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煤化工
———束管式水床大型加氢反应器推广应用加速
中国化工报记者昨天从阳煤集团深州化工有限公司获悉：该公司采用南京聚拓化工科技有限公司开发的、拥有完全自主知识产权的新型径向束管式水床大型加氢反应器，对一期20万吨/年乙二醇装置加氢B系统实施技术改造，已于今年8月1日成功投入运行，至8月7日装置实现满负荷运行，各项指标满足工艺设计要求。截止到10月23日，该装置已经连续稳定试运行两个多月。
经工业化运行考核，目前以一个径向床加氢反应器替代原来的2台管壳式反应器，单塔达到设计的10万吨草酸二甲酯（DMO）加氢制乙二醇的生产能力，产品全部达到优级品。塔阻力≤22KPa，还不到原来管壳式反应器的二分之一。温度分布≤3℃。待装置各方面条件优化后，即可能达到年产乙二醇20万吨的运行能力。
实施技改 突破瓶颈
阳煤深州化工有限公司董事长柳小丰告诉记者，近年来，我国乙二醇产业也如同合成氨、甲醇等一样，同期进入了装置大型化的建设阶段。目前，国内煤制乙二醇单套系统产量已经达到了30万吨/年。国外的著名公司如ICI公司旗下的庄信万丰的Davy公司、Casale公司、Topsoe公司等公司均在抢滩中国市场，几乎全部的大型煤制甲醇、乙二醇成套技术均为国外跨国公司所占据。
中国石化集团公司经济技术研究院副总工程师、教授级高工安福告诉记者，2017年底，全球有效乙二醇产能为3168万吨/年；产量为2682万吨/年，消费量为2705万吨/年，仍保持较快增长。到2020年，预计产能将达到4051万吨，需求约为3027万吨；到2025年，全球产能预计达到4843万吨，需求将达3543万吨左右。
安福说，2017年，我国乙二醇产能达到881万吨/年，产量613万吨，进口量875万吨。煤制乙二醇产能已占国内产能37%。预计2020年前，国内乙二醇新增产能约800万吨/年，其中一半以上为煤制乙二醇。到2020年产能将达到1100万吨/年左右，表观消费量1520万吨。
预计2025年，国内乙二醇产能将达1400万吨/年，表观消费量1750万吨。受国际原油价格上涨因素刺激，我国煤制乙二醇进入新一轮建设高潮，且装置大型化趋势明显。
上海化工研究院有限公司高级工程师、全国新型煤气化技术发展委员会秘书长郑伟中说，目前，我国煤制乙二醇的核心技术研发，在工艺设计、反应器及催化剂等方面都实现了国产化，不存在“卡脖子”问题。但在加氢工段单反应器产能大型化方面，仍受反应器结构、直径、设备运输、反应器阻力等因素的交互影响，限制了催化剂的装填量，国外现有传统的管壳式反应器单塔产能仅达到5万吨/年。
另一方面，国内目前建设的大甲醇装置（主要是80万t/a以上规模）都是引进国外技术，催化剂也是打包销售，大型煤基甲醇装置匹配的合成气净化技术几乎被国外所垄断。煤制乙二醇虽然国内成套技术供应商与国外成套技术供应商形成分庭抗争之势，但40万t/a项目国外占比较大且工艺包、核心设备、催化剂也是打包销售。国内外技术供应商也都意识到要提高竞争力，必须实现和突破反应器等核心设备的大型化。如今，仅有南京聚拓科技公司在煤制乙二醇、甲醇反应器大型化研发、制造与工业化应用方面取得了业绩。
柳小丰说，公司一期20万吨/年乙二醇装置的加氢B系统DMO加氢工段原为A/B两个系列，每个系列各有2台反应器，总计A、B、C、D四台管壳式加氢反应器。因管壳式反应器采取轴向流，阻力较大，单塔前期正常生产阻力为45～55KPa，催化剂使用末期阻力最大曾达到100kPa，造成系统阻力超过设计，影响了装置的安全长周期满负荷运行。
