我國煤制乙二醇核心裝備技改后突破瓶頸

從陽煤集團深州化工有限公司獲悉：該公司采用南京聚拓化工科技有限公司開發(fā)的、擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的新型徑向束管式水床大型加氫反應(yīng)器，對一期20萬噸/年乙二醇裝置加氫B系統(tǒng)實施技術(shù)改造，已于今年8月1日成功投入運行，至8月7日裝置實現(xiàn)滿負荷運行，各項指標滿足工藝設(shè)計要求。截止到10月23日，該裝置已經(jīng)連續(xù)穩(wěn)定試運行兩個多月。
　　經(jīng)工業(yè)化運行考核，目前以一個徑向床加氫反應(yīng)器替代原來的2臺管殼式反應(yīng)器，單塔達到設(shè)計的10萬噸草酸二甲酯(DMO)加氫制乙二醇的生產(chǎn)能力，產(chǎn)品全部達到優(yōu)級品。塔阻力≤22KPa，還不到原來管殼式反應(yīng)器的二分之一。溫度分布≤3℃。待裝置各方面條件優(yōu)化后，即可能達到年產(chǎn)乙二醇20萬噸的運行能力。
實施技改 突破瓶頸
　　陽煤深州化工有限公司董事長柳小豐告訴記者，近年來，我國乙二醇產(chǎn)業(yè)也如同合成氨、甲醇等一樣，同期進入了裝置大型化的建設(shè)階段。目前，國內(nèi)煤制乙二醇單套系統(tǒng)產(chǎn)量已經(jīng)達到了30萬噸/年。國外的著名公司如ICI公司旗下的莊信萬豐的Davy公司、Casale公司、Topsoe公司等公司均在搶灘中國市場，幾乎全部的大型煤制甲醇、乙二醇成套技術(shù)均為國外跨國公司所占據(jù)。
　　中國石化集團公司經(jīng)濟技術(shù)研究院副總工程師、教授級高工安福告訴記者，2017年底，全球有效乙二醇產(chǎn)能為3168萬噸/年;產(chǎn)量為2682萬噸/年，消費量為2705萬噸/年，仍保持較快增長。到2020年，預(yù)計產(chǎn)能將達到4051萬噸，需求約為3027萬噸;到2025年，全球產(chǎn)能預(yù)計達到4843萬噸，需求將達3543萬噸左右。
　　安福說，2017年，我國乙二醇產(chǎn)能達到881萬噸/年，產(chǎn)量613萬噸，進口量875萬噸。煤制乙二醇產(chǎn)能已占國內(nèi)產(chǎn)能37%。預(yù)計2020年前，國內(nèi)乙二醇新增產(chǎn)能約800萬噸/年，其中一半以上為煤制乙二醇。到2020年產(chǎn)能將達到1100萬噸/年左右，表觀消費量1520萬噸。
　　預(yù)計2025年，國內(nèi)乙二醇產(chǎn)能將達1400萬噸/年，表觀消費量1750萬噸。受國際原油價格上漲因素刺激，我國煤制乙二醇進入新一輪建設(shè)高潮，且裝置大型化趨勢明顯。
　　上海化工研究院有限公司高級工程師、全國新型煤氣化技術(shù)發(fā)展委員會秘書長鄭偉中說，目前，我國煤制乙二醇的核心技術(shù)研發(fā)，在工藝設(shè)計、反應(yīng)器及催化劑等方面都實現(xiàn)了國產(chǎn)化，不存在“卡脖子”問題。但在加氫工段單反應(yīng)器產(chǎn)能大型化方面，仍受反應(yīng)器結(jié)構(gòu)、直徑、設(shè)備運輸、反應(yīng)器阻力等因素的交互影響，限制了催化劑的裝填量，國外現(xiàn)有傳統(tǒng)的管殼式反應(yīng)器單塔產(chǎn)能僅達到5萬噸/年。
