甲醇合成驰放气的回收利用

石油和化工节能 2010 年第 2 期 ·27· 甲醇合成驰放气的回收利用 孟路 （河南煤化集团中原大化集团公司 河南濮阳 457004） 摘要 总结回收甲醇弛放气生产合成氨的工艺改造，分析有关自动控制和联锁装置的改造情况。改造 后，取得了节能、环保双重效益。 关键词 甲醇 弛放气 节能改造 增产 2008 年，中原大化集团采用荷兰壳牌公司煤粉 加压气化技术、德国鲁奇公司低温甲醇洗技术建成 了年产 500kt 甲醇装置。原合成氨生产装置为 20 世纪 80 年代引进，以天然气为原料，并且采用 UHDE-AMV 低能耗工艺，年产合成氨 300kt。合 成氨装置利用甲醇弛放气改造项目是国内第1家实 现甲醇合成弛放气回收利用的大型煤化工项目，既 可减少废气排放，又可使企业年增产合成氨 50kt、 尿素 85kt。 1 改造 新建成的甲醇装置所产生的弛放气压力为 ﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌ 为科学合理，保证了蒸发系统稳定过料。 4 蒸发系统 原来蒸发抽真空系统是由三级蒸汽喷射器组 成，二段蒸发抽至一段，从一段进入大气。在这种 流程中，二段蒸发抽至一段，增加了一段冷器的 负荷，一段喷射直接排入大气，既浪费了原料又污 染了环境。本次改造选用节能环保型水力喷射系 统，用水代替蒸汽作为喷射动力，二级喷射单独工 作，水循环使用，既减轻了一段表冷器的负荷，稳 定了真空度，又消除了排放，减少了污染。 为实现技改增产时不增加一蒸系统的负荷，采 用了降膜式闪蒸器。由于降膜式闪蒸器可将一蒸负 荷前移 50%以上，故在由改造前 450t/d 增产到 800t/d 时，可以利用原一蒸系统设备，既充分利用 了现有设备，又发挥了降膜式闪蒸器的节能作用。 降膜式闪蒸器在闪蒸低真空情况下其利用甲铵热 加热尿液比升膜式换热设备吨尿素节省蒸汽 50kg 以上。闪蒸下液进入小尿液槽，用泵通过调节阀进 入一段蒸发加热器，蒸发系统过料稳定，受低压系 统影响较小。蒸发系统故障停车时，尿液可由小尿 液槽溢流到大尿液槽，从而避免了全系统停车。 5 尾气吸收 在传统的工艺中，中压系统的放空气和低压系 统的放空气都在尾气吸收塔设备内吸收。中压系统 放空气中空气、甲烷等体积分数约占 75%，氨气体 积分数约占 25%，低压系统的放空气中氨含量高达 95%。2 种不同组分的气体在同一设备内用同一种物 质吸收，不仅吸收率低，尾气中含氨量高，而且浪 费原料，污染环境。改造时新增 1 台操作压力为 0.4MPa 的惰气精洗器，用以单独吸收中压放空气； 把原来的二循二冷改造为尾气吸收塔，单独吸收低 压放空气。改造后放空气中的氨含量可由原来的 8% 降低到 2%以下。 6 氨冷凝系统 增加 F＝670m2氨冷凝器 1台，在主厂房 4 楼增 加 1000m3/h 凉水塔 1 台，专供氨冷凝器使用。 7 设备布置 由于此次改造作业面大，新增设备较多，会导 致原有框架布局拥挤，难以保证很好的检修和巡检 通道，现场较乱。改进的办法是在原有框架外新增 钢框架 6m，设备外移，使现场布局合理，流程顺畅。 装置经过改造后，于 2006 年 12 月一次开车成 功，合成塔投料 2h 后各系统基本稳定，装置达到 各项改造目的，节能效果明显，工艺生产操作弹性 在 40%～100%范围内都能保证产品质量达到优等品 的标准。 ·28· 2010 年第 2 期 石油和化工节能 7.49MPa、温度 55℃，主要组成（体积分数）为 H2 （30%～40%），CO（10%左右）及 CO2，总流量约 30080m3/h（标态）。合成氨装置增加一弛放气预热 器（04E004），将引入的弛放气与高变出口气体换 热，预热至 370℃与二段炉出口气混合进入高变炉 （04R001）；在高变炉内，混合气中的 CO 和水蒸气 在变换催化剂的作用下发生反应，CO（体积分数） 降至 2.19%，再经低变、脱碳、甲烷化、合成等单 元，最后作为合成氨原料气，达到合理利用资源、 回收弛放气的目的。