汽冷凝液进高压脱氧槽产透平用的蒸汽，工艺冷凝液则进中压脱氧槽，供工艺汽包和合成汽包产工艺蒸汽。这对装置节约水资源，回收工艺水中的工艺气体，减少能耗和保护环境有着非常重要的作用。图2工艺冷凝液的回收利用
2.2合成反应生成水的回收和利用
转化气经过最终分离器，与来自PSA的氢气混合后进入压缩机，提压到10MPa后在铜催化剂作用下气体中的一氧化碳、二氧化碳与氢进行合成反应，生成甲醇，主要反应为：CO+2H2=CH3OH+Q（1）CO2+3H2=CH3OH+H2O+Q（2）在生成甲醇的同时还可生成二甲醚、甲酸甲酯、乙二醚、乙醛、乙醇、丙醇、丙酮、丁醇等40多种杂质。从主反应（2）我们可以看到CO2与H2反应有水生成。表3为合成塔进、出口气体组成。通过以上数据我们不难算出合成反应大约可以生成14300kg/h的工艺水。国内其他甲醇厂对这部分水的处理都是直接送公用工程污水处理系统。由于这部分工艺水中集中了大量的副反应生成的重组分物质，处理起来难度大，不容易除干净，浪费很多化学药品的同时对环境也造成污染。在本装置中，鲁奇采用先进的环保设计理念，专门设计有一工艺汽包用来回收这部分工艺水，以达到节约水资源，保护环境的目的。工艺汽包的热量来自转化炉对流段第七组盘管，主要接受来自精馏主塔下部出来的合成反应生成水和合成反应生成的重组分，产生的蒸汽和中压蒸汽混合后，进入转化炉参加转化反应，高碳醇在高温下裂解为有用的工艺气体，这在2007年11月检修中得到了证明，抽出的54根转化管中的催化剂均无结炭现象（转化催化剂为南方化学的G-90LDP，合成催化剂为南方化学的C79-7GL）。
2.3蒸汽冷凝液的回收和利用
整个装置蒸汽系统共设有四个等级———高压、中压、低压蒸汽和工艺蒸汽。在正常操作时，甲醇厂所使用的蒸汽都是由可用的工艺热所产生的。除用作工艺蒸汽外，中压蒸汽主要作为风机和泵透平的动力。其中高压蒸汽主要用来驱动合成压缩机透平，在透平抽出控制下抽出中压蒸汽和低压蒸汽，以保证整个管网的稳定。考虑到精馏对低压蒸汽的需求，装置所有中压透平均为背压透平。低压蒸汽在作为精馏预塔和主塔再沸器加热热源后，又都通过蒸汽冷凝液管回收到高压脱氧槽循环利用。
2.4侧抽
侧抽从主塔第3、5、7、9块塔板抽出，侧抽的目的主要是为了保证产品的质量和塔底工艺水的甲醇浓度。国内很多甲醇厂都是通过临时罐储存，等积累到一定量后再集中处理，这样除了储存的危险和不利环境保护外，还要额外提供费用进行处理。鲁奇在燃料气经过预热盘管温度达到220℃后，将其加入燃料气管线进入转化炉燃烧，正常侧抽的流量为740kg/h，热量为12.7GJ/h。这一设计不仅节约了燃料气，更体现了鲁奇先进的环保设计理念。
2.5小结
通过对工艺冷凝液、工艺水和蒸汽冷凝液的回收，大大节省了装置所需补充的脱盐水量，只要大约45000kg/h便可满足系统的平衡，而送往界外的污水只有来自3个汽包的排污，排污水在经过排污罐时从顶部出口闪蒸出来的蒸汽还被回收，用来对中压脱氧槽中的水进行加热和脱氧。这样，整个装置只有大约4000kg/h的锅炉排污水和50m3/h的循环水送到公用工程进行处理，大大减轻了污水处理的压力，降低了能耗，对环境也起到了很好地保护作用。
3废气的回收和利用
甲醇装置的废气主要有合成回路的弛放气、PSA尾气、膨胀槽闪蒸的膨胀气、预塔塔顶的废气等。若将这些废气全部或部分送到火炬燃烧，不仅浪费能量，也会对环境构成污染。由于PSA尾气压力只有0.05MPa，预塔废气为0.35MPa，为了回收这部分废气，鲁奇再次通过设置喷射器（图3），利用天然气为动力来提高PSA尾气、预塔废气的压力，以达到回收利用的目的。图3用喷射器使废气回收和利用整个装置共设计有7股燃料气进入转化炉烧嘴燃烧，除了正常运行时所需的5股燃料气外，还设计了在组分波动和事故状态下投用的弛放气和氢气管线。
3.1PSA尾气
弛放气经过PSA变压吸附后分离出产品氢气和尾气，其中产品气中氢气体积分数为98.15％。尾气组成如表4。PSA尾气的流量为25573m3/h，由表4可以算出其热量为261.5GJ/h，通过喷射器来提升尾气的压力，以达到回收的目的，这样能大大降低装置的能耗。
3.2预塔废气
预塔废气主要由二甲醚、醛、不溶性惰性气体等组成，其组成如表5。预塔废气的流量为752m3/h。根据鲁奇提供的数据计算其热量为6.6GJ/h。回收这部分气体，除了降低装置能耗外，主要意义在于对环境的保护。
3.3膨胀气
合成单元生产的粗甲醇从甲醇分离器出来后，经过液位控制直接进入闪蒸槽，闪蒸槽压力为0.45MPa，膨胀气即为闪蒸出来的气体，其组成如表6。预塔废气的流量为1937m3/h。根据鲁奇提供的数据计算其热量为21.9GJ/h。回收这部分气体，对降低装置能耗和保护环境都有着积极的意义。
3.4小结
由于采用了喷射器设计，使得难回收的尾气和预塔废气都得到了很好地回收和利用，对降低装置能耗和保护环境起到了非常重要的作用。由于对各种气体进行了很好地回收，本装置无任何废气排出需要外界处理。
4其他
用空冷代替水冷———精馏主塔出口甲醇蒸气的冷却采用空气冷却。这是采用法国巴尼蒂奥热能公司的技术，这对节约水资源和降低化学药品对环境的污染起到了十分重要的作用。主塔出来的甲醇蒸气流量为258.4t/h，温度为66.4℃，经过空冷后气相冷凝为64.0℃的液相。通过计算可知若换成水冷，则需要循环水6810m3/h，占现在总循环水量的72％，这对减少装置的用水量，减少污水的排放，节约药品，保护环境有着非常重要的意义。
5结束语
除了以上在废水、废气回收上的先进节能、环保理念外，整个装置的设计在环境保护和节约能源方面都达到了世界先进水平。能量回收方面如转化炉转化气和烟道气的热量回收系统；设备精简方面如换热器和分离器合二为一的设计，压缩机和循环机一体化以及单透平带双泵等，这些都对节约资源，降低能耗和保护环境有着十分重要的意义，对其他装置的设计或改造也能起到借鉴作用。