　　另一方面，國內(nèi)目前建設(shè)的大甲醇裝置(主要是80萬t/a以上規(guī)模)都是引進國外技術(shù)，催化劑也是打包銷售，大型煤基甲醇裝置匹配的合成氣凈化技術(shù)幾乎被國外所壟斷。煤制乙二醇雖然國內(nèi)成套技術(shù)供應(yīng)商與國外成套技術(shù)供應(yīng)商形成分庭抗爭之勢，但40萬t/a項目國外占比較大且工藝包、核心設(shè)備、催化劑也是打包銷售。國內(nèi)外技術(shù)供應(yīng)商也都意識到要提高競爭力，必須實現(xiàn)和突破反應(yīng)器等核心設(shè)備的大型化。如今，僅有南京聚拓科技公司在煤制乙二醇、甲醇反應(yīng)器大型化研發(fā)、制造與工業(yè)化應(yīng)用方面取得了業(yè)績。
　　柳小豐說，公司一期20萬噸/年乙二醇裝置的加氫B系統(tǒng)DMO加氫工段原為A/B兩個系列，每個系列各有2臺反應(yīng)器，總計A、B、C、D四臺管殼式加氫反應(yīng)器。因管殼式反應(yīng)器采取軸向流，阻力較大，單塔前期正常生產(chǎn)阻力為45～55KPa，催化劑使用末期阻力最大曾達到100kPa，造成系統(tǒng)阻力超過設(shè)計，影響了裝置的安全長周期滿負荷運行。
　　本次技改是在原來工藝不變的條件下，采用南京聚拓研發(fā)的新型徑向束管式水床加氫反應(yīng)器，只對B系統(tǒng)兩臺管殼式反應(yīng)器進行置換，并對部分管線適配調(diào)整，改造后的徑向反應(yīng)器利用原反應(yīng)器的氣泡，反應(yīng)器飽和水自然循環(huán)。
　　柳小豐說，此技改項目的成功投運，標志著長期困擾我國煤制乙二醇單反應(yīng)器大型化的“腸梗阻”被徹底打通，從而為煤制乙二醇、甲醇等煤化工實現(xiàn)單系列、單反應(yīng)器的大型化和裝置的大型化奠定了基礎(chǔ)。
找準痛點 戮力攻關(guān)
　　南京聚拓化工科技有限公司總經(jīng)理王雪林告訴記者，近年來，我國煤制甲醇合成技術(shù)取得較大進展。國內(nèi)自主開發(fā)的甲醇合成反應(yīng)器主要有華東理工大學(xué)的“管殼外冷-絕熱復(fù)合式反應(yīng)器”、杭州林達公司的“氣固相催化反應(yīng)器”、南京國昌公司的“水冷板式反應(yīng)器”和南京聚拓的“束管式水床甲醇反應(yīng)器”，這些反應(yīng)器由于結(jié)構(gòu)或換熱的原因，單系列單反應(yīng)器建設(shè)規(guī)模均小于60萬t/a。
　　中石化在甲醇合成工藝和技術(shù)方面也取得很大進步。中石化寧波工程有限公司具有大、中型甲醇裝置設(shè)計成功業(yè)績，完成了格爾木、玉門等中型甲醇裝置的設(shè)計，以及川維77萬噸/年乙炔尾氣制甲醇、重慶卡貝樂85萬噸/年天然氣制甲醇等大型裝置的設(shè)計。
　　煤制甲醇/乙二醇裝置的大型化對配套的催化劑也提出更高要求。寧波工程公司與南化院、南京聚拓合作開展過反應(yīng)器的設(shè)計研究。在此基礎(chǔ)上，三方琮合作開展“大型徑向水冷型甲醇合成反應(yīng)器技術(shù)開發(fā)”課題的研究，致力于配套服務(wù)中國石化MTO大型化技術(shù)，有助于打破國外在60萬t/a及以上甲醇裝置上技術(shù)壟斷，促進大型甲醇/乙二醇技術(shù)的國產(chǎn)化，促進國產(chǎn)催化劑在大型甲醇/乙二醇裝置上的應(yīng)用。
　　王雪林說，大型甲醇合成塔分為兩類：一類是管殼式軸向流反應(yīng)器，二類是徑向流反應(yīng)器。軸向流反應(yīng)器受氣體阻力限制，床層不能過高(一般有效段不超過7米)，這樣要想達到60萬噸/年以上甲醇產(chǎn)量，必須要有大容量的催化劑容量，軸向流反應(yīng)器直徑達到4.6米以上，超出了合適的陸運尺寸，會大大提高運輸成本。另一方面，因直徑大、壓力高，管殼式反應(yīng)器的管板尺寸越來越大、越來越厚(有的甚至超過500毫米)，又大大提高了管板的采購和機加工成本;所以高效的大型化反應(yīng)器應(yīng)優(yōu)先考慮徑向流。