同时弛放气管线还用作从合成 氨装置引出合成气送入甲醇装置，解决甲醇装置开 车催化剂还原问题。 为了解决新加入的弛放气配氮问题，引入了 6000m3/h（标态）N2，经换热器（06E001）预热后 补充进入甲烷化炉。为解决合成氨装置 N2管网中 N2 不足问题，将 1000m3/h（标态）8.15MPa 的高压 N2 减压至 0.70MPa 补入合成氨装置 N2管网。为了解决 尿素装置 CO2量的不足，从甲醇装置 CO2压缩机组二 段引出 4000m3/h（标态）2.2MPa CO2补至尿素装置 压缩机组一段出口。 整个改造方案包括：弛放气及 N2和 CO2的流量、 压力、温度等重要工艺参数的控制和检测。流量控 制回路包括弛放气流量控制回路（FICA13001）、CO2 流 量 控 制 （ FICA13002 ） 以 及 N2 流 量 控 制 （FICA13003）；压力控制检测回路包括弛放气压力 检 测 （ PI13001/PI13002 ）、 CO2 压 力 检 测 （ PI13003/PI13004 ） 、 N2 压 力 检 测 （PIA13005/13006）和 N2压力控制（PICA13007）。 温度测量检测控制回路包括弛放气温度测量 （TI13001）、弛放气温度控制（TICA13002）、变换 气温度检测（TI13003）、CO2温度测量（TI13004） 和 N2温度测量（TI13005）。 2 仪表回路和控制方案的实现 2.1 仪表硬件 流量测量均采用差压法，其中一次测量元件采 用孔板，经差压变送器转换成 4～20mA 标准信号进 入合成装置的日本横河 CS3000 系统。压力测量采 用日本横河 EJA 变送器。温度测量采用 K型热电偶， 经现场温变转换成标准信号进入 DCS。在现场仪表 和DCS之间增加安全栅隔离防爆，利用DCS原有I/O 卡件的备用通道，依据控制要求并结合对原有控制 方案的影响，在 DCS 内部组态，实现检测、控制和 联锁，并在流程图画面上进行显示，同时建立采样 和趋势记录，增加报警和操作提示等功能。共计增 加了仪表模拟输入 15 个点，模拟输出 5 个点。同 时西门子 PLC 增加输出通道 3 个，通过现场调节阀 所带的电磁阀实现联锁状态下的安全切断。 2.2 主要控制和联锁 该项目为改造项目，必须全面分析相关工艺和 控制联锁方案，结合工艺要求、控制要求和原有的 控制联锁方案，对影响控制和联锁的各种因素综合 考虑，确保系统控制的稳定性和安全性。以弛放气 控制为例说明系统的组态。 弛放气主要对流量和温度参数进行控制。弛放 气引入合成装置后，合成气成分和量的变化对合成 系统的控制都将造成很大影响。弛放气含有的 CO 需要与一定比例的水蒸气在催化剂的作用下，经高 变和低变 2个单元转化为 H2；同时弛放气含有的 H2 和由 CO 转化得来的 H2又会影响氢氮比，所以必须 依据 H2含量的多少，按一定比例调整整个系统的空 气或 N2量。甲醇装置开车初期，气化输煤是 N2输送， 弛放气中 N2的含量较高，需减空气量；而正常运行 后，改为 CO2 输送，N2 含量较低，又需及时增加合 成气中的 N2含量，保证合理的氢氮比。因此，必须 准确测量并控制弛放气的量，同时依据测量和控制 的弛放气的量，及时调整一段炉的蒸汽量 （FIC03001），同时还要及时调整空气量，保证合 适的氢氮比。因此弛放气流量的准确测量和稳定控 制是改造的关键。 弛放气的流量测量采用了孔板取压、结合差压 变送器的测量方法，其测量的不是质量流量。气体 流量测量受温度和压力的变化影响较大，设计了温 度和压力补偿，引入弛放气压力（PI13002）和弛 放气温度测量（TI13001），在 DCS 内部组态，实现 温度和压力修正。并对气体流量通过阀门 （FV13002）进行控制，确保弛放气流量的相对稳 定。同时，还根据弛放气的气体组分，组态了对水 碳比、氨氮比影响的仪表，提示工艺操作。 