张玉琪，苏 慧

（1.国家能源集团宁夏煤业有限责任公司，宁夏 银川 750411；

2.国家能源集团宁夏煤业煤炭化学工业技术研究院，宁夏 银川 750411）

近年来，MTP技术备受关注，已成为煤化工的重点领域之一。就MTP技术而言，其核心在于催化剂。鲁奇MTP技术采用ZSM-5分子筛催化剂高选择性的生产丙烯。但在反应过程中，含碳的物质或其他物质会在催化剂表面及其孔隙内产生积炭，造成孔径减小、孔道堵塞，甲醇分子无法扩散进入孔道中，从而导致催化剂的暂时失活。工业催化剂在使用一段时间后，活性、丙烯选择性和抗积炭能力均下降，当二甲醚/甲醇转化率低于95%时，催化剂需要进行再生。MTP催化剂的再生过程中，一般采用一定比例的氮气和空气的混合气进入MTP反应器，高温再生后的再生废气排入大气，不再循环使用，这就需要消耗大量新鲜氮气不断补入再生系统[1]。

宁夏煤业烯烃公司MTP装置再生过程中，也存在氮气消耗量大、装置能耗高、再生废气排放量大的问题。2012年9月，该公司对MTP装置再生工艺进行了优化改造，并于2014年12月完成改造。改造后几年的生产运行中，节约了新鲜氮气的使用量，减少了废气排放量，缩短了催化剂再生时间，增加了催化剂的再生深度，延长了催化剂的使用寿命，为企业创造了良好的经济效益[1-2]，现介绍如下。

1 MTP反应系统概述

二甲醚反应器出口的气态二甲醚及少量甲醇在MTP反应器内经过MTP催化剂，脱水后生成H2、CO2、C1～C9及少量C9+混合烃类。MTP反应器是六层固定床反应器，反应过程中，少量烃类聚合生成重质烃，造成催化剂表面部分积炭，进而堵塞催化剂表面活性中心，为了减少积炭，正常生产过程中，在MTP反应器一级进料中加入水蒸气一起进料。当二甲醚/甲醇进料的总转化率低于95%时，MTP反应器催化剂必须再生。再生过程用空气/氮气混合燃烧烧去催化剂上积炭[1-4]。

2 催化剂的失活及再生

催化剂的失活与多种因素有关，总体来说，可以归纳为两类：一是化学变化引起的失活，二是结构改变引起的失活。可将其分为化学失活、热失活和机械失活，也可归纳为中毒、堵塞、烧结和热失活[5]。

根据失活原因进行催化剂的再生。对于具有热稳定性催化剂的结焦失活，一般采取煅烧的方法再生[6]。

鲁奇工艺甲醇制丙烯催化剂失活的主要原因：（1）甲醇制丙烯催化剂在反应过程中，需要添加工艺蒸汽，以降低甲醇及产物分压，抑制烯烃在酸性位上聚合形成积炭，减缓积炭速率，但是会导致ZSM-5催化剂逐渐脱铝，对催化剂造成不可逆失活[7-8]。（2）工艺蒸汽中Na+、K+含量超标，引起催化剂中毒，并造成不可逆失活[8-9]。（3）烯烃在催化剂酸性位上聚合形成积炭，堵塞分子筛孔道，使催化剂暂时失活，选择性和活性大幅下降[10-11]。积炭失活可采用空气烧炭[12]对催化剂进行再生。

3 改造方案

3.1 需要解决的问题

（1）利用废气作为再生气，取代补入大量新鲜氮气：由于废再生气中大部分都是氮气，需要设计流程，将再生气重新并入再生气管线，实现重复利用，节约大量新鲜氮气。

（2）采用废气循环技术：由于废再生气基本为常压，需要加压设备对其进行加压。

（3）再生技术流程：需要对甲醇制丙烯反应器再生废气工艺流程进行设计。

（4）再生条件：明确废再生气并入原再生气主管的温度、压力等工艺条件。

（5）系统中CO和CO2浓度：MTP催化剂再生过程中，氮气和空气与催化剂表面积炭燃烧生成CO和CO2等组分，循环过程中会发生富集，影响再生效果以及安全且不利于催化剂烧焦，需将其与新鲜再生气按照比例混合，以降低系统中的CO、CO2浓度。

（6）压缩机运行条件：根据工艺运行条件，设计压缩机的相关技术参数。甲醇制丙烯反应器再生时，预急冷塔顶部出口再生废气一般温度在190℃左右，如果对再生气废气进行压缩利用，就要对高温再生废气循环压缩机选型、流程设计等方面深入探索和研究。

