Abstract：
Some problems occurred in actual operation of the 1 800 kt/a methanol synthesis unit, such as the low gas pressure difference of the first seal gas of the syngas compressor dry gas seals, the wax precipitation of the MTO grade methanol condenser and the crude methanol water condenser, high return water temperature of circulating water of extractor of the syngas compressor, etc., and these problems affect the stable operation of the unit. In connection with existing problems, corresponding technical transformation measures are taken, and the long-term, full-load, safe and stable operation of the methanol synthesis unit is ensured.
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甲醇合成装置简介
神华新疆化工有限公司1 800 kt/a煤制甲醇项目于2016年5月底投料试车，7月初生产出合格甲醇产品。该煤制甲醇项目主要由空分装置、气化装置、净化硫回收装置、甲醇合成装置组成，其中甲醇合成装置采用英国Davy工艺技术有限公司的甲醇合成工艺技术及英国庄信万丰公司的甲醇合成催化剂来生产MTO级甲醇，生产能力为1 800 kt/a(按100%甲醇计)。该甲醇合成技术采用双反应器串并联的方式，具有合成气转化率高(99%)、原料消耗低、系统压降小、能量利用合理、流程简练、控制简单、三废排放量少等特点。
如图 1所示：净化后的合成气分为2股，其中占总体积56%的新鲜合成气与循环气混合，经合成回路中间换热器A预热后进入甲醇合成塔A，甲醇合成反应热副产的2.11 MPa(表压)饱和蒸汽经甲醇合成汽包A分离后进入装置内副产蒸汽总管；甲醇合成塔A出口气体经合成回路中间换热器A预热甲醇合成塔A入口气体后，依次经空冷器A和粗甲醇水冷器A冷却至45 ℃进入粗甲醇分离器A进行气液分离，分离得到的粗甲醇经粗甲醇过滤器A过滤后送至闪蒸槽；在粗甲醇分离器A分离出的气体与占总体积44%的新鲜合成气混合并经合成气压缩机加压后进入合成回路中间换热器B被预热，然后进入甲醇合成塔B，甲醇合成反应热副产的2.11 MPa(表压)饱和蒸汽经甲醇合成汽包B分离后进入装置内副产蒸汽总管；甲醇合成塔B出口气体经合成回路中间换热器B预热甲醇合成塔B入口气体后，依次经空冷器B和粗甲醇水冷器B冷却至45 ℃进入粗甲醇分离器B进行气液分离，分离得到的粗甲醇经粗甲醇过滤器B过滤去除石蜡、催化剂粉末等杂质以后送至闪蒸槽；闪蒸槽底部得到的粗甲醇送入稳定塔进行MTO级甲醇的精制，合格的MTO级甲醇经MTO级甲醇冷凝器换热冷却至40 ℃后送下罐区储存，顶部出口的循环气返回甲醇合成塔A，另有少量气体作为弛放气送氢回收单元以调节合成循环回路的惰性气体含量。
图 1
