甲醇儲存系統耦合連通改造分析與應用實踐

王 偉，馬少龍，杜 蕊

(陜西渭河煤化工集團有限責任公司，陜西 渭南 714000)

0 引 言

陜西渭河煤化工集團有限責任公司(簡稱陜西渭化)本部現有3套生產裝置，包括一期300 kt/a合成氨與520 kt/a尿素裝置(1996年5月投產)、二期200 kt/a甲醇裝置(2006年5月投產)、三期400 kt/a甲醇裝置(2011年3月投產)，3套生產裝置前端系統(工藝氣、氧氣)和公用工程系統(蒸汽、鍋爐給水、脫鹽水、儀表空氣、工廠空氣等)互聯互通；其中，2套甲醇裝置均采用德士古水煤漿氣化、林德低溫甲醇洗凈化工藝，甲醇合成系統分別采用杭州林達均溫型甲醇合成工藝、卡薩利甲醇合成工藝，甲醇精餾系統均采用天津大學三塔雙效精餾工藝。為有效應對日常生產經營中的突發狀況，提升裝置運行效率及運行負荷，達到安全、環保、高效、節約、經濟運行的整體目標，陜西渭化對甲醇儲存系統進行優化改進，將二期甲醇裝置、三期甲醇裝置后端的粗甲醇儲罐與630甲醇產品罐[630甲醇產品罐為陜西渭河化工科技有限責任公司(簡稱渭化科技公司)100 kt/a二甲醚裝置的原料儲罐]進行了有效耦合連通，這對靈活調整產品結構和產品質量等意義重大。以下對有關情況作一介紹。

1 甲醇精餾系統及儲罐概況

1.1 甲醇精餾系統工藝流程簡介

陜西渭化二期甲醇裝置和三期甲醇裝置精餾系統均采用天津大學的節能型三塔雙效精餾工藝，系統操作彈性40%～130%，設計精甲醇產品質量符合美國聯邦標準“AA”級要求。

甲醇合成系統制得的粗甲醇經粗甲醇進料泵加壓，預熱后送至預塔，預塔塔頂設置2臺冷凝器，Ⅰ級冷凝器將塔內上升氣中的甲醇蒸氣大部分冷凝后送入預塔回流槽，并經預塔回流泵送入塔頂作為回流液，不凝氣及輕組分、部分未冷凝甲醇蒸氣則進入Ⅱ級冷凝器進一步冷凝，將其中大部分甲醇蒸氣冷凝后，進入甲醇萃取槽用脫鹽水萃取，萃取液溢流入甲醇油貯槽，甲醇和水則自流入回流罐。預塔塔釜粗甲醇經加壓塔進料泵加壓并與加壓塔塔釜出料換熱后進入加壓塔，加壓塔頂部甲醇蒸氣進入冷凝器與常壓塔釜液換熱，作為常壓塔熱源，甲醇蒸氣被冷凝后進入回流槽，一部分經加壓后送至塔頂作為回流液，其余作為精甲醇產品送往中間槽。加壓塔塔釜粗甲醇經加壓塔換熱器與加壓塔進料換熱后進入常壓塔，常壓塔頂部甲醇蒸氣經冷凝后進入回流槽，再經加壓后，一部分送往塔頂作為回流液，其余部分作為精甲醇產品送往中間槽，常壓塔塔釜粗甲醇經汽提塔進料泵加壓后進入汽提塔，或與汽提塔塔底廢水混合進入汽提塔廢水冷卻器。常壓塔中下部設有側線采出，出料經常壓塔側線采出泵加壓后送入汽提塔中部，汽提塔頂部蒸氣經冷卻，冷凝液流入汽提塔回流槽，槽內甲醇經加壓后，一部分送往汽提塔塔頂作為回流液，其余部分作為精甲醇產品送往中間槽；汽提塔汽提所需熱量由再沸器提供，其塔板段中上部設有側線采出，采出的異丁基油和乙醇經冷卻后進入甲醇油貯槽，塔釜廢水經冷卻后加壓送至廢水處理系統或氣化磨煤工段。

