云南解化清洁能源开发有限公司解化化工分公司20万t/a甲醇合成装置于2008年9月建成投运,合成塔采用Lurgi列管式均温型甲醇合成塔,2台并联运行,操作压力6.0 MPa,操作温度220~250 ℃。以褐煤为原料,通过YM炉气化技术合成主要成分为H2、CO和CO2的原料气,在铜基催化剂的作用下生成甲醇,主反应为CO+ 2H2→CH3OH+Q、CO2+ 3H2→CH3OH+H2O+Q,副反应有高碳链的碳氢化合物及石蜡的生产。结蜡严重时会引起甲醇水冷器、甲醇分离器堵塞,分离效果变差,压差增大,动力消耗增加,石蜡类烷烃带到后面的精馏系统,易使产品的高锰酸钾和水溶性指标不合格,严重时被迫停车清蜡。因此在甲醇生产过程中,找出石蜡生成的原因,避免或减少结蜡。
我公司合成装置结蜡的主要原因有以下几点。
1.由于初始开车前,吹扫时压力较低、流量不足,造成吹扫的过程中气体流速不够,很难将系统内附着的氧化铁吹扫干净,从而使开车后氧化铁随着工艺气进入合成催化剂中,加上催化剂在加工、运输、装填过程中会不可避免地混入铁、钴、镍等金属杂质,使催化剂具备生成脂肪烃的条件。还有催化剂中含有酸性氧化物(SiO2等),也会促进生成石蜡的副反应。
2.甲醇合成装置管道多为碳钢材质,而甲醇生产过程中经常伴有少量甲酸及其他有机酸生成,使设备产生腐蚀,原料气中CO在有压力和适宜温度下生成羰基铁而被气体带入催化剂层,覆盖在催化剂表面,这样就使催化剂具备了生成石蜡的条件。催化剂运行时间越长,铁在催化剂上的积累就越多,石蜡的生成量随之增加。
3.原料煤质较差以及气化技术等原因,导致入塔气成分不能稳定地控制在指标范围内,甲烷和氮气等惰性气体成分严重偏高,可能使得系统结蜡趋向加大。
4.气气换热器可能存在问题,入塔气只能被预热到170~190 ℃,偏离设计指标(200 ℃)较大,使得入塔气在低于催化剂正常活性温度的情况下直接进入催化剂层,铜基催化剂中Al、Na等在一定温度、压力下会促进CO与H2反应生成石蜡。实践证明:在甲醇生成过程中,合成塔床层温度控制得太低,使入塔气在低于催化剂正常活性温度的情况下进入催化剂层,生成的粗甲醇中就会含有大量石蜡。
5.甲醇合成装置仅在2011年就停车11次之多,如此频繁地开停车也易造成结蜡。因为开车投料阶段,合成塔低温反应区易结蜡;停车阶段,系统置换不彻底,未置换干净的CO、H2通过合成塔低温反应区也易结蜡。
6.合成反应的压力的控制与石蜡生成量的关系很密切。生成烃类的碳链越长,反应体积缩小越多,压力就越高,而入塔合成气CO浓度( 含量) 控制得越高,越容易使合成反应向生成脂肪烃的方向进行,生成烃类的碳链也就越长,结蜡的几率也就越大。
7.甲醇合成过程中,合成气与催化剂接触时间的控制是通过调节合成气的空速来实现的。空速高,合成原料气与催化剂接触时间短,产品纯度高、副产物少;空速低,合成塔原料气与催化剂接触时间长,转化率高,但纯度下降、石蜡等副产物增多。合成负荷未能在达到75%以上时,造成进入合成塔的合成气流量不足,空速下降,导致合成气在催化剂床层的停留时间增加,发生生成石蜡副反应的机会增大。
8.石蜡使得甲醇分离器分离效果差,入塔气中甲醇含量较高,会造成副反应产物增多,导致恶性循环,使更多石蜡生成。
我公司采用了以下除蜡措施。
1.在装置的气换热器管程底部设有排蜡阀,定期进行排蜡作业,减少了石蜡带入水冷器,一定程度上避免水冷器积蜡堵塞及影响水冷效果。
2.甲醇合成装置总共设有3台水冷器(水冷器I以及水冷器IIA和IIB),水冷器I与水冷器IIA/B串联,水冷器I将循环气冷却到60~65 ℃后,进入水冷器II再冷却到40 ℃以下,水冷器IIA/B 2台并联,可通过开关气路及水路进出口阀,将其切换实现1开1备,切换出来的水冷器II可以单独通蒸汽蒸煮除蜡,彻底消除在线除蜡带来的风险,确保生产安全、稳定及装置的长期运行。
3.在甲醇合成装置甲醇分离器后设有A/B两线过滤器,将石蜡物质在过滤器中清除,使之不进入后系统,以免对后系统工段精馏产生影响。A/B两线过滤器1开1备,根据过滤器压差上升情况就行切换,切换出来的过滤器从其顶部通入低压蒸汽进行除蜡,熔化的蜡和蒸汽冷凝液从过滤器底部排入排蜡槽,除蜡完毕后备用。
4.利用每次停车机会对甲醇分离器内部以及分离器滤芯上附着的石蜡进行蒸煮除蜡,以确保分离器使用效果。
甲醇生产过程中,结蜡现象普遍存在,我们应根据各自甲醇装置的实际生产情况和甲醇生产过程中石蜡产生的原因,尽可能地采取有效措施,预防及减少石蜡的产生,并选择适合的除蜡措施,将结蜡对甲醇生产的影响降低到最小,进而实现甲醇合成装置稳定长周期的运行。