本次技改是在原来工艺不变的条件下，采用南京聚拓研发的新型径向束管式水床加氢反应器，只对B系统两台管壳式反应器进行置换，并对部分管线适配调整，改造后的径向反应器利用原反应器的气泡，反应器饱和水自然循环。
柳小丰说，此技改项目的成功投运，标志着长期困扰我国煤制乙二醇单反应器大型化的“肠梗阻”被彻底打通，从而为煤制乙二醇、甲醇等煤化工实现单系列、单反应器的大型化和装置的大型化奠定了基础。
找准痛点 戮力攻关
南京聚拓化工科技有限公司总经理王雪林告诉记者，近年来，我国煤制甲醇合成技术取得较大进展。国内自主开发的甲醇合成反应器主要有华东理工大学的“管壳外冷-绝热复合式反应器”、杭州林达公司的“气固相催化反应器”、南京国昌公司的“水冷板式反应器”和南京聚拓的“束管式水床甲醇反应器”，这些反应器由于结构或换热的原因，单系列单反应器建设规模均小于60万t/a。
中石化在甲醇合成工艺和技术方面也取得很大进步。中石化宁波工程有限公司具有大、中型甲醇装置设计成功业绩，完成了格尔木、玉门等中型甲醇装置的设计，以及川维77万吨/年乙炔尾气制甲醇、重庆卡贝乐85万吨/年天然气制甲醇等大型装置的设计。
煤制甲醇/乙二醇装置的大型化对配套的催化剂也提出更高要求。宁波工程公司与南化院、南京聚拓合作开展过反应器的设计研究。在此基础上，三方琮合作开展“大型径向水冷型甲醇合成反应器技术开发”课题的研究，致力于配套服务中国石化MTO大型化技术，有助于打破国外在60万t/a及以上甲醇装置上技术垄断，促进大型甲醇/乙二醇技术的国产化，促进国产催化剂在大型甲醇/乙二醇装置上的应用。
王雪林说，大型甲醇合成塔分为两类：一类是管壳式轴向流反应器，二类是径向流反应器。轴向流反应器受气体阻力限制，床层不能过高（一般有效段不超过7米），这样要想达到60万吨/年以上甲醇产量，必须要有大容量的催化剂容量，轴向流反应器直径达到4.6米以上，超出了合适的陆运尺寸，会大大提高运输成本。另一方面，因直径大、压力高，管壳式反应器的管板尺寸越来越大、越来越厚（有的甚至超过500毫米），又大大提高了管板的采购和机加工成本；所以高效的大型化反应器应优先考虑径向流。
而国内部分厂家制造的径向流反应器，因为比冷面积小、移热能力差，不能适应国产催化剂的需要，从而限制了大型化的发展和工业化应用。
南京聚拓科技公司认真研究、分析了国内外同类反应器的技术现状，下大力气组织科研力量，在甲醇、乙二醇反应器及系统研究、新技术开发和推广方面进行攻关，创造了一种称之为“束管式水床反应器”，并取得了国家发明专利，经过持续的技术研发与市场推广，取得了颇丰的成果。
南京聚拓科技公司董事长、总工程师卢健告诉记者，聚拓科技公司经过大量基础性研究与创新，在自主研发的甲醇束管式水床反应器取得工业化应用的基础上，开发了适用于乙二醇的DMO加氢反应条件下的“径向束管式水床加氢反应器”，也取得了多个工业化应用业绩，打破了传统的管壳式反应器单系列、单反应器大型化的制约瓶颈，开创了国内这一领域的先河。
卢健说，南京聚拓科技公司开发的“束管式水床反应器”取得了多项技术突破与显著特点：
一是采用小管板束管式结构。突破了大管板加工难度大、组装困难等多种局限，为设备大型化打开了瓶颈。
二是采用无缝管多维弯制。与平管板平角焊缝焊接，提高了焊接可靠性能，减少了焊接量，从而可达到“本质安全”。
束管式技术是该反应器的一个突出特色。它没有诸如管壳反应器、套管式反应器那样的大管板；也没有多层环管水管式反应器、螺旋绕管式反应器那样有多层环管和全位置的焊接结构，也没有板式塔那样多的封板焊缝。因而使其设备可实现“本质安全”、可靠程度增加。
采用分散的小管板结构，使反应器的绝对密封容易实现。相比其它类型的反应器，焊缝量是最少的，仅只有管板与管子焊，完全可实现自动焊接，焊接质量十分有保证。
