李万林1，李 芮2，孙乖绪1，何丽蓉1，王 正2
（1. 陕煤集团榆林化学有限责任公司，陕西 榆林719000；2.陕西北元化工集团股份有限公司，陕西 榆林719319）
［摘 要］近年来，国内众多大型煤基甲醇装置大多采用低压甲醇合成工艺，以市场占有率居前三的Davy甲醇合成工艺、Lurgi甲醇合成工艺、Topsoe甲醇合成工艺为例，介绍其常见的工艺流程配置、国内外主要应用业绩、生产中的一些问题及其解决措施。分析认为，Davy、Lurgi、Topsoe低压甲醇合成工艺在流程布置、设备数量、系统压降和能耗水耗等方面各不相同、各有特点；总体而言，同等甲醇产能情况下，系统压降方面Davy甲醇合成工艺占有优势，公用工程消耗及运行费用方面Lurgi甲醇合成工艺占有优势，Topsoe甲醇合成工艺在催化剂方面具有较强的优势。新上甲醇项目选择甲醇合成工艺时，应综合考虑许可费（含专利和技术转让费）、工艺设计包和技术文件费、技术服务费和培训费，并充分考虑技术的成熟性、稳定性、安全性、经济性及环保指标等。
［关键词］大型甲醇装置；Davy甲醇合成工艺；Lurgi甲醇合成工艺，Topsoe甲醇合成工艺；对比分析；应用情况；解决方案
［中图分类号］TQ223.12+1 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2021）05-0041-05
0 引 言
近年来，受国际原油价格波动的影响以及国内政策的导向作用，众多大型煤化工项目陆续规划建设，其中，煤经甲醇制烯烃、乙醇、醋酸、二甲醚项目较多，尤其是煤经甲醇制烯烃路线具有很强的市场竞争力，煤基甲醇制烯烃项目遍地开花，例如，最近10 a来国家能源集团（原神华集团与国电集团整合而成）、中煤集团、中石化集团、陕西延长石油集团、陕西煤业化工集团、宁夏宝丰能源集团、久泰集团等大型企业纷纷涉足煤基甲醇制烯烃行业。
甲醇合成工艺技术经过数十年的发展，已经十分成熟，按甲醇合成反应压力主要分为高压法、中压法和低压法（习惯上，许多学者将低压甲醇合成工艺和中压甲醇合成工艺统称为低压法），由于低压法较高压法具有较多的技术优势和经济优势，因此近年来新建甲醇装置大多采用低压甲醇合成工艺。典型的低压甲醇合成工艺主要有Davy工艺、Lurgi工艺、Topsoe工艺、Casale工艺和三菱工艺，在设计日产能占全球（技术）转让运行产能份额中，Davy工艺占比约32%，Lurgi工艺占比约20%，Topsoe工艺占比约8%，Casale工艺占比约7%，三菱工艺占比约7%；此外，华东理工大学的低压甲醇合成工艺在国内中小型甲醇装置中多有应用（大型甲醇装置中应用较少），如陕西神木化学工业有限公司的200 kt/a甲醇装置、陕西长青能源化工有限公司的300 kt/a甲醇装置、河南龙宇煤化工有限公司的500 kt/a甲醇装置等。
现以市场占有率居前三的低压甲醇合成工艺——Davy甲醇合成工艺、Lurgi甲醇合成工艺、Topsoe甲醇合成工艺为例，介绍其常见的工艺流程配置、国内外主要业绩、工艺特点及优缺点、系统生产中的常见问题及其解决措施，以期为后续新建甲醇项目及在运甲醇装置提供一点参考与借鉴。
1 大型甲醇装置甲醇合成系统工艺流程配置
1997年Lurgi公司率先提出“大甲醇”概念后，Davy、Lurgi、Topsoe等公司相继提出大型甲醇装置甲醇合成工艺，不同甲醇合成工艺的原理和能耗差异不大，主要差异在于甲醇合成塔类型及工艺流程配置等方面。目前，大型甲醇装置甲醇合成工艺流程配置主要有3种［1］，具体如下。
1.1 串联工艺——Lurgi甲醇合成工艺
1969年Lurgi公司首次进行了低压甲醇合成工艺催化剂工业试验，1970年设置有100根换热列管的示范性甲醇合成塔投入使用，1997年Lurgi公司率先提出1 Mt/a甲醇合成工艺概念，2004—2020年，Lurgi公司在中国拿到了13套甲醇项目的订单。
Lurgi公司大型甲醇装置合成系统采用的是典型的串联工艺流程——气冷反应器与水冷反应器串联：气冷反应器接近反应最优温度，具有较高的平衡驱动力，CO转化率较高，原料气消耗较低，出口气中产物浓度高，粗甲醇含量最高可达16%；水冷反应器近等温设计，床层传热速率极快，80%的甲醇合成反应热可转化为蒸汽，开车操作简单方便（通过蒸汽就可直接加热甲醇合成塔催化剂床层），水汽（锅炉水+蒸汽）在水冷反应器（壳程）与汽包内形成热虹吸循环，不需设置强制循环水泵，生产安全可靠。Lurgi公司提出的这种甲醇合成串联工艺流程，较好地在甲醇合成反应热力学与反应动力学之间进行了权衡，水冷反应器催化剂床层有相对较高的温度，水冷反应器内的甲醇合成反应可较快地进行，剩余未转化的工艺气则在气冷反应器内较低温度下进行进一步的甲醇合成反应。简言之，Lurgi甲醇合成工艺CO单程转化率高、反应速率较快，不仅节省了合成气（循环气）压缩机的功耗，而且降低了循环气量［2］。
1.2 并联工艺——Topsoe甲醇合成工艺
化工生产中，当1台反应器不能满足产能要求时，可采用2台或多台反应器并联来实现系统的增产。Topsoe公司的大型甲醇装置合成系统采用的就是并联工艺流程。
经典的Topsoe甲醇合成工艺流程为：新鲜合成气首先与少量的热锅炉水混合（加入热锅炉水的目的是确保下游硫保护罐内羰基硫的水解），然后原料气在第一进气/出气换热器中被甲醇合成塔出塔气预热，预热后的原料气送至硫保护罐中，H2S被硫保护罐中的脱硫剂脱除；来自高压分离罐的循环气经合成气压缩机循环压缩段提压后进入第二进气/出气换热器中预热，接着与脱硫后的新鲜气混合进入甲醇合成塔内，H2、CO和CO2在甲醇合成催化剂的作用下反应生成甲醇；甲醇合成塔出塔气分为两股，分别在第一进气/出气换热器和第二进气/出气换热器内被冷却，冷却后的两股气体合并后，在合成回路空冷器和水冷器内被进一步冷却冷凝，得到的粗甲醇在高压分离罐中分离并送往低压分离罐；新鲜气中含有少量的惰性气如N2、Ar、CH4，为防止惰性气在合成回路中聚集，循环气的一部分作为弛放气在高压分离器下游排出（此处的惰性气浓度最高），循环气则通过合成气压缩机循环压缩段提压后循环利用。Topsoe甲醇合成塔为沸水反应器，甲醇合成催化剂装填在不同的列管中，沸水包围着列管，可有效地移去甲醇合成反应热；沸水和蒸汽的混合物在反应器（壳程）与外部汽包之间自然循环，可通过调整从汽包分离出来并送至界区的蒸汽压力来控制甲醇合成塔催化剂床层的温度。
1.3 串并联耦合工艺——Davy甲醇合成工艺
更多内容详见《中氮肥》2021年第5期