　　而國內(nèi)部分廠家制造的徑向流反應(yīng)器，因為比冷面積小、移熱能力差，不能適應(yīng)國產(chǎn)催化劑的需要，從而限制了大型化的發(fā)展和工業(yè)化應(yīng)用。
　　南京聚拓科技公司認真研究、分析了國內(nèi)外同類反應(yīng)器的技術(shù)現(xiàn)狀，下大力氣組織科研力量，在甲醇、乙二醇反應(yīng)器及系統(tǒng)研究、新技術(shù)開發(fā)和推廣方面進行攻關(guān)，創(chuàng)造了一種稱之為“束管式水床反應(yīng)器”，并取得了國家發(fā)明專利，經(jīng)過持續(xù)的技術(shù)研發(fā)與市場推廣，取得了頗豐的成果。
南京聚拓科技公司董事長、總工程師盧健告訴記者，聚拓科技公司經(jīng)過大量基礎(chǔ)性研究與創(chuàng)新，在自主研發(fā)的甲醇束管式水床反應(yīng)器取得工業(yè)化應(yīng)用的基礎(chǔ)上，開發(fā)了適用于乙二醇的DMO加氫反應(yīng)條件下的“徑向束管式水床加氫反應(yīng)器”，也取得了多個工業(yè)化應(yīng)用業(yè)績，打破了傳統(tǒng)的管殼式反應(yīng)器單系列、單反應(yīng)器大型化的制約瓶頸，開創(chuàng)了國內(nèi)這一領(lǐng)域的先河。
　　盧健說，南京聚拓科技公司開發(fā)的“束管式水床反應(yīng)器”取得了多項技術(shù)突破與顯著特點：
　　一是采用小管板束管式結(jié)構(gòu)。突破了大管板加工難度大、組裝困難等多種局限，為設(shè)備大型化打開了瓶頸。
　　二是采用無縫管多維彎制。與平管板平角焊縫焊接，提高了焊接可靠性能，減少了焊接量，從而可達到“本質(zhì)安全”。
　　束管式技術(shù)是該反應(yīng)器的一個突出特色。它沒有諸如管殼反應(yīng)器、套管式反應(yīng)器那樣的大管板;也沒有多層環(huán)管水管式反應(yīng)器、螺旋繞管式反應(yīng)器那樣有多層環(huán)管和全位置的焊接結(jié)構(gòu)，也沒有板式塔那樣多的封板焊縫。因而使其設(shè)備可實現(xiàn)“本質(zhì)安全”、可靠程度增加。
　　采用分散的小管板結(jié)構(gòu)，使反應(yīng)器的絕對密封容易實現(xiàn)。相比其它類型的反應(yīng)器，焊縫量是最少的，僅只有管板與管子焊，完全可實現(xiàn)自動焊接，焊接質(zhì)量十分有保證。
　　采用合適的材料，節(jié)省了大量的低合金鋼和不銹鋼等材料，從而節(jié)省了投資。
　　換熱部件采用較小的無縫鋼管，整根管系無對接焊縫，質(zhì)量容易控制，從結(jié)構(gòu)上杜絕了反應(yīng)器的泄漏。
　　三是比冷面積大，移熱能力強，循環(huán)熱水不需要消耗動力。由于在催化劑床層中均勻地密布了內(nèi)含高速流動的飽和水移熱的換熱管，管內(nèi)水具有較強的蓄熱和移熱能力。管外為催化劑反應(yīng)床層，每立方米催化劑配置的水管換熱面積較大，管內(nèi)熱水利用上水和下水密度差，在重力的作用下自然循環(huán)，很方便地帶走了反應(yīng)熱。它完全可以實現(xiàn)自然循環(huán)、方便高效地移熱和對床層溫度的精準控制。
　　四是采用徑向流，反應(yīng)器床層阻力小。束管式水床反應(yīng)器中的反應(yīng)氣體流過催化劑層，是采用“向心徑向流”和“離心徑向流”方式，氣體徑向過催化劑床的同時，也橫掃過水管換熱層。由于路徑短、徑向面積大，因而阻力很小。甲醇生產(chǎn)運行時阻力降只有約0.1MPa，乙二醇反應(yīng)器的阻力降只有約22Kpa，與管殼式軸向床的反應(yīng)器相比，阻力要小很多，節(jié)能效果十分顯著，容易實現(xiàn)大型化。