因弛放气温度较低，而高变催化剂是以 Fe3O4 为活性成分，活性温度一般 350～430℃，为了保证 高变的效率，高变炉出口变换气走 04E004 管程， 弛放气经阀门（FV13001）减压后走壳程。04E004 设置 1 个旁路阀（FV13002），高变炉入口气体温度 调节控制在 370℃，加热后的弛放气和转化气汇合 进入高变炉进行变换反应。 2.3 DCS 内部组态 控制功能的实现通过 DCS 内部组态来完成。合 石油和化工节能 2010 年第 2 期 ·29· 纯碱生产中低温热能的回收利用 袁江 （中国石化集团南化有限公司连云港碱厂 江苏连云港 222042） 摘要 从实际经验出发，结合理论分析，系统地总结了淡液塔出气冷却器余热回收在局部及全厂热力 系统中不同效果的情况，指出在节能改造中，应该从全局考虑，比较在不同的工况下节能效果，做到最佳 的投入与产出。 关键词 纯碱 换热器 余热回收 节能减排 1 简介 在纯碱生产过程中，需要使用大量的冷却水， 一是为了控制工艺指标，二是为了回收或带走不利 于过程控制或设备安全稳定运行的热量。 当初，我厂淡液塔出气无单独的冷却器，是借 用蒸馏塔的氨冷器用循环水冷却，热量被带入大气 中，这些热量不仅白白浪费掉了，而且增加给排水 冷却塔的热负荷。另外，随着我厂生产能力的提高， 母液蒸馏系统的冷却能力已不能满足生产需要；另 一方面，给排水车间送往热电车间的脱盐水在进入 锅炉前需要加热到 104℃。因此我厂于 2000 年 6 月 为淡液蒸馏塔增设 1 台波纹管换热器，用脱盐水作 冷却介质，因其运行过程中泄漏频繁，维修量大， 在 2006 年又改用螺旋板式换热器，冷却介质仍为 脱盐水。可以看出，用脱盐水取代循环水冷却淡液 塔出气，既减轻了给排水冷却塔的热负荷，又回收 了淡液塔出气中的余热，是一个一举两得、有明显 节能效果的措施。脱盐水经过淡液塔冷却换热后， 温度升高约 30℃，降低了除氧器的蒸汽消耗，具有 可观的经济效益，对我厂节能减排有着十分重要的 意义。 2 螺旋板式换热器基本参数 在换热器大修更新时，用螺旋板式换热器取代 了波纹管换热器，仍然使用脱盐水作冷却介质。脱 盐水来自给排水车间，吸收淡液塔出气中的余热后 送往热电车间除氧器。 螺旋板式换热器主要设计参数见表 1。 3 运行情况分析 螺旋板式换热器 2006 年 7月 14 日投入生产运 行，8 月份进行了查定，查定时蒸量平均 114m3/h， 稍小于原设计蒸量 120m3/h。查定结果见表 2。 ﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌ 成装置的 DCS 系统采用的是日本横河的 CS3000 系 统。内部仪表的组态主要通过功能块互相连接，并 对功能块的参数进行设定来实现。以弛放气为例， 其控制主要用到了温度压力补偿模块 TPCFL 和 PID 控制模块。 2.4 联锁系统的修改 以上工艺回路在引入合成装置、尿素装置后， 如果装置出现异常情况时，必须执行正确的联锁程 序，以确保系统安全。根据实际工艺要求，主要增 加3个联锁动作：①合成装置一段炉联锁系统TRIPB 动作时，通过 PLC 发出一动作信号给 FV13001 带的 电磁阀，使其失电，自动关闭调节阀，防止造成高 变催化剂被还原失效；②甲烷化联锁TRIPF动作时， 关闭氮气控制阀（FV13003）；③当尿素装置 CO2 机 组跳车时，发出一信号给 FV13002 带的电磁阀，联 锁关闭该阀。 3 效果分析 改造完成后，于 2008 年 5 月 26 日将甲醇弛放 气引入合成氨装置。经过几次运行，工艺设备都运 行良好，仪表和控制也都运转正常。从实际运行看， 每小时可多产氨 3～6t，经济效益十分可观。随着 煤化工装置的进一步稳定运行，必将产生更大的经 济效益。同时，弛放气成分稳定后，仪表要进一步 通过内部组态和工艺结合，对弛放气引入后为合成 装置的工艺操作提供及时的控制调整提示信息。