采用合适的材料，节省了大量的低合金钢和不锈钢等材料，从而节省了投资。
换热部件采用较小的无缝钢管，整根管系无对接焊缝，质量容易控制，从结构上杜绝了反应器的泄漏。
三是比冷面积大，移热能力强，循环热水不需要消耗动力。由于在催化剂床层中均匀地密布了内含高速流动的饱和水移热的换热管，管内水具有较强的蓄热和移热能力。管外为催化剂反应床层，每立方米催化剂配置的水管换热面积较大，管内热水利用上水和下水密度差，在重力的作用下自然循环，很方便地带走了反应热。它完全可以实现自然循环、方便高效地移热和对床层温度的精准控制。
四是采用径向流，反应器床层阻力小。束管式水床反应器中的反应气体流过催化剂层，是采用“向心径向流”和“离心径向流”方式，气体径向过催化剂床的同时，也横扫过水管换热层。由于路径短、径向面积大，因而阻力很小。甲醇生产运行时阻力降只有约0.1MPa，乙二醇反应器的阻力降只有约22Kpa，与管壳式轴向床的反应器相比，阻力要小很多，节能效果十分显著，容易实现大型化。
五是所有换热管采取整根三维弯管结构，自动消除热应力。
王雪林告诉记者，南京聚拓科技公司开发的束管式水床反应器，不仅已经成功应用于草酸二甲酯加氢制乙二醇生产，此外也已成功应用于合成气低压合成甲醇、水煤气变换。目前，这一新型反应器已经在甲醇合成领域投用的装置有5套（厂家）：江苏晋煤恒盛化工股份有限公司、阳煤集团深州化工有限公司、吉林通化化工股份有限公司、山西宏源煤焦化工有限公司、内蒙古家景三聚新能源有限公司。
即将投产的装置有5套（厂家）：万华化学集团股份有限公司、九江心连心化肥有限公司、徐州伟天化工有限公司、鄂尔多斯市金诚泰化工有限公司、山东润银生物化工股份有限公司。其中，正在运行的甲醇装置最大单反应器的压力为5.5MPa、产能可达60万吨/年。
等温变换领域已经投产的装置有1套：吉林通化化工股份有限公司。即将投产的装置有2套：黑龙江省七台河市隆鹏煤炭发展有限公司2台、山东润银生物化工股份有限公司。
在煤制乙二醇领域，草酸二甲酯加氢制乙二醇已经投产的装置有1套：阳煤集团深州化工有限公司。
上述已成功投运的与乙二醇类似结构的甲醇装置反应器的实践证明，束管式水床反应器完全适应大型化、径向流、低阻力、高比冷面积、移热能力强、配套国产催化剂、制造产业化、本质安全的目标。
多方合作 持续开发
王雪林告诉记者，南京聚拓公司是一家民营的国家级高新技术企业，在氨合成、变换、低压甲醇、乙二醇反应器等多方面，已经拥有几十项专利技术，其中有《固定床催化反应器》、《束管式水床反应器》、《准全径向固定床反应器》、《束管水床移热复合型CO变换装置》、《立式组合式等温反应器》、《准全径向反应器》、《折流杆式波纹管热交换器》、《氨冷-冷交组合式换热器》等多项国家发明专利。《束管式水床甲醇反应器及工艺技术》、《DC节能氨合成反应器及工艺系统》被认定为国家“十三五”节能减排先进适用技术。
王雪林说，目前，我国针对煤制乙二醇等煤化工装置日趋大型化，对反应器单台设备大型化的需求也日益迫切，南京聚拓公司已与国内知名高等院校、科研院所与相关骨干企业，在氨合成、甲醇、乙二醇等领域结成战略合作伙伴，展开联合攻关。
公司先后与北京三聚环保科技股份有限公司签署了战略合作框架协议，双方约定在钌基氨合成等领域展开广泛深度合作；与北京三聚、三聚福大签定了战略合作协议，在等压氨合成、钌基氨合成等领域展开研究工作，并已于2017年12月在江苏，成功进行了3万吨钌基氨合成工业化测试。
公司还与上海浦景化工技术股份有限公司签署战略合作框架协议，双方约定在乙二醇羰化、乙二醇EG大型化反应器等方面展开广泛合作；双方已于今年5月，在山西某厂完成了3万吨全径向羰化反应器工业化装置测试；由双方共同合作研发的全国首套径向羰化反应器即将正式投放市场。
