MTO装置在低负荷运行情况下的再生系统优化

ajumucuvuak

摘 要：某单位煤制烯烃项目2011年1月进入商业化运行，是世界首套工业化MTO装置，目前MTO装置能在相对较高的负荷下长期、稳定、安全的运行。但在装置进行低负荷（为设计负荷的60-70%）运行期间，出现了再生器密相温度低，稀相及后路系统容易超温的现象，以及再生器一、二级旋风分离器的线速易处于临界线速。为了防止在低负荷下再生器密相温度过低、稀相及后路超温和催化剂的跑损，对再生器进行优化改造。
关键词：MTO装置;优化改造;超温;负荷
1 MTO装置发展及概述
甲醇制烯烃技术对中国有十分重大的意义，我国石油的消费很大，国内的石油资源不足，严重影响着国家能源的发展，并威胁着国家的能源安全。单靠进口原油无法满足我国对烯烃的供给。但我国煤炭资源比较丰富，通过不断的研究和努力，从而实现的甲醇制烯烃的技术。这不但减少对石油的依赖，而且对国家的经济发展有很大的促进意义。
某单位的MTO装置是采用中国科学院大连化学物理研究所、陕西新兴煤化工科技有限公司和中国石化集团洛阳石油化工工程公司共同开发的工艺技术，在陕西华县万吨的试验装置进行的放大，最终建成世界首套的大型煤化工装置，并在2010年8月8日一次性开车成功。MTO设计的处理量为180万t/a原料甲醇，生成60万t/a烯烃和副产大量的水。MTO装置有反再系统、水系统、热工系统等三大部分组成。反再系统主要包括反应器、再生器、外取热器、甲醇进料预热系统和主风机组成。甲醇以气相的形式进入流化床反应器，在催化剂的作用下转化成富含烯烃的产品气，产品气被送到下游装置进行分离处理，失去活性的催化剂送至再生器，在主风的接触下进行再生（不完全再生），恢复活性的催化剂又进入反应器，一直循环流化。水系统由急冷塔、水洗塔、沉降罐、污水汽提塔和一些冷换设备组成。急冷塔的主要作用是对产品气进行脱过热和洗涤大量的催化剂。水洗塔是将产品气冷却降温至40℃左右。污水汽提塔的作用是将急冷、水洗水中的少量甲醇、二甲醚等有机物进行回收。热工系统是由CO焚烧炉和余锅组成。主要作用是焚烧烟气中的CO并产生中压过热蒸汽，中压过热蒸汽达到420℃左右后并网。
2 正常运行情况
2.1 目前运行情况
某单位MTO装置目前进料处于高负荷运行。再生器烧焦的密相温度约660-670℃左右，稀相温度约645-655℃左右。再生器的压力控制在0.115MPa左右。再生器的主风量分为常规烧焦和富氧掺和烧焦。在常规烧焦时使用的主风量约30000Nm3/h-31000Nm3/h，再生器线速达19-21m/s;在富氧再生投用时主风量使用約为26000Nm3/h-27000Nm3/h，再生线速可达18-20m/s。
2.2 低负荷运行阶
在某段时间MTO装置处于低负荷运行阶段，为设计负荷的60-70%，由于装置的负荷较低，易造成催化剂的烧焦平衡破坏。由于负荷较低，再生器压力控制在0.100MPa左右，再生主风使用量约为22600-26000Nm3/h，此时再生器线速仅为13-15m/s。为了维持再生器的线速处于临界线速以外，主风管线外补氮气量提至约为1000-1550Nm3/h。在此操作条件下再生器密相温度可达616-645℃，稀相温度可达688-721℃。在这期间，稀相会超温，发生尾燃现象。
2.3 在低负荷运行过程中的工艺调整
在现有的条件下对再生器进行调整，由于催化剂的烧焦平衡被破坏，通过调整外取热的取热负荷实现调节再生器的热量平衡。适当的降低降低再生器的压力，来保证再生器旋风分离器的线速在工作范围。由于再生器频繁发生尾燃，增加主风外补氮气量降低稀相尾燃的频次。为了控制再生温度和线速，根据烧焦情况进行主风量的调整等操作。
2.4 工艺调整后的结果
2.4.1 调整再生取热负荷