1.2 粗甲醇儲罐及630甲醇產品罐簡介

陜西渭化二期甲醇裝置粗甲醇儲罐(V2812A/B)單臺容積502 m3，三期甲醇裝置粗甲醇儲罐(V8212A/B)單臺容積739 m3，630產品罐區甲醇儲罐(V3001A/B，簡稱630產品罐)單臺容積10 000 m3。正常生產中，甲醇合成系統等制得的含水粗甲醇進入粗甲醇儲罐，粗甲醇經甲醇精餾系統精制后得到的精甲醇進入產品中間罐(V2807A/B)，再通過精甲醇泵(P2807A/B)送至630產品罐(V3001A/B)；V3001A作為渭化科技公司100 kt/a二甲醚裝置的原料儲罐，V3001B作為貿易甲醇儲罐接收低價購進的甲醇，最終均供渭化科技公司100 kt/a二甲醚裝置使用。

2 粗甲醇儲罐與630產品罐耦合連通方案

將二期甲醇裝置粗甲醇儲罐(V2812A/B)、三期甲醇裝置粗甲醇儲罐(V8212A/B)、630產品罐(V3001A/B)進行有效耦合連通，此舉可在特殊工況下協調粗甲醇儲罐區的存儲方式或存儲量，維持甲醇裝置粗甲醇儲罐前端甲醇合成系統負荷不變，甲醇合成系統產出的粗甲醇儲存在連通后的大甲醇儲罐系統；同時，當200 kt/a甲醇裝置長時間低負荷運行時，可以停運二期甲醇裝置后端甲醇精餾系統，將前端甲醇合成系統產出的粗甲醇產品儲存在連通后的大甲醇儲罐系統，通過提高陜西渭化三期甲醇裝置后端甲醇精餾系統負荷，將二期甲醇裝置產出的粗甲醇一并精餾，實現2套甲醇合成系統“并聯”運行，以降低生產消耗和系統能耗，進一步提高產品產量和質量，持續降低生產成本。陜西渭化甲醇儲存系統耦合連通技改如圖1(圖中虛線為耦合連通技改部分)。

圖1 甲醇儲存系統耦合連通技改示意圖

3 甲醇儲罐區有效耦合連通應用場景

3.1 甲醇儲罐區有效耦合連通適用場景描述

(1)2020年2月，受新冠疫情影響，甲醇滯銷庫存積壓，面臨脹罐壓力，倒逼系統降負荷運行，二期甲醇裝置負荷降至44%(蒸汽用量分別為預塔8.90 t/h、加壓塔23.30 t/h、汽提塔1.07 t/h)，三期甲醇裝置負荷降至50%(蒸汽用量分別為預塔9.90 t/h、加壓塔51.40 t/h、汽提塔1.95 t/h)，導致蒸汽浪費，系統產能利用率低。

(2)2020年6月，受國家“能耗雙控”政策影響，二期甲醇裝置停運。后綜合考慮一期合成氨/尿素裝置、三期甲醇裝置超負荷運行模式和3套裝置同時高負荷運行模式的生產成本，以及對未來甲醇市場的預期，決定恢復二期甲醇裝置運行。但由于二期空分裝置空壓機組透平大修后存在透平超速、振動超標的問題，無法正常運行，只能協調一期合成氨/尿素裝置、二期甲醇裝置、三期甲醇裝置負荷分別為100%、45%、90%模式運行。

(3)2021年5月，三期甲醇裝置進行為期7 d的搶修后，三期甲醇精餾系統常壓塔精甲醇產品水含量高達0.28%(合格指標為0.1%以下)，精甲醇儲罐(V8207A)產品水含量高達0.15%，精甲醇產品質量不合格，且預塔進料量96 m3/h，加壓塔采出量35 m3/h，常壓塔采出量40 m3/h，三期粗甲醇儲罐(V8212A/B)液位偏高；與此同時，二期甲醇精餾系統預塔進料量只有38 m3/h，二期粗甲醇儲罐(V2812A/B)液位僅為13%，粗甲醇儲存調節空間大。

(4)2021年8月，陜西渭化在“能耗雙控”方面持續發力，制定了煤耗總量控制方案，確立了2021年用煤總量小于2 098.5 kt的控制目標，但截至2021年6月底，陜西渭化本部的煤耗總量就達1 218 kt，面對異常嚴峻的節煤形勢，生產部門研究制定了“3臺燃煤鍋爐(正常生產4臺鍋爐+3套裝置高負荷運行，1臺鍋爐備用，鍋爐四開一備)+3套裝置”低負荷運行模式，即一期合成氨/尿素裝置負荷100%、二期甲醇裝置負荷45%、三期甲醇裝置負荷90%。