　　五是所有換熱管采取整根三維彎管結(jié)構(gòu)，自動消除熱應(yīng)力。
　　王雪林告訴記者，南京聚拓科技公司開發(fā)的束管式水床反應(yīng)器，不僅已經(jīng)成功應(yīng)用于草酸二甲酯加氫制乙二醇生產(chǎn)，此外也已成功應(yīng)用于合成氣低壓合成甲醇、水煤氣變換。目前，這一新型反應(yīng)器已經(jīng)在甲醇合成領(lǐng)域投用的裝置有5套(廠家)：江蘇晉煤恒盛化工股份有限公司、陽煤集團深州化工有限公司、吉林通化化工股份有限公司、山西宏源煤焦化工有限公司、內(nèi)蒙古家景三聚新能源有限公司。
　　即將投產(chǎn)的裝置有5套(廠家)：萬華化學(xué)集團股份有限公司、九江心連心化肥有限公司、徐州偉天化工有限公司、鄂爾多斯市金誠泰化工有限公司、山東潤銀生物化工股份有限公司。其中，正在運行的甲醇裝置最大單反應(yīng)器的壓力為5.5MPa、產(chǎn)能可達60萬噸/年。
　　等溫變換領(lǐng)域已經(jīng)投產(chǎn)的裝置有1套：吉林通化化工股份有限公司。即將投產(chǎn)的裝置有2套：黑龍江省七臺河市隆鵬煤炭發(fā)展有限公司2臺、山東潤銀生物化工股份有限公司。
　　在煤制乙二醇領(lǐng)域，草酸二甲酯加氫制乙二醇已經(jīng)投產(chǎn)的裝置有1套：陽煤集團深州化工有限公司。
　　上述已成功投運的與乙二醇類似結(jié)構(gòu)的甲醇裝置反應(yīng)器的實踐證明，束管式水床反應(yīng)器完全適應(yīng)大型化、徑向流、低阻力、高比冷面積、移熱能力強、配套國產(chǎn)催化劑、制造產(chǎn)業(yè)化、本質(zhì)安全的目標。
多方合作 持續(xù)開發(fā)
　　王雪林告訴記者，南京聚拓公司是一家民營的國家級高新技術(shù)企業(yè)，在氨合成、變換、低壓甲醇、乙二醇反應(yīng)器等多方面，已經(jīng)擁有幾十項專利技術(shù)，其中有《固定床催化反應(yīng)器》、《束管式水床反應(yīng)器》、《準全徑向固定床反應(yīng)器》、《束管水床移熱復(fù)合型CO變換裝置》、《立式組合式等溫反應(yīng)器》、《準全徑向反應(yīng)器》、《折流桿式波紋管熱交換器》、《氨冷-冷交組合式換熱器》等多項國家發(fā)明專利。《束管式水床甲醇反應(yīng)器及工藝技術(shù)》、《DC節(jié)能氨合成反應(yīng)器及工藝系統(tǒng)》被認定為國家“十三五”節(jié)能減排先進適用技術(shù)。
　　王雪林說，目前，我國針對煤制乙二醇等煤化工裝置日趨大型化，對反應(yīng)器單臺設(shè)備大型化的需求也日益迫切，南京聚拓公司已與國內(nèi)知名高等院校、科研院所與相關(guān)骨干企業(yè)，在氨合成、甲醇、乙二醇等領(lǐng)域結(jié)成戰(zhàn)略合作伙伴，展開聯(lián)合攻關(guān)。
　　公司先后與北京三聚環(huán)?？萍脊煞萦邢薰竞炇鹆藨?zhàn)略合作框架協(xié)議，雙方約定在釕基氨合成等領(lǐng)域展開廣泛深度合作;與北京三聚、三聚福大簽定了戰(zhàn)略合作協(xié)議，在等壓氨合成、釕基氨合成等領(lǐng)域展開研究工作，并已于2017年12月在江蘇，成功進行了3萬噸釕基氨合成工業(yè)化測試。
　　公司還與上海浦景化工技術(shù)股份有限公司簽署戰(zhàn)略合作框架協(xié)議，雙方約定在乙二醇羰化、乙二醇EG大型化反應(yīng)器等方面展開廣泛合作;雙方已于今年5月，在山西某廠完成了3萬噸全徑向羰化反應(yīng)器工業(yè)化裝置測試;由雙方共同合作研發(fā)的全國首套徑向羰化反應(yīng)器即將正式投放市場。