对再生取热的调整，正常工况下，内取热器5组肋片和12组光管都产生中压饱和蒸汽，外取热器不运行;最小工况下，5组肋片管产生中压饱和蒸汽，12组光管用1.1MPa的低压蒸汽保护，外取热器不运行;最大工况下，内、外取热器同时运行，均产生中压饱和蒸汽。负荷为60-70%时再生器的外取热已经全部停用，由于此期间取热在最小和正常之间时，内取的负荷是不能调整的，只能通过切换内取热的光管用于产生中压饱和蒸汽取热管的个数来实现了，这种操作是不连续的。从高负荷将至低负荷连续操作期间，要将再生内取热改为1.1MPa蒸汽保护，由于再生器的目前温度处于630℃左右，切换过程中温差太大难以实现，可能导致爆管现象，再生内取热切换是不连续操作。因此，通过调整再生内取取热管投用1.1 MPa蒸汽保护的个数来控制再生温度是不可能实现的。
2.4.2 降低再生器压力
降低再生器压力再生器线速会长，再生器压力不可能大幅度降低，在低负荷下降低再生器压力，再生器在密相的烧焦效果会降低，烧焦会转移到稀相，导致再生器的稀相温度上长，稀相尾燃的频率增加，无法维持低负荷运行。
2.4.3 增加主风外补氮气量
增加主风外补氮气量，再生器线速增大，线速超过临界线速，催化剂跑损减少，但再生器的密相温度继续降低，稀相温度继续升高造成稀相尾燃。影响再生器本身和后路设备的使用寿命。
2.4.4 调整主风量
提高主风量，短时间会使再生器密相温度升高稀相温度降低，再生器的线速也超过临近线速，长（下转第181页）（上接第178页）时间会使催化剂的烧焦平衡被破坏，烧光再生剂的定碳，发生尾燃，碳池反应无法进行，不能维持生产。
2.5 工艺调整后的总结
由于MTO再生器中的催化剂采用了不完全再生，烟气中CO的含有量约为14%。如果在再生过程中密相中没有消耗掉主风中的氧，造成烟气中有过剩的氧和CO进一步发生反应，最终会发生稀相尾燃。当再生密相温度低于610℃（以往的操作经验），再生烧焦效果会降低，会导致密相的烧焦强度不足，此时即使主风量少于燃烧需要的风量，稀相也会有过剩的氧，导致稀相尾燃。在原始设计中当稀相发生尾燃时，要在主风中补入氮气而起到降温防止尾燃的作用，而实际上补入氮气会使再生器密相温度降低，密相的氧浓度也会降低，烧焦强度降低，稀相中过剩氧气增加，进而造成稀相尾燃和密相碳堆同时发生。
2.6 低负荷下特殊操作
低负荷期间运行期间，由于再生器的线速基本处于临界线速之内，因此催化剂的跑速会比正常操作时增加，两器的藏量减少，补充催化剂的周期会缩短。长时间处于低负荷运行阶段，为了维持两器藏量，对再生器进行补充催化剂是必然的。在低负荷运行时再生器温度比正常操作偏低，补充催化剂期间常温的催化剂进入再生器，再生器的密相温度会继续降低，再生器的稀相温度会持续上长，往再生器补充催化剂的操作会增加难度。在停工期间，由于密相的温度降低，会导致密相烧焦强度降低，CO在稀相燃烧。因此，可以对再生器进行优化改造以确保在低负荷下再生器也能平稳运行。
3 再生系统优化改造
为了装置能够在低负荷运行期间防止再生器密相温度低，稀相及后路系统容易超温，再生器一二级旋风的线速容易处于临界线速之内。对再生器进行优化改造，在再生器的稀相和再生器外集气室出口各增加外补氮气线。在稀相和再生器外集气室出口各增加氮气流程，可以消除在低负荷运行阶段再生器密相温度低和稀相以及后路超温，并且减少催化剂的跑损。在稀相和顶部各再生器外集气室出口氮气流程，第一，可以保证再生器的线速。第二，可以控制再生器稀相温度，防止尾燃，使大量的CO到后路的CO焚烧炉中正常燃烧。第三，可以控制再生器外集气室以后的温度，防止后路管线和设备超温。
4 结束语
通过再生器进行改造可以使装置在低负荷、低负荷下的特殊操作、事故状态、开停工良好的运行，保护设备长久运行，减少催化剂的跑损，同时也响应国家环保政策对企业环境管理所能取得的效益都有积极推动作用。工艺优化改造应始终贯穿于化工生产过程，通过创新提高能源、资源的利用率，以最少的投入，获得最大的经济效益，又满足安全环保的要求，使企业更好的为国家服务。
参考文献：
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[2]刘中民.甲醇制烯烃[M].北京：科学出版社，2015.
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