天然气制甲醇蒸汽系统自平衡失衡诊断研究

摘 要 某甲醇厂蒸汽系统不能自平衡，需要开工锅炉长期运行提供6 t/h的中压蒸汽满足生产需要。装置能耗较高，不利于节能降耗和“清洁生产”。对甲醇厂蒸汽系统进行了详细分析和全面的物料衡算和能量衡算，找出了天然气制甲醇装置蒸汽不能达到自平衡的原因主要是转化汽包和废热锅炉产气量不足以及汽提塔底换热管污垢影响了换热效果。根据全面衡算结果提出了装置蒸汽系统达到平衡的可行技术方案，大大降低生产能耗。

关键词 甲醇生产装置；蒸汽系统；自平衡；诊断分析

中图分类号：TQ223 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）14-0122-02

1 某甲醇厂蒸汽系统运行现状

从20世纪50年代开始，天然气逐步成为制造甲醇的主要原料，具有工艺流程简单、输送方便、成本低等优点，目前全球甲醇总产量中约有70%左右是以天然气为原料合成的。某甲醇厂以天然气为原料生产10万吨甲醇/年。蒸汽系统设计为自平衡，开工锅炉所产生的中压蒸汽仅用于装置开工时用以驱动蒸汽转化炉引风机透平、转化炉蒸汽升温以及合成系统升温用喷射蒸汽，当工艺装置投入正常运行后，所需蒸汽应该全部来源于甲醇装置的自产蒸汽，装置可实现蒸汽自平衡，开工锅炉应转入停炉备用状态。但投产后，蒸汽系统不能自平衡，由开工锅炉提供6 t/h左右的中压蒸汽来满足生产需要，开工锅炉一直处于长期运行的工况。因此，进行了全厂蒸汽系统衡算及诊断，找出了蒸汽不能达到自平衡的原因，并提出了切实可行的技术方案。

2 天然气制甲醇蒸汽系统衡算

在正常运行的条件下，对设计工况与实际工况蒸汽生产与消耗量进行对比分析，从而找出全厂蒸汽不能达到平衡的原因。

2.1 蒸汽平衡系统运行参数对比分析

详细分析各产气、用气单元的产气量和用气量，并且将设计工况与实际工况对比分析，运行参数分析对比见表1。

2.2 蒸汽系统不能达到自平衡原因及对策分析

由表1中的数据分析表明，蒸汽系统不能达到平衡的主要原因有两个方面：转化汽包产气量不足；汽提塔不产气反而消耗蒸汽。

2.2.1 转化汽包产气量不足原因分析及对策

转化汽包的产气单元主要由两个部分组成，一个是废热锅炉，设计产气量为39.43 t/h，另一个产气单元是蒸汽转化炉对流段的第五组盘管，设计产气量是21.06 t/h，在实际工况下，转化汽包只能产生蒸汽56.26 t/h，与设计值（60.49 t/h）相差4.23 t/h。

通过对第五组盘管和废热锅炉进行热力学分析表明，传热效率已经达到99%，所以产气量不足的原因是进入第五组盘管处的温度偏低，传热量减少，导致产气量减少。

当离开第五组盘管的烟气温度不变，进入第五组盘管的温度由594℃升高到630℃时，产气量将由19.115 t/h增加到21.98 t/h，达到设计要求。因此，解决第五组盘管产气量不足的有效方法就是提高进入第五组盘管的烟气的温度。

由于废热锅炉加热管污垢的热阻效应，导致传热过程受阻。热阻的存在造成离开废热锅炉的工艺气体温度升高，造成传热不良。在当前条件下（进口温度812℃，出口温度280℃）产生蒸汽37.14 t/h，而在进口温度不变的条件下，当除去所有污垢，入口温度仍然是812℃，产生蒸汽量可达到39.34 t/h。