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甲醇合成装置运行概况
该甲醇合成装置经1年多的实际生产运行，逐渐暴露出一些影响装置长周期满负荷稳定运行的问题，如合成气压缩机干气密封一级密封气压差小、MTO级甲醇冷凝器和粗甲醇水冷器结蜡、地下槽系统设计不完善、合成气压缩机抽气器二级抽循环水回水温度高等。为了从根本上解决上述问题、消除设计缺陷，实施了相应的技术改造和优化措施，取得了显著的效果。
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存在的问题及技改方案
3.1
合成气压缩机干气密封一级密封气压差低
合成气压缩机选用美国Flowserve公司的单向螺旋槽结构、带中间进气的串联式干气密封组件，其第1级主密封气采用工艺气，引入0.7 MPa低压氮气作为第2级密封的气源，通过一级密封泄漏出的工艺气体被氮气全部引入火炬燃烧，而通过二级密封漏入大气的全部为氮气，当主密封失效时，第2级密封同样起到辅助安全密封的作用。隔离密封位于密封壳体与压缩机轴承之间，同样采用0.7 MPa低压氮气作为隔离气气源，以阻止压缩机润滑油进入密封腔而污染密封端面，同时可防止工艺气向外进入润滑轴承箱。
干气密封工作原理：当端面外侧开设的流体动压槽(2.5~10.0 μm)的动环旋转时，流体动压槽把外径侧(称之为上游侧)的高压隔离气体泵入密封端面之间，由外径至槽径处气膜压力逐渐增大，而自槽径至内径处气膜压力逐渐下降，因端面膜压增大使所形成的开启力大于作用在密封环上的闭合力，在摩擦副之间形成很薄的一层气膜(1.0~3.0 μm)，从而使密封工作在非接触状态下，所形成的气膜完全阻塞了相对低压的密封介质泄漏通道，实现了密封介质的零泄漏或零逸出。
正常操作时，压缩机驱动端与非驱动端一级密封气压差≥70 kPa，低低联锁值为≤12 kPa。当无法产生足够给干气密封供气的压差时，来自机壳内未经过滤的气体就会进入密封腔，易造成干气密封损坏。
3.1.1
存在问题
(1) 在启动合成气压缩机前，需用0.7 MPa低压氮气建立一级密封气压差(≥70 kPa)，合成气压缩机正常启动后，需切换至合成气压缩机出口合成气作为一级密封气气源，在切换过程中易发生因一级密封气压力低而联锁跳车；如果系统压力大于0.7 MPa，由于合成气压缩机启动前低压氮气压力只有0.7 MPa，一级密封气增压泵只有10 kPa的增压能力，无法建立一级密封气压差≥70 kPa的工况，此时将引起工艺气反窜，最终导致干气密封组件的密封面污染受损。
(2) 正常生产后，当压缩机发生跳车时，系统压力高达7.8 MPa，由于一级密封气增压泵只有10 kPa的增压能力，自密封气无法建立一级密封气压差≥70 kPa的工况，同样会造成工艺气反窜，最终导致干气密封组件的密封面污染受损。
3.1.2
改造内容
采用8.0 MPa高压氮气作为压缩机一级密封气气源，同时增设1只两位切断阀，当一级密封气压力低于30 kPa时，联锁或手动打开两位切断阀，以保证一级密封气压差≥70 kPa，实现干气密封组件的安全稳定运行。
3.1.3
改造效果
改造措施实施后，在加减负荷、开停车、事故处理过程中，不仅可以避免一级干气密封气压力低低(≤12 kPa)联锁停车，而且可以避免干气密封组件的污染受损，有效保证了合成气压缩机组的安全平稳运行。
3.2
MTO级甲醇冷凝器结蜡
甲醇合成装置反应生成石蜡是不可避免的，生成的石蜡一部分经粗甲醇过滤器过滤后清除，其余的石蜡通过稳定塔精馏后进入MTO级甲醇冷凝器。
