煤制甲醇生产线转合成氨生产线改造方案及工艺路线研究

王江涛，曹真真，孟 雪

（河南心连心化学工业集团股份有限公司，河南 新乡 453700）

0 引 言

在现代煤化工项目中，以气流床加压气化工艺等为龙头的甲醇装置建成投产后，由于装置自身工艺技术相对先进，通常而言通过技术改造实现装置盈利能力提升的潜力较小。甲醇作为基础化工原料产品，甲醇装置的盈利能力主要受甲醇产品市场价格的影响，而近年来甲醇与液氨的市场差价大致在1 500～1 800元／t，使得甲醇装置的盈利能力远低于同等规模的合成氨装置。鉴于甲醇合成系统与氨合成系统的上游系统有较多相同的工艺配置，如空分、气化、变换、低温甲醇洗等，通过对甲醇装置模块进行补充改造，实现甲醇生产线（简称醇线）与合成氨生产线（简称氨线）的互相切换，构建“一头两尾”的柔性生产模式，则可明显提升甲醇企业抵御市场风险的能力。以下以某600 kt／a煤制甲醇装置为例，对甲醇生产线转合成氨生产线的改造方案及工艺路线进行研究。

1 醇线转氨线的整体工艺改造方案

该600 kt／a甲醇装置配套1套80 000 m3／h空分装置，气化系统配置1 500 t／d水煤浆气化炉3台（两开一备），所用原料煤为神华煤+陕西煤复配，可产有效气约185 000 m3／h；变换系统采用配气流程，低温甲醇洗系统设置变换气洗涤塔和未变换气洗涤塔，净化气经换热器复热后进入甲醇合成系统。

为提升企业抵御市场风险的能力，结合所在园区现有工艺装置情况——有1套闲置的醇氨联产国产化合成氨装置，经技术可行性分析，计划利用该600 kt／a甲醇装置气化系统所产粗合成气进行甲醇生产线转合成氨生产线的工艺改造，其主要内容包括：空分装置新增中压氮气系统，变换系统新增一段变换线，低温甲醇洗系统2个主洗涤塔［变换气洗涤塔（T01）和未变换气洗涤塔（T08）］塔盘改造并增设副塔、CO2解吸系统改造、CO2解吸辅助塔塔盘改造［1］。具体而言，主要对原600 kt／a甲醇装置变换系统和低温甲醇洗系统进行配气改造——提高变换线变换气量占比至70%，将全变换线变换气用于氨合成系统，将未变换气与部分变换气配气用于甲醇合成系统，即将600 kt／a甲醇装置约2／3的合成气用于生产合成氨，实现转产400 kt／a合成氨+230 kt／a甲醇。

2 整体改造工艺路线分析

600 kt／a甲醇装置之醇线转氨线改造，从系统整体物料平衡来说，甲醇合成生产线与氨合成生产线的主要区别在于变换系统和气体净化系统：甲醇合成生产线需将约1／2的粗合成气变换，其低温甲醇洗系统分别设置变换气洗涤单元和未变换气洗涤单元，未变换气与部分变换气配气经低温甲醇洗系统净化后作为甲醇合成系统的原料气；氨合成生产线则需将粗合成气全部变换，单独设置变换气的低温甲醇洗系统，将全变换线变换气经净化后作为氨合成系统的原料气。因此，要实现600 kt／a甲醇装置约2／3的粗合成气用于生产合成氨，需对其未变换线进行改造，即新增变换炉，提高粗合成气变换的比例，同时对低温甲醇洗系统进行扩产改造。改造前甲醇装置工艺流程示意图见图1，改造后主生产系统工艺流程示意图见图2。

图1 改造前甲醇装置工艺流程示意图

图2 改造后主生产系统工艺流程示意图

改造的主要内容是变换系统新增一段绝热变换炉，用来将粗合成气变换的比例由改造前的约50%提高至改造后的约70%，变换气配部分未变换气作为甲醇合成系统的原料气使用；全变换生产线的变换气，经低温甲醇洗系统脱除CO2和H2S后作为氨合成系统的原料气，氨合成原料气配氮在醇氨联产合成氨装置中实现，即在合成氨装置高压机部分利用空分装置生产的氮气进行配氮。改造后氨合成系统工艺流程示意图见图3。

图3 改造后氨合成系统工艺流程示意图

3 醇线转氨线改造的具体内容

3.1 空分装置氮气系统的改造

由于600 kt／a甲醇装置配套空分装置未设计中压氮气系统，故醇线转氨线改造需新增中压氮气系统，以达到氨合成系统所需的合成气氢氮比为3∶1［2］。整体排查园区氮气来源后，决定通过“空分装置低压氮气+部分污氮气除氧改造”获取中压氮气，中压氮气经压缩机加压后供氨合成系统使用。其中，污氮气的除氧原理为，在钯催化剂的作用下，污氮气中的O2和H2反应生成H2O，从而将污氮气中的O2含量脱至5×10-6以下。

3.2 变换系统的改造

变换系统改造需新增的设备包括原料气预热器、中压蒸汽过热器、中压蒸汽发生器等，整个系统串联在原未变换线内，通过合成气调节阀控制变换气与未变换气的配比［3］。改造后变换系统工艺流程示意图见图4（云线内为新增设备）。

图4 改造后变换系统工艺流程示意图

醇线转氨线的工艺改造，实质上是对原未变换线设备的改造，新增变换炉的目的是提高变换气的占比，考虑新增变换炉产出的变换气要与未变换气配比作为甲醇合成的原料气，故不需要选择深度变换，配套一段绝热浅变换［4］即可；绝热变换炉按炉型可分为轴向炉和径向炉，因径向变换炉需配套催化剂内件，内件需要进口，整体供货周期较长，故本改造拟选择普通轴向变换炉。

