天然气低压合成甲醇工艺流程设计

摘 要： 解决石油替代的出路是发展甲醇汽油替代产业。国内已不断推出了新技术和不同规模的甲醇装置设计，为我国从事甲醇技术开发和设计奠定了坚实的基础。本文设计采用天然气一段蒸汽转化制取合成气，废热锅炉回收热量并产生中压蒸汽，5.0Mpa低压合成甲醇，二塔或三塔精馏的工艺流程。精馏产生的含醇污水采用过热蒸汽汽提技术进行处理。蒸汽作为工艺蒸汽回到系统中，处理后的污水醇含量可达到2PPm以下，可送回水装置作为原水回收利用，实现了不含醇污水排放的新工艺。

关键词： 天然气； 低压合成甲醇法； 工艺流程

中图分类号： TE6 文献标识码： A 文章编号：1009-8631（2010）06-0173-02

一、甲醇汽油的推广是我国燃料市场发展的必然趋势

解决石油替代的出路是发展甲醇汽油替代产业。与乙醇汽油相比，甲醇汽油的生产成本具有绝对优势。甲醇生产成本在每吨2100元左右，而每吨乙醇的生产成本在4500元左右。从原料来源来看，甲醇来源于我国最广泛的化工资源，如煤炭、天然气、焦化气、油田气、生物质、合成氨等生产过程中都可以用最低的成本生产甲醇。同时，作为环保型的燃料，甲醇汽油的推广有利于降低我国日益严峻的环境恶化状态。一般燃料在燃烧的过程中通常分为自供氧燃烧和外供氧燃烧的双重燃烧状态。普通汽油的燃烧只能依赖于外供氧燃烧，而甲醇的自含氧量高达近50%，将它添加到汽油中将变成了一种高含氧燃料，使燃料燃烧更加充分、更加彻底，从而大大降低了一氧化碳的排放量，避免汽车尾气中有害物质的排放。经研究部门统计，如果汽油中添加40%的甲醇（M40），则可使汽车尾气中一氧化碳的排放下降80%、碳氢化合物下降40%ppm、氮氧化合物下降30%ppm。这将极大地降低我国城市中的大气污染，改善城市居住环境。

二、天然气低压合成甲醇工艺原理

CH4+H2O CO+CO2+H2CH4+H2+O2 CO+CO2+H2

CO+CO2+H2CH3OH+H2O

三、天然气低压合成甲醇工艺流程

1.天然气脱硫。来自气田的天然气经粗脱硫后由一压力阀控制压力，天然气进入天然气总管，再由另一段管线引出进入本装置。天然气分两路，一路送往对流段作为工艺原料气，另一路作为燃料气送往燃料系统。

原料天然气送往箱式炉对流段，经4组和6组加热至350～400℃进入铁锰脱硫罐和ZnO脱硫罐脱硫。原料天然气自上而下通过脱硫剂床层，从脱硫罐底部出来，天然气中的的硫化物被铁锰脱硫剂和ZnO脱硫剂转化吸收，硫含量降至0.14mg/m3以下，使符合转化炉进气要求。

设有两个铁锰脱硫罐，内装铁锰脱硫剂，根据生产需要并联或串联，也可以单独使用。设有ZnO脱硫罐一个，串在铁锰脱硫罐后面，起到精脱硫把关的作用。每个脱硫罐进口和出口都设有压力指示，上部床层和下部床层设有温度指示，出口设有取样、现场导淋和去火炬放空。脱硫罐总进出口设有一DN100的主线和两个副线阀，开停车需要甩出脱硫罐时用。两副线阀中间设有一DN20的小排放阀，正常运行中将其打开，监视副线阀的内漏情况。在脱硫罐进口设有一引自2.5MPa的中压蒸汽管线，在铁锰脱硫剂还原时床层温度“飞升”时可以用其来降温。进口还设有一条N2置换管线。在脱硫出口工艺天然气总管上设有去火炬放空管线。

2. 一段转化。脱硫后的天然气分为两路与汽提塔来的蒸汽混合，混合比例按H2O/∑C=3.5控制,分别进入箱式炉对流段二组A和B，预热至510℃。出二组A的混合气进入箱式炉B201进行天然气蒸汽一段转化，出二组B的混合气再分两路对称进入换热炉进行天然气蒸汽一段转化。

箱式炉内设有转化管,转化管共分四排，每排若干根。工艺气由上集气总管通过上猪尾管分别进入转化管,至上而下通过触媒层从下猪尾管出来汇集到下集气总管分两路进入二段炉。转化反应所需热量由炉顶烧嘴燃烧的燃料提供。

换热炉带套管及膨胀节的转化管，对称分布在二段炉侧，工艺气由上集气管通过N1猪尾管分别进入换热管管程，至上而下通过触媒层从N2猪尾管出来汇集到集气总管，与箱式炉来的工艺气会合后进入二段炉。换热炉转化所需热量由管程外的高温二段气提供：从二段炉来的高温气体通过N3猪尾管分别进入换热管壳程，至下而上通过换热管壳程并与管程内的换热，在换热炉上部通过N4猪尾管汇集在集气总管出去。

