降低甲醇装置天然气消耗的技术措施分析

李东林

      随着气田的大规模开发和应用，天然气制甲醇的厂家日益增多，且生产甲醇成本中天然气消耗已成为影响企业经济效益的重要因素之一。中海石油建滔化工有限公司年产60万吨甲醇装置, 以海南东方1-1 气田产高CO₂、N₂，低CH₄ 的天然气（HHV22.8MJ/Nm³左右）为原料，综合能耗30.78吉焦/吨，为国内甲醇生产装置中能耗较低，达到世界先进水平。其主要工艺为：海上平台来的天然气与蒸汽混合，在转化催化剂作用下反应生成合成气，经压缩机提压后进入合成塔，循环反应生成含有粗甲醇的混合物，再由精馏系统分离提纯为精甲醇产品，最后送入配套的成品单元。主要的工艺特点：采用高CO₂、N₂，低CH₄为原料的天然气；大型顶烧转化炉；一段蒸汽转化；单机压缩；单塔合成；双塔精馏。

1、选择适宜的转化催化剂

      在现化工业化制甲醇装置中，选择高活性的催化剂，可以提高甲醇反应的转化率，降低企业能耗，延长设备使用寿命，确保甲醇装置生产的稳定性。由于我厂的原料是来自东方1-1 气田的天然气，其中CO₂含量高，平均在20%以上。为此，采用镍钼加氢催化剂，它对CO₂，CO的甲烷化副反应速率比钴钼催化剂慢，有效地避免了甲烷化反应而导致的超温现象的发生。

2、减少燃料天然气消耗

2.1 提高转化炉热效率

      在生产甲醇时，天然气单耗量为天然气总量/甲醇产量。天然气总量包含燃料天然气和工艺天然气。当装置负荷一定时，工艺天然气量不变，减少天然气消耗的关键在于减少燃料天然气耗量。提高转化炉热效率，有助于减少天然气消耗。①控制转化炉烟气氧含量。烟气的过剩空气系数过高，会使烟气携带的热量增多，降低转化炉的热效率；过剩空气系数过低，燃烧不完全，产生CO，反而引起燃料耗量增加，所以控制适当的过剩空气系数值对转化炉的燃料消耗和热效率至关重要。在具体操作时，依据烧嘴考克的大小调整风门挡板，根据实际操作我装置一般将烟气内氧含量控制在1.4%～2.0%左右，此时，可以减少燃料气的使用量112Nm³/h。②控制转化炉膛负压。在高负压工况下，烟气流动速度快、且携带大量热量，使排烟温度上升，引风机转速较高。若烟气流动速度慢，则负压低，换热效率上升，排烟温度下降。按照操作数据可知，炉膛负压降低到-38.1Pa时，可以使燃料气消耗量降低，我装置一般将炉膛负压控制在-28.3～-38.1Pa范围内，此时，可以减少燃料气的使用量71Nm³/h。③增加燃料气压力。在一定范围内，增加燃料气压力，扩大炉管受热面积。当转化炉出口温度稳定时，可以使燃料气消耗减少。按照操作数据可知，燃料气压力上升时，可以减少燃料气量46Nm³/h。④增加混合气温度。对饱和蒸汽与过热蒸汽流量进行调节，能够增加工艺蒸汽温度，以提升混合气温度，根据转化炉的设计与实际工况，我装置将转化炉进口温度控制在560℃左右，从而达到减少燃料气量的目的。

2.2 减少蒸汽使用量

      当装置生产稳定，转化炉出口温度稳定时，工艺生产所获得的中压蒸汽源自于烟道废锅，所以，当蒸汽消耗量减少时，燃料天然气的使用量也随之减少，其作用表现在：①减少锅炉水排污量。对于锅炉排污炉水，可以携带走大量热量。所以满足炉水指标后，采用关小连排方式控制，可以将转化与合成炉水的排污量控制在标准范围内，不仅可以避免蒸汽的浪费，还可以减少锅炉上水量和炉水加药量。操作数据显示，转化汽包排污率降低至2%，可以增加蒸汽产生量，以此减少燃料气量。②提升蒸汽品质。采用转化炉烟气余热，可以增加高压蒸汽压力、过热后温度，以此加强高压蒸汽的潜能。采用此种方式，高品质高压蒸汽可以为压缩机和鼓引风机提供可靠的驱动力，以此减少中压蒸汽消耗量。③降低水碳比。高水碳比有助于提升转化反应，对转化催化剂析碳产生抑制效果，但蒸汽消耗量也持续增加，从而增加炉管热负荷。在满足工艺要求的同时，尽量降低水碳比和减少燃料气消耗。我装置一般情况下，将转化反应水碳比控制在2.75左右。

3、增加甲醇产量，降低损耗

      当转化气质量和转化负荷一定时，可以提升合成反应效率，以减少合成精馏系统的甲醇损耗，还能够增加甲醇产生量。所应用的技术措施如下：①对合成反应温度、空速和压力进行控制，确保合成催化剂处于稳定运行状态。②对合成系统驰放气排放量进行合理控制。③提升合成水冷、空冷效果，以降低循环气温度，回收驰放气，降低甲醇损耗。一般情况下，将循环气冷却后温度控制在40℃左右。④降低预塔和精馏主塔的冷却后温度，减少不凝气排放，降低甲醇损耗。一般情况下将精馏甲醇采出温度控制在40℃左右。⑤注重精馏主塔甲醇含醇量的控制，以减少甲醇外排损耗。将主塔塔底水含醇量控制在0.1%以内。⑥对主塔回流量及热量进行调整，确保主塔热量处于均衡状态，且汽液负荷状态稳定。当产品合格时，可以减少回流量，以此增加产品采出量。

4、注重装置技术改进

4.1 优化改造循环水系统

      循环水凉水塔是现代大型工业装置中重要的冷却散热设备之一，实际生产中为确保凉水塔的降温效果，一般选用6KV电机驱动风机叶轮进行散热，而所选电机的功率都会有较大富裕，这样既浪费电能又会造成较大的噪音污染。利用水轮机驱动叶轮散热对传统凉水塔进行节能改造，就是充分利用循环水回水系统富余能量来驱动风机旋转，从而达到风机的设计转速和风量，省去了原配6KV电机与附属设备，以节约电能和维护费用，从而获得可观的经济效益。改造循环水系统4000t凉水塔3台风机，单台凉水塔电机耗电为117.8Kw/h，以全年工作约8000h计算，每年可节省费用约1752864元。改造循环水系统图如图1。

4.2 增设膜分离装置

      合成催化剂中后期活性开始衰退，弛放气量随合成催化剂活性的降低而增加。到合成催化剂后期受PSA系统设计负荷的限制，多余的驰放气只能送去转化做燃料气燃烧，造成了H₂资源极大的浪费和甲醇产量的下降，也造成了大量温室气体的排放。为了减少H₂损失，优化合成系统的反应，提高装置效率，增加甲醇产量，增设膜分离装置，通过实际计算比较，回收弛放气中氢气3178Nm³可增加1吨精甲醇，根据生产数据，合成催化剂使用三年, 通过膜分离系统可多回收H₂约9504 万Nm³，三年内累计可增加精甲醇约13680.9吨，由于弛放气中的H₂已经回收，弛放气热值降低，投用膜分离后装置能耗低0.21GJ/t。

      增设膜分离装置图如图2。

5、结语

      节能减排、降本增效是企业的生存之本。通过分析降低甲醇装置天然气消耗的各种技术措施，以指导优化甲醇生产，从而创造较好的经济效益和社会效益。

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