天然气制甲醇装置节能降耗途径探讨

2022-09-10

随着我国甲醇市场需求的不断增加, 甲醇生产规模越来越大, 且仍存在着较大的发展空间。同时, 我国自主研发的甲醇生产技术和工艺也有了较大突破, 并在技术指标上达到并超过了国外先进水平。然而, 国内的甲醇市场也存在着非常大的竞争, 加上国家对节能降耗策略的提倡, 如何降低天然气制甲醇的能耗, 缩减生产成本, 从而在激烈的市场竞争中占有一席之地, 已成为甲醇生产企业重点研究的课题。

一、天然气制甲醇装置设备能效指标分析

1. 蒸汽转化炉

蒸汽转化炉是天然气制甲醇转化工艺中的重要设备之一。传统的顶烧式方箱炉, 转化管往往以多排的形式存在, 并在辐射段的顶端装有燃烧器, 布置在转化管排之间。为了实现此装置的能效指标, 考虑中压蒸汽中的水碳比取2.6:1.0, 这样, 在蒸汽转化炉中对流段预热原料气/蒸汽混合气、过热高压蒸汽、预热原料气、预热锅炉给水、预热燃烧空气回收烟道气的热量而获得最大的热效率, 热效率可以达到92.5%。

2. 甲醇合成塔

甲醇合成塔是合成工艺中最为重要的设备之一。通常所用的蒸汽上升式合成塔中, 催化剂置于塔的壳层中, 管内副产中压蒸汽, 通过控制蒸汽压力对催化剂床层温度进行严格控制。该塔属于径向流反应器, 且通过触媒层的压降低, 约0.05MPa, 而传统管壳式合成塔催化剂床层阻力高达0.2-0.3 MPa。因此, 一般采用的蒸汽上升式合成塔, 合成回路总阻力降约为0.25 MPa, 循环气的压缩功较低。

3. 转化废热锅炉

转化气废热锅炉同样也是甲醇装置的关键设备, 该设备为自循环火管式锅炉, 可以产生10.5MPa的高压蒸汽。通过计算分析该设备热利用率高, 热效率可达99.5%。

4. 甲醇精馏单元

在甲醇精馏工艺中采用三塔流程, 甲醇收率高, 可达98.7%, 精馏工序所需热量约为3.1GJ/吨甲醇, 而二塔流程精循工序所需热量约为4.0-4.2GJ/吨甲醇, 因此, 采用3+1精馏流程, 可以大大降低精馏工序所需的低压蒸汽消耗, 从而降低总能耗。

二、天然气制甲醇装置节能降耗途径探讨

在天然气化工产品的加工生产过程中, 通常都会产生热能源效应较为强烈的物理和化学变化, 且在每一个工艺环节中都存在着能量和物质的变化和损失。天然气制甲醇工艺也是如此, 由于整条工艺路线较长, 物质温度变化幅度较大, 同时在每一道工序中的工艺实施方案可选较多, 每一套装置内物质/能源变化较为复杂, 使得工艺系统内各单元的用能辨识和集成困难。因此, 要实现气制甲醇装置的节能降耗主要从以下几个途径考虑。

1. 提高氢回收系统运行效率

天然气制甲醇工艺中, 氢气回收的效率是衡量能源利用率的重要指标。在氢回收系统中, 为了充分利用氢气, 首先要去除原料气中的杂质, 像CO、CO2、CH4、N2等, 这里主要采用的是膜分离技术。在这个工艺环节中, 主要依据的原理是不同物质在一定的温度和压力下, 其自身的体积不同, 采用膜分离将不同的物质进行分离。由于相同物质在膜分离中的效率会随着压力的降低而减少, 可以考虑将已经分离出的碳物质重新补入原料加强需分离物质的压力, 提高系统的运行效率。

2. 平衡转化炉管排温差、提高转化炉热效率

蒸汽转化炉是甲醇生产的主要设备之一, 其燃料的消耗在装置总能耗指标中占有相当的比例。转化炉的热效率是转化装置能耗的直接体现, 提高转化炉的转化效率就意味着节省燃料, 减少了生产成本, 提高了能源利用效率。转化炉热效率的提高措施研究, 也成为转化工艺中“节能降耗、挖潜增效”的关键。工艺生产中烧嘴风门开度不均, 使得烧嘴风量的分配存在不同的差异, 导致出口温度的不同, 影响转化炉的效率。

具体应对措施如下:

(1) 加强对窥视孔的检查, 对漏风量较大的应及时加做密封处理;对漏风量不大但密封性能不佳的, 予以紧固螺母。

(2) 检查燃气考克阀的开度情况, 通过适度调节高压燃气考克阀, 平衡转化炉内温差, 尽量使燃气分配量均匀。同样, 检查并调节低压燃气考克阀, 使燃气量供应分配均匀。调整燃气考克阀的开度要在保证烧嘴火焰正常的前提, 然后平均分配燃料气量来缩小转化炉两侧的温差。

3. 提高中压蒸汽管网压力, 提高蒸汽做功效率

蒸汽管网的设计压力与实际操作压力之间存在着一些差异:中压蒸汽压力比设计值低, 而低压蒸汽又比设计值稍高。因此, 在甲醇生产中, 为了进一步接近和满足工艺设计要求, 可以适当提高中压蒸汽管网压力, 同时设法减小低压蒸汽压力, 减弱管网所承受的背压, 进而提高蒸汽的做功效率。中压蒸汽管网压力的提高, 使得蒸汽做功效率进一步提升, 从而更大程度地在这一环节降低蒸汽能耗。

通过提高氢回收系统运行效率, 平衡转化炉管排温差、提高转化炉热效率, 优化中压管网蒸汽系统, 降低透平蒸汽消耗等都能在一定程度上提高天然气转化的效率, 从而降低了生产工艺过程中的能耗。然而, 天然气制甲醇的能源消耗重点在转化工艺, 占到了甲醇生产的绝大部分。因此, 在提高甲醇生产装置效率的同时, 不能放松对高效催化剂的研制。要想真正意义上的降低甲醇生产能源消耗, 需要不断加快催化剂效能的研究, 降低转化所需温度和压力要求的同时, 提高催化效率。