新增轴向变换炉炉壁材料选择国产14Cr1MoR+316L复合板。考虑变换催化剂的使用周期，变换炉设计气量取实际气量的120%，据变换炉的设计气量及设计参数等（见表1），取COS转化率＞90%、HCN转化率＞99%，核算得变换炉内需装填LYB-H型变换催化剂38 m3，进而确定新增变换炉的尺寸为φ3 400 mm。

表1 新增变换炉有关设计参数

3.3 低温甲醇洗系统的改造

要实现600 kt／a甲醇装置转产400 kt／a合成氨+230 kt／a甲醇，经过对变换气洗涤塔（T01）和未变换气洗涤塔（T08）的物料进行核算，得知改造后进低温甲醇洗系统的变换气和未变换气的组分、流量均发生了变化，具体见表2。可以看出：改造后T01的进气量增加约22 000 m3／h，T01负荷提升约14%；改造后T08进气量变化不是太大，但T08进口未变换气的组分变化较大——未变换气中的CO2含量由16.2%增至34.4%，T08的脱碳负荷明显上升。

表2 改造前后低温甲醇洗系统进口工艺气组分的对比

伴随着低温甲醇洗系统处理负荷的增大——进气负荷平均增加约20%，系统液相负荷、再生负荷也需相应提升［5］，经计算，需将液相负荷提升约10%，由于液相系统的设备余量均已耗尽，欲将进气负荷增加约20%的工艺气洗涤至指标合格，只有将循环甲醇的温度降低，以提高单位贫液的吸收率。据此，确定低温甲醇洗系统扩能改造方案具体如下。

（1）变换气洗涤塔（T01）新增1座副塔（T10），T10设置约30层塔盘的洗涤段，与T01塔出气串联；未变换气洗涤塔（T08）新增1座副塔（T11），T11设置脱碳洗涤段，与T08塔出气串联；同时，为保证系统的冷量平衡，增加2台绕管式换热器、1台氨冷器以及2台半贫液增压泵（T08段间甲醇液泵），2台半贫液增压泵作为T10洗涤段的喷淋泵。改造后低温甲醇洗系统冷量消耗会增加约20%。

（2）为保证低温甲醇洗系统的CO2解吸彻底，CO2解吸塔（T02）新增1座副塔——CO2辅助解吸塔（T12）。T12分为A、B两段，A段的作用与T02的A段作用相同，增加T12的目的，一是将T02的闪蒸气量移出一部分以减轻T02的负荷，二是增加T12的B段液位高度以保证液相至H2S浓缩塔（T03）的输送［6］。

低温甲醇洗系统主流程改造后，利用Aspen软件对原有各塔塔盘能力进行核算。经核算，变换气洗涤塔（T01）C段和D段由于气速增大，液泛率较高，故需对T01的塔盘进行更换；由于进入尾气水洗塔（T06）的尾气甲醇含量增大，需增大气液接触面积，T06的塔盘需进行更换；热再生塔（T04）、甲醇水分离塔（T05）、氮气气提塔（T07）、未变换气洗涤塔（T08）由于原始设计塔盘就有20%的余量，其能力可满足改造后的生产所需，故无需更换塔盘。

3.4 甲醇装置与醇氨联产合成氨装置的对接

醇氨联产国产化合成氨装置，联产的目的为将甲醇合成作为氨合成的净化工序，利用低压联醇和高压联醇分别去除合成气中的CO和CO2，与现有以低温甲醇洗、液氮洗为净化单元的氨合成工艺对比，主要区别是净化气组分的差异；将以低温甲醇洗、液氮洗为净化单元的合成气与醇氨联产国产化合成氨装置相结合，整体工艺叙述为，从低温甲醇洗工段复热后的H2，与来自空分装置除氧加压后的氮气在高压段压缩机进口处混合，缓冲后送入烃化系统和氨合成塔。

4 醇氨联产合成氨装置的吨氨电耗估算

600 kt／a甲醇装置之醇线转氨线改造后，由于原料变化不大，涉及到的公用工程（主要为水、电）消耗与合成氨原料气消耗及催化剂使用量等方面的增量，其中以用电量变化最大且对整个装置能耗的影响最为明显，故此处仅对醇氨联产合成氨装置的吨氨电耗进行测算：空压机电耗4 kW·h、新增中压氮气系统电耗20 kW·h、冰机电耗26 kW·h、低压机电耗70 kW·h、高压机电耗180 kW·h、烃化电炉电耗25 kW·h、中压甲醇循环机电耗7 kW·h、合成循环气压缩机电耗38 kW·h、循环水系统电耗30 kW·h，合计醇氨联产合成氨装置吨氨电耗400 kW·h。可以看出，利用闲置醇氨联产国产化合成氨装置进行600 kt／a甲醇装置之醇线转氨线改造，改造后的合成氨装置吨氨电耗，与采用液氮洗等先进技术的合成氨装置吨氨电耗320 kW·h［7］相比，还是有一定差距的，但相较于先进合成氨装置需新增液氮洗和低压氨合成系统的设备及安装等工程投资来说，采用上述改造方案及工艺路线的投资回收期会大大缩短。

5 结束语

就当前甲醇和液氨的市场形势来说，生产甲醇的效益明显弱于生产合成氨的效益，该600 kt／a甲醇装置，结合自身园区装置的特点（有1套闲置的醇氨联产国产化合成氨装置），在原有装置的基础上进行甲醇装置之醇线转氨线的工艺改造，可在不新增原料煤、燃料煤和公用工程消耗的情况下构建“一头两尾”的柔性生产模式，从而可根据市场和产品盈利情况进行生产调节，本工艺路线改造的技术可行性高，经济效益明显，利于实现企业效益的最大化。