3.2 二期/三期甲醇精餾系統能耗情況

3.2.1 二期甲醇裝置低負荷(45%)工況

2020年6月20日二期甲醇裝置45%負荷下，甲醇精餾系統消耗如下：蒸汽用量27.4 t/h，分別為預塔7.8 t/h、加壓塔18.6 t/h、汽提塔1.0 t/h；運行泵功率(電耗)176 kW，分別為加壓塔進料泵45 kW、預塔回流泵22 kW、加壓塔回流泵18.5 kW、常壓塔廢水泵4 kW、汽提塔廢水泵11 kW、精甲醇泵30 kW、常壓塔回流泵22 kW、汽提塔回流泵5.5 kW、預塔進料泵15 kW、甲醇油輸送泵3 kW。

2021年8月26日二期甲醇裝置45%負荷下，甲醇精餾系統消耗如下：蒸汽用量34.4 t/h，分別為預塔11.3 t/h、加壓塔21.9 t/h、汽提塔1.2 t/h；運行泵功率(電耗)176 kW，分別為加壓塔進料泵45 kW、預塔回流泵22 kW、加壓塔回流泵18.5 kW、常壓塔廢水泵4 kW、汽提塔廢水泵11 kW、精甲醇泵30 kW、常壓塔回流泵22 kW、汽提塔回流泵5.5 kW、預塔進料泵15 kW、甲醇油輸送泵3 kW。

總之，二期甲醇裝置45%負荷運行，甲醇精餾系統蒸汽消耗在27～35 t/h，運行泵功率(電耗)176 kW。

3.2.2 三期甲醇裝置90%負荷與116%負荷工況

2021年8月26日三期甲醇裝置90%負荷下，甲醇精餾系統消耗如下：蒸汽用量71.5 t/h，分別為預塔13.0 t/h(進料量78.81 m3/h)、加壓塔56.7 t/h、汽提塔1.8 t/h；運行泵功率(電耗)321.2 kW，分別為加壓塔進料泵90 kW、預塔回流泵26 kW、加壓塔回流泵55 kW、汽提塔進料泵11 kW、汽提塔廢水泵15 kW、精甲醇泵22 kW、常壓塔回流泵37 kW、汽提塔回流泵7.5 kW、常壓塔側線采出泵2.2 kW、廢液泵18.5 kW、粗甲醇進料泵26 kW、甲醇油輸送泵11 kW。

2020年6月14日三期甲醇裝置116%負荷下，甲醇精餾系統消耗如下：蒸汽用量70.089 t/h，分別為預塔11.429 t/h(進料量101.00 m3/h)、加壓塔56.878 t/h、汽提塔1.782 t/h；運行泵功率(電耗)321.2 kW，分別為加壓塔進料泵90 kW、預塔回流泵26 kW、加壓塔回流泵55 kW、汽提塔進料泵11 kW、汽提塔廢水泵15 kW、精甲醇泵22 kW、常壓塔回流泵37 kW、汽提塔回流泵7.5 kW、常壓塔側線采出泵2.2 kW、廢液泵18.5 kW、粗甲醇進料泵26 kW、甲醇油輸送泵11 kW。

總之，三期甲醇精餾系統負荷在90%～116%之間，蒸汽消耗量變化不大，通過停運低負荷(45%)二期甲醇精餾系統、三期甲醇精餾系統加負荷(負荷由90%提升至116%)運行，不僅可實現甲醇產量不減，而且可節約蒸汽、藥劑、脫鹽水、電、循環水用量，實現生產系統的經濟運行。