MTO级甲醇冷凝器的管程入口和出口设计操作温度分别为92 ℃以及40 ℃，设计操作压力为0.68 MPa，材质为304不锈钢，走MTO级甲醇；壳程入口和出口设计操作温度分别为30 ℃以及40 ℃，设计操作压力为0.44 MPa，材质为碳钢，走循环冷却水。
3.2.1
存在问题
(1) 在生产过程中，石蜡冷凝后附着在MTO级甲醇冷凝器的换热管内部，导致MTO级甲醇冷凝器出口MTO级甲醇温度高达60 ℃。除蜡时，需要关闭循环水上水阀门，将MTO级甲醇冷凝器出口MTO级甲醇温度提高至88 ℃(甲醇沸点为64.7 ℃)才能将石蜡彻底清除干净，但是高温甲醇给罐区安全运行带来重大隐患。
(2) 循环冷却水走壳程，其材质为碳钢，易结垢、腐蚀。在甲醇合成装置运行初期，由于循环水水质控制不严，造成结垢、腐蚀加重，严重影响该换热器的换热效果，导致出口MTO级甲醇温度高达60 ℃，给罐区安全运行带来极大的隐患；每次进行高压清洗时，需要抽芯清洗换热器壳程，造成检修工作量大、耗时长，严重影响装置的经济高效运行。
3.2.2
改造内容
新增1台MTO级甲醇冷凝器与原MTO级甲醇冷凝器并联，其管程入口和出口设计操作温度分别为30 ℃和40 ℃，设计操作压力为0.44 MPa；壳程入口和出口设计操作温度分别为92 ℃和40 ℃，设计操作压力为0.68 MPa；管程和壳程材质均采用304不锈钢，循环水走管程，MTO级甲醇走壳程。
3.2.3
改造效果
2台MTO级甲醇冷凝器互为备用，当进行MTO级甲醇冷凝器除蜡操作时，稳定塔无需停车处理，MTO级甲醇冷凝器出口MTO级甲醇温度完全能够稳定控制在40 ℃以内；对新增的MTO级甲醇冷凝器的管束进行高压水清洗时，只需打开封头即可清洗循环水侧污垢，检修量大幅降低，检修时间由36 h缩短至12 h，不仅确保装置安全稳定、经济高效运行，而且保障了罐区的安全稳定运行。
3.3
粗甲醇水冷器结蜡
新鲜合成气先与循环气混合，再经合成回路中间换热器预热(220~250 ℃、7.90 MPa)后进入甲醇合成塔进行甲醇合成反应，生成的粗甲醇经合成回路中间换热器换热(93 ℃、7.89 MPa)后进入粗甲醇水冷器，反应生成的副产物石蜡冷凝后附着在粗甲醇水冷器的换热管内，造成粗甲醇水冷器出口粗甲醇温度在50 ℃以上。过高的温度将严重影响粗甲醇分离器的分离效果，未被分离的粗甲醇随着循环气重新进入甲醇合成塔中，不仅严重影响甲醇合成反应的效率，而且造成副反应增加，给装置满负荷稳定高效运行带来极大的影响。
通过对石蜡成分的分析发现，正四十烷至正四十八烷的混合烷烃所占质量分数约为55%，该混合烷烃沸点超过80 ℃，故除蜡操作时需将管程温度提高至80 ℃以上。
3.3.1
存在问题
对粗甲醇水冷器进行除蜡操作时，需要关闭水冷器壳程的循环水回水阀门，将粗甲醇出口温度提高至石蜡的熔融温度(80 ℃以上)。石蜡的密度比粗甲醇大，石蜡聚集在粗甲醇分离器底部，由于粗甲醇分离器与闪蒸槽存在7.00 MPa的压差，固体石蜡会被压入管道并进入粗甲醇过滤器，需频繁清理粗甲醇过滤器的过滤网，而且石蜡也会在过滤器前截止阀、调节阀处形成堵塞，导致阀门不能正常开启和切断，增加在线清洗石蜡的工作难度；此外，夹带石蜡的粗甲醇经过稳定塔后，会影响MTO级甲醇冷凝器的冷却效果，造成MTO级甲醇冷凝器需频繁除蜡。
由于经合成回路中间换热器后的甲醇气温度在90 ℃左右，粗甲醇水冷器出口温度往往无法达到除蜡操作要求的温度，导致系统除蜡不彻底，不仅造成合成系统反应恶化，需频繁进行除蜡操作，而且影响装置安全、平稳运行。
3.3.2
改造内容
在粗甲醇水冷器壳程中间底部排污导淋上增设0.46 MPa、165 ℃低压蒸汽管线，若粗甲醇水冷器除蜡时出口温度较低，则通入蒸汽加热循环水，使其管程出口气体温度满足除蜡操作要求。