由于进入废热锅炉的转化气温度偏低，从而导致进口气体焓降低，引起了产气量的降低，在同等情况下，当温度提高到850℃时，废热锅炉的产气量将提高到40.15 t/h，第五组盘管的条件不变，转化汽包总产气量提高到59.26 t/h。

2.2.2 汽提塔产气量不足原因分析及对策

1）由于进入换热器的冷凝液的温度偏低约14.2℃，导致离开换热器的进塔冷凝液温度偏低。

2）换热器的换热管表面含有大量的污垢，没有得到及时的清理。污垢热阻已经由原来的0.00026 m2·k/kW升高到0.004853 m2·k/kW，大大的阻碍了传热过程热阻。

3）由于上述两个因素的影响，换热器出口温度比设计工况偏低约55℃。

4）由于塔顶工艺冷凝液温度的偏低55℃，导致了汽提塔不产气反而消耗蒸汽3.5 t/h。

5）在实际工况下，汽提塔顶蒸汽的实际产量是19.183 t/h，比理论工况（24.42 t/h）低约5.23 t/h，即实际消耗蒸汽3.5 t/h。

3 川西北气矿甲醇厂蒸汽系统优化

转化炉是甲醇厂能耗最大的操作单元。实现蒸汽平衡系统余热的有效回收，是甲醇厂节能降耗的重要组成部分。目前甲醇厂能耗太高的主要原因在于蒸汽不能自平衡。在蒸汽外输工况下，不得不依靠开工锅炉产生蒸汽来补充蒸汽使得蒸汽平衡系统达到平衡。但是，在这种工况下，低压蒸汽还有8 t/h左右的蒸汽放空。因此，提出了以下蒸汽平衡系统的优化方案，以满足蒸汽平衡系统达到平衡。

1）适当提高辅烧锅炉的燃料量，以提高进入第五组盘管的烟气的温度。可以适当提高第五组盘管的蒸汽产量，尽量减少中蒸I的放空量，从而使得全厂蒸汽可以达到平衡。

2）适当的提高第五段盘管的温度，以提高转化汽包的产气能力，当进入第五段盘管烟气的温度由594℃提高到630℃的时候，第五组盘管的烟气产量将由原来的19.183 t/h提高到21.736 t/h。这样调节蒸汽产量方便，能耗较适用开工锅炉低。

经过蒸汽平衡系统的以上优化措施，蒸汽能够达到自平衡，最终放空蒸汽量3.15 t/h左右，大大降低了能耗。

4 结论

1）由于废热锅炉换热管存在大量的污垢以及进入废热锅炉的工艺蒸汽温度偏低，使得废热锅炉的产气量大幅降低，核算出的产气量为37.14 t/h，达不到设计值的产气量，即39.43 t/h。

2）由于进入蒸汽转化炉的温度偏低，即594℃，所以第五组盘管的产气量偏低，核算出的产气量为19.12 t/h，达不到设计值的产气量，即21.06 t/h。

3）由于汽提塔底换热管大量污垢的存在，换热性能不能达到理想效果，经过核算，换热管的热阻达到了0.004853 m2 k/kW，大大的阻碍了传热过程热阻。因此，离开换热器进入汽提塔的工艺冷凝液温度偏低（设计值：228℃，实际值：173℃）。

4）由于塔顶冷凝液的温度偏低（173℃），进入塔底的过热蒸汽温度偏低（359℃），导致了汽提塔产气量不足（只有19.183 t/h）。

5）在当前工况的基础上，提出了蒸汽平衡系统的优化方案，即提出了使得蒸汽平衡系统能够达到自平衡的措施，达到了节能降耗的目的。

参考文献

[1]徐世彬.甲醇合成工艺的选用[J].中氮肥，2009（2）：

14-16.

[2]李丁川，范忠.川西北气矿甲醇厂甲醇装置蒸汽平衡问题的分析[J].石油与天然气化工，2001（4）：185-186.

作者简介

肖靖，从1993年至今一直从事环境监测和环境影响评价工作，工作单位：孝感市环境保护监测站。

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