3.3 近年二期甲醇裝置低負荷(45%)工況統計

2018年1月1日，2#鍋爐因引風機連軸節螺栓斷計劃停爐，二期空分裝置、一期合成氨/尿素裝置配套發電機停運，二期甲醇裝置低負荷運行持續至1月12日；2018年2月1日，2#氣化爐壓差高跳車，二期甲醇裝置低負荷運行持續至2月9日；2018年8月8日，4#鍋爐省煤器泄漏，二期空分裝置停運，二期甲醇裝置低負荷運行持續至8月22日；2018年9月1日，二期甲醇裝置產品甲醇中乙醇含量高達680×10-6，產品甲醇返粗甲醇儲罐重新精餾，二期甲醇裝置低負荷運行1 d；2018年10月8日，5#鍋爐跳車，手動停二期空分裝置空壓機、發電機，二期甲醇裝置低負荷運行持續至10月25日；2019年2月8日，4#鍋爐空預器漏致跳車，二期甲醇裝置低負荷運行持續至2月13日；2019年2月25日，3#鍋爐省煤器漏，停二期空分裝置、發電機，二期甲醇裝置低負荷運行持續至3月10日；2019年7月5日，因電氣系統UPS故障，一期合成氨/尿素裝置配套空壓機及后續系統停車、尿素裝置停車，二期甲醇裝置低負荷運行持續至8月大修；2019年10月3日，二期空壓機停運，二期甲醇裝置低負荷運行持續至10月16日；2019年12月30日，2#鍋爐水冷壁泄漏擴大，二期空壓機計劃停車，二期甲醇裝置低負荷運行持續至2020年1月1日；2020年1月20日二期甲醇裝置精甲醇產品水含量不合格，系統減負荷至45%運行1 d；2020年1月31日，二期空壓機檢修，二期甲醇裝置低負荷運行持續至2月26日；2020年6月13日，二期甲醇裝置大修后重啟，低負荷運行持續至7月4日；2020年7月31日，二期空壓機計劃停車，二期甲醇裝置低負荷運行持續至8月13日；2020年12月1日，二期空壓機手動停車，二期甲醇裝置低負荷運行至12月2日；2021年8月9日，據陜西渭化煤耗情況，啟動“3臺鍋爐+3套裝置”運行模式，二期空壓機、發電機停運，二期甲醇裝置低負荷運行持續至2021年9月11日。綜合統計近年二期甲醇裝置低負荷運行天數，平均每年二期甲醇裝置低負荷運行43.75 d。

4 甲醇儲罐有效耦合連通后能耗與效益分析

4.1 能耗分析

二期甲醇精餾系統生產消耗見表1(注：“消耗定額”指滿負荷工況下生產噸甲醇消耗公用工程介質設計值，“消耗量”指滿負荷工況下公用工程介質每小時消耗量，數據均源自陜西渭化二期200 kt/a甲醇裝置基礎設計包)。在“3臺鍋爐+3套裝置”運行模式下，依托3套裝置甲醇儲罐的有效耦合連通，若二期甲醇精餾系統停運，可以節約二期甲醇裝置前端副產的S3蒸汽(1.0 MPa、200 ℃)34.4 t/h，二期S2蒸汽(4.0 MPa、400 ℃)至S3蒸汽減壓站減壓閥(PV8305)開度30%，1#發電機小時發電量18 000×104kW，富余的S3蒸汽可以通過減壓站調節至S2蒸汽管網發電，預計小時可發電6 880 kW；同時，供水車間一期余熱發電機小時發電量為4 000 kW，富余的S3蒸汽可以通過減壓站調節至S4蒸汽(0.34 MPa、150 ℃)管網發電，預計小時可發電4 000 kW。

表1 二期甲醇精餾系統生產消耗

4.2 效益分析

據統計，二期甲醇裝置每年平均低負荷(45%)運行約43.75 d，3套裝置甲醇儲罐實現有效耦合連通后，二期甲醇精餾系統可直接停運，通過提高三期甲醇裝置后端甲醇精餾系統的負荷，將二期甲醇裝置產出的粗甲醇一并精餾，實現2套甲醇合成系統“并聯”運行。以二期甲醇精餾系統甲醇產量297 t/d計，其直接經濟效益計算如下。

(1)節約S3蒸汽用量34.4 t/h，按照陜西渭化冬季采用S3蒸汽為渭南高新區供暖的現階段市場價格120元/t計，年節汽效益為34.4×24×43.75×120÷10000=433.4萬元。