3.3.3
改造效果
进行除蜡操作后，粗甲醇水冷器出口温度低于38 ℃，且除蜡操作由原来的每2个月进行1次延长至每3个月进行1次，大大减轻了操作人员的工作负荷，而且保证了装置的长周期稳定运行。
3.4
地下槽密闭排放系统改造
地下槽密闭排放系统是保证甲醇合成装置安全、节能、环保运行的重要组成部分，甲醇合成装置区机泵检修时外排的带甲醇液体、精馏单元清洗和过滤器清洗产生的带甲醇液体、各压缩机分液罐排液、临时取样的带醇液体等均需通过地下密闭排放管线排放至地下槽罐，然后送入公用工程系统的甲醇水罐。
3.4.1
存在问题
(1) 从甲醇合成装置开车运行至今，每次清理粗甲醇过滤器时均发现过滤器底部导淋排液管线被石蜡、铁屑等杂质堵塞。由于该管线直径只有12.7 mm，且设有4个弯头，排放不畅，造成过滤器内部甲醇无法密闭排放至地下槽，只能外排，不仅对检修人员的身心健康有害，还存在一定的安全和环保隐患。
(2) 由于地下槽设备本体无备用开口，正常生产时在现场取样和置换时留下的含醇废液以及其他情况排出的含醇废液都无法回收进入地下槽。
(3) 在清理地下槽时发现，地下槽底部有大量的铁屑、污泥等杂质，但密闭排放进入地下槽的总管线并无过滤器及切断阀，地下槽无法单独隔离，每次清理地下槽均需将装置内整个地下管网进行水洗并置换合格，不仅工作量大、耗时长，而且存在一定的安全风险。
3.4.2
改造内容
(1) 将粗甲醇过滤器底部密闭排放含醇液体的管线直径由12.7 mm增大至25.4 mm，并取消弯头，将管线直接插入地下排放管线，以改善液体流动状况，防止杂质堵塞管线。
(2) 在地下槽本体远程液位计管线上开口，接1根直径76.2 mm的管线至地下槽旁边，配上1只切断阀和1只漏斗。当装置因临时取样、置换等需要处置含醇废液时，打开切断阀门，将含醇废液倒入漏斗后关闭阀门，即可避免含醇液体对环境的污染。
(3) 在进入地下槽的总管上增加1组过滤器及前后切断阀，过滤器设置现场压差表。当过滤器压差＞50 kPa时进行清理，这样不仅能防止杂质再次进入地下槽，减少清理地下槽的频次，而且能将地下槽单独隔离，便于清理及检修。
3.4.3
改造效果
改造后，粗甲醇过滤器密闭排液管线再未发生堵塞，地下槽由2年清理1次改为根据需求进行检修、清理；临时需排放的含醇废液倒入地下槽，不仅将安全风险降至最低，而且有利于节能减排和环境保护，保证了装置的长周期、稳定经济高效运行。
3.5
压缩机抽气器二级抽循环水回水温度高
压缩机抽气器二级抽设计循环水上水压力为0.45 MPa，回水压力为0.20 MPa；上水温度为33 ℃，回水温度为43 ℃；透平真空度设计值为25 kPa(绝压)。
3.5.1
存在问题
在甲醇合成装置运行过程中，由于压缩机抽气器二级抽循环水回水温度高达88 ℃，导致透平真空度高达50 kPa(绝压)，严重影响装置的平稳运行。
3.5.2
改造内容
循环水上水压力设计值为0.45 MPa，现场实测值为0.26 MPa，循环水压力不足导致换热效果差。为此，增设循环水管道增压泵(1开1备，)，将循环水压力提高至0.45 MPa，并设计出口压力低低联锁(≤0.30 MPa)启动备用泵。
3.5.3
改造效果
改造后，压缩机抽气器二级抽循环水上水压力和回水温度恢复正常，透平真空度达到设计要求，保证了压缩机的稳定运行。
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结语
针对存在的问题，通过采取有针对性的改造措施，逐步解决了生产和设计上存在的绝大部分问题，消除了制约甲醇合成装置长周期稳定运行的瓶颈。
沪公网安备 31010702007066号