3. 二段转化。二段转化所用工艺氧气来自空分装置，工艺氧气的流量由调节阀调节，与工天负荷串调并设有天然气－氧气比值低报警，防止氧气误增致使二段炉超温或烧坏。设有遥控阀，紧急情况下可以通过遥控阀来迅速切断送往二段炉的氧气。调节阀设有小旁路，在二段炉开车时使用。

工艺氧气与一定量的中压蒸汽汇合，一起进入箱式炉对流段3组B并预热到350℃，然后进入二段炉。工艺气体从二段炉上部侧面沿切线方向进入，向下通过分布器进入燃烧区，预热后的氧气－蒸汽从分布器喷出，与工艺气混合燃烧，燃烧反应大部分在燃烧室进行，气体离开燃烧区后就通过触媒床层进行二段转化反应。

从二段炉出来的气体经过带水夹套的转化气输气管和转化三通，为换热炉提供反应所需热量后进入废锅管程，锅炉的壳程是来自汽包的锅炉水。

4. 燃料气系统。天然气送入界区后一部分作为工艺天然气，一部分通过减压阀减压至0.35Mpa后作为燃料气。燃料气分两路一路去对流段辅烧、另一路去箱式炉炉顶烧咀。烧咀燃烧采用强制鼓风形式，由燃空鼓风机送来约1000m3/h的空气，经对流段预热至100℃，送入箱式炉的风道，再由风道分配到每个烧嘴。用配风调节每个烧嘴的进风量大小，保证燃烧充分且烟气中氧含量≤1%。

5. 压缩工艺。本工序采用往复式压缩机对工艺气体进行压缩。其基本原理为通过曲柄，连杆机构将曲轴的旋转运动变为活塞的往复运动，气缸和活塞共同组成实现气体压缩的工作腔，活塞在气缸内作往复运动，周期性改变气缸的容积，使从转化工段来的气体在气缸内完成膨胀、吸入、压缩、排出过程，达到压缩气体的目的。往复循环以完成工艺气体的压缩和输送。

6. 合成工序。本套装置为单塔设计一个合成塔、一个入塔气预热器，一个甲醇分离器，用一个闪蒸槽，一个汽包。

来自压缩工序温度≤40℃的合成气，进入混合气罐后再进入塔气预热器壳程与管程出塔气换热后升温至≥195℃后进入合成塔并在铜基触媒的作用下，发生合成甲醇反应，当气体温度超过管内炉水温度后，反应热被管内强制循环的炉水带走，以副产2.0-4.0Mpa蒸汽；侧部气体与上部反应后气体经冷热充分混合后，进入管壳式下部反应器（共有反应管3000根，内装触媒）炉水带走以经壳程炉水加热并在管内铜基触媒的作用下，发生合成甲醇反应，当气体温度超过管外温度后，反应热被管壳间副产2.0-4.0Mpa蒸汽。

出塔气从合成塔底部出来经入塔气换热后被降温至≤90℃，其中部分甲醇被冷凝成雾状。气体混合物进入甲醇分离器分离。被冷却的甲醇到粗甲醇一冷器再到闪蒸槽，气体从顶部出来进入甲醇水冷器经冷却后到甲醇分离器。

甲醇水冷器出来的气液混合物进入甲醇分离器中进行分离，由分离器顶部丝网除沫后的气体，大部分作为循环气经放火炬控制压力在4.6-4.9Mpa后，返回到压缩工序循环压缩机入口，从而构成了整个合成回路；另一部分气体作为驰放气放出，以防止惰性气体在合成系统的累积。从甲醇分离器底部出来的液体粗甲醇经控制液位后减压进入闪蒸槽，压力降至0.4Mpa以下，除去粗甲醇中溶解的大部分气体。闪蒸气经控制压力既可去转化厢式炉作燃料气，也可放火炬。闪蒸槽液相粗甲醇经控制液位后去精馏工序。

来自转化岗位锅炉给水预热器的炉水，经控制液位后连续补给合成汽包．合成汽包炉水经下降管进入下部分管壳式合成塔下部管间换热，产生2.0-4.0Mpa的中压蒸汽。汽水混合物从下部分合成塔管间上部管口排出，经上升管返回合成汽包，在汽包内除沫后经减压阀，减压去外管。

7. 粗甲醇的预精馏。由合成系统来的粗甲醇进入粗甲醇预热器预热，然后送至预精馏塔。粗甲醇由预塔中上部入塔，由预精馏塔去除轻组分后，经预后甲醇泵打至主精馏塔。预精馏塔的热源由低压总管来的低压蒸汽在塔底再沸器壳程中冷凝冷却提供。预后甲醇经主塔去除重组分水及其他杂质后，最后主精馏塔顶得到醇含量很高的工业甲醇。主精馏塔所需热量由来自低压蒸汽总管蒸汽经再沸器壳程中冷凝冷却提供。