3.2 MTP反应器出口再生废气循环利用改造

甲醇制丙烯反应器催化剂的再生是煤基烯烃工程的关键工艺。宁夏煤业烯烃公司原采用用量为85000 m3/h的纯氮气作为催化剂再生气体，再生后在反应器出口一次排往大气[1-2]。为了提高甲醇制丙烯催化剂再生深度、减少再生废气排放，技术方案是利用部分再生放空废气，将其循环回反应器中，再次参与再生。

改造后的再生系统循环流程示意图见图1。在甲醇制丙烯反应器出口新增1台冷却器，将排放大气的高温再生废气冷却到100℃以下，冷却器后新增1台过滤器，将返回系统的废气除去杂质（部分废气通过放空控制阀放空），再通过压缩机入口空冷器将温度控制在40℃左右，进入新安装的废气循环压缩机，将压缩气体与补入的部分新鲜氮气和空气混合后，利用原有再生气体预热器和加热炉加热后送入甲醇制丙烯反应器，从而构成了废气循环利用回路系统。为防止再生废气中CO和CO2在循环过程中累积，将部分再生废气通过过滤器前放空阀排放。

图1 改造后的再生系统循环流程示意图

3.3 氮气循环控制说明

（1）预急冷塔放空量设置温、压补偿。

（2）再生期间，废再生气放空阀门常开，废再生气排放量为再生加热炉出口再生气总流量的20%。

（3）再生废气循环压缩机出口压力升高，超过了再生废气回收控制器设定值时，开大放空阀门。

（4）为了精准测量再生系统氧含量，在预急冷塔顶新增了1台在线氧含量分析仪，测量预急冷塔塔顶氧含量，其测量值与废气放空及回收利用流量计测出的流量值同时输入到空气补充流量控制器中，计算出需要补充的氧气流量，进而算出空气的需求量，以保证进入反应器前的氧体积分数为10%。将10%作为反应器需要的氧气含量设定值，此设定值可人工调节。

3.4 设计工艺参数

MTP装置的工艺设计参数见表1。

3.5 再生废气循环压缩机设计

3.5.1 再生废气循环压缩机结构及关键设计参数

再生废气循环压缩机属于单吸入、多级、高速、双支承、单出轴结构，压缩机本体由电机驱动。关键设备设计参数见表2。

3.5.2 设备调节及保护系统

为了满足再生工艺系统的压力、流量等参数要求，机组设置了以下调节及自动保护系统。

（1）流量/压力调节系统

根据工艺要求，离心压缩机采用等流量/等压力控制。其流量调节用调节器给定，并和流量计的实测值比较，将差值信号送给离心压缩机进气调节阀，进行机组的流量调节，达到工艺运行要求；同样也可以实现等压力操作。

（2）压缩机的防喘振调节

在压缩机出口设置了回流防喘振调节阀，根据压缩机的防喘振线，标定防喘振阀的控制线，进行防喘控制，保证机组运行安全。

（3）压缩机组的监测保护

机组设置了对润滑油压力、机组轴振动、轴位移等一系列参数的监测保护。

（4）机组报警联锁设置

为了机组安全稳定运行，对以下设备参数设置报警及联锁停机：压缩机轴振动、压缩机轴位移、压缩机轴瓦温度、齿轮箱振动、电机轴承温度、电机定子温度、润滑油压力。对润滑油温度、油箱温度、油箱液位、润滑油过滤器差压设置报警值。

表1 MTP装置的工艺设计参数

表2 关键设备设计参数

4 改造后的运行效果

4.1 经过改造，宁夏煤业烯烃公司MTP装置催化剂再生时间由原来的7 d降至现在的5.5 d。再生时间的缩短，使得反应器可以很快上线运行，其他反应器可以尽快切换再生，减少了因无备用反应器、在线反应器需要再生才可投用，使得反应器出口甲醇和二甲醚含量高，产品LPG以及混合芳烃中甲醇、二甲醚超标现象发生的几率。

4.2 改造后再生气量是改造前的2～3倍，保证了再生的深度以及效果，延长了催化剂单周期及寿命周期。同时提高了催化剂的活性和选择性，催化剂上线运行后，各床层温升均有增加，丙烯、混合芳烃收率均有增长。

4.3 降低了催化剂运行单耗，减少了年再生数量，节约了人工时成本。