(2)生產噸甲醇消耗脫鹽水0.34 t，脫鹽水價格以5元/t計，年節約脫鹽水量成本297×0.34×43.75×5÷10000=2.2萬元。

(3)生產噸甲醇電耗7.24 kW·h，電價以0.5元/(kW·h)計，年節約用電成本297×7.24×43.75×0.5÷10000=4.7萬元。

(4)節約的S3蒸汽可轉化為S4飽和蒸汽發電，以10 t/h飽和蒸汽小時發電1 000 kW計，年節約用電成本34.4÷10×1000×24×43.75×0.5÷10000=180.6萬元。

總之，二期甲醇裝置低負荷運行時，依托3套裝置甲醇儲罐的有效耦合連通，停運二期甲醇精餾系統、三期甲醇精餾系統加負荷運行，在實現甲醇產品產量不變的前提下，年可節約運行成本數百萬元。

5 甲醇儲罐耦合連通后的整體效能與效益

(1)在二期甲醇裝置負荷過高的情況下，可以輸送一部分二期粗甲醇至三期甲醇精餾系統精餾，維持精甲醇產品中乙醇含量在50×10-6以內，確保精甲醇優等品率100%；同時，3套裝置甲醇儲罐系統連通后多了一種選擇，三期甲醇儲罐甲醇可以送往630產品罐/191甲醇產品罐區儲存，也可以送往二期甲醇儲罐儲存；目前，三期甲醇精餾系統高效節能改造正在實施中，改造完成后，其性能將會得到顯著提升，會進一步拓寬二期、三期甲醇裝置粗甲醇儲罐連通后系統負荷提升的空間。

(2)“4臺鍋爐+3套裝置”運行模式轉變為“3臺鍋爐+3套裝置”運行模式時，可以停運二期甲醇精餾系統，減少設備損耗與電力、循環水、脫鹽水、蒸汽、藥劑、冷凝液、低壓氮氣消耗，降低系統整體能耗的同時保持優級品甲醇、尿素總產量不變，并且可利用節約的蒸汽增加發電量，進一步提高裝置運行的經濟性。

(3)三期甲醇裝置在甲醇合成催化劑使用末期經常性地出現水冷器(E8102)結蠟現象，導致水冷器后工藝氣溫度高達56 ℃，嚴重影響甲醇的分離效果和甲醇合成催化劑的使用壽命、合成氣壓縮機的運行負荷。甲醇存儲系統有效耦合連通后，此種情況下可在三期甲醇裝置前端甲醇合成系統開車運行后，僅通過三期甲醇精餾系統加負荷繼續保持系統的運行狀態，持續產出甲醇，從而有效避免系統停運及減少甲醇精餾系統開停車過程中的蒸汽損耗。

(4)“3臺鍋爐+3套裝置”低負荷運行模式下，二期甲醇精餾系統停運，可在很大程度上減少廢水排放、減少甲醇油的產出，助力環保工作；且產能更大的三期甲醇精餾系統工況更穩定、操控更平穩、精餾效果更好，精甲醇產品品質顯著提高，利于產品品牌建設，可提升產品競爭力，促進企業的可持續發展與利潤增長。

(5)目前渭化科技公司100 kt/a二甲醚裝置正在試用二期甲醇精餾系統前端的粗甲醇作為原料，改變一直以來以精甲醇產品作為二甲醚生產原料的生產方式，試驗完成后，依托2套甲醇裝置粗甲醇儲罐與630產品罐的有效耦合連通，二期甲醇精餾系統可以考慮長期停運，由此僅節約S3蒸汽這一項年就可節約生產成本2 000萬元以上，經濟效益相當可觀。

6 結束語

依托歷史生產數據，陜西渭化在充分分析與探討3套裝置甲醇儲存系統耦合連通運行必要性的基礎上，于2023年5月大修期間實施了甲醇儲存系統的耦合連通技改，技改后的運行實踐表明，此舉為陜西渭化生產經營開辟了多種運行模式，降低了系統總體生產成本；今后通過不斷地研究與創新，有望進一步提高精甲醇產品品質、降低系統能耗，并推動甲醇儲存系統耦合連通后更多應用場景的開發(比如目前正在探索的渭化科技公司100 kt/a二甲醚裝置試用粗甲醇作為原料的生產方式)，為其他相關介質的連通應用提供參考與借鑒，為企業帶來更好的經濟效益和環境效益。