半貧液低溫甲醇洗裝置運行總結及探討

顧朝暉，楊國洞

(河南心連心化肥有限公司　河南新鄉(xiāng)　453731)

?

半貧液低溫甲醇洗裝置運行總結及探討

顧朝暉，楊國洞

(河南心連心化肥有限公司河南新鄉(xiāng)453731)

簡要介紹了低溫甲醇洗工藝的原理、特點、國內外發(fā)展歷程及實際運行情況。根據半貧液吸收流程與全貧液吸收流程的理論分析，提出了該工藝進一步優(yōu)化的方向。

低溫甲醇洗半貧液吸收流程全貧液吸收流程

1　低溫甲醇洗工藝簡介

低溫甲醇洗工藝是由德國的林德公司和魯奇公司在20世紀50年代共同開發(fā)，是一種適用于處理含高濃度酸性氣體的凈化工藝。該工藝采用冷甲醇作為溶劑，利用甲醇對原料氣中各組分不同的吸收選擇性以達到脫除酸性氣體的目的，屬于物理吸收工藝法。1954年，低溫甲醇洗工藝在南非首先用于煤加壓氣化后的粗煤氣的凈化，隨后用于城市煤氣等的凈化。20世紀60年代以后，隨著以渣油和煤等重碳質燃料為氣化原料的大型合成氨裝置的出現，低溫甲醇洗工藝因其具有可同時脫除多種物質，氣體凈化度和吸收選擇性高，甲醇溶劑的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性好、損失少且易于再生，裝置運行能耗低等眾多優(yōu)點而得到廣泛應用。

魯奇公司的低溫甲醇洗工藝流程為脫硫-變換-脫碳，變換在脫硫和脫碳之間，而林德公司的低溫甲醇洗工藝則是變換后選擇性一步法脫硫脫碳。魯奇低溫甲醇洗工藝由于沒有中間循環(huán)甲醇提供冷量，故系統(tǒng)所需冷量全部由外部提供。由于甲醇溶液吸收溫度低，其循環(huán)量相對較大，與林德工藝相比，魯奇工藝能耗稍高，吸收塔體積也較大，但系統(tǒng)冷量由外部供給，使操作調節(jié)相對靈活，并通過新型塔板的設計，提高了塔的操作彈性。林德低溫甲醇洗工藝采用高效繞管式換熱器，提高了換熱效率，特別是多股物流的組合換熱，節(jié)省占地，設備布置更為緊湊，能耗更低。

我國對低溫甲醇洗工藝的研究始于20世紀70年代，中石化蘭州設計院、南化集團研究院、浙江大學、上?；ぱ芯吭骸⒋筮B理工大學等單位在該工藝的基礎理論研究方面都取得了一定的成果，其中大連理工大學在化工工藝模擬計算方面取得了較大的進展。大連理工大學從1983年開始進行低溫甲醇洗工藝過程研究，1999年該項研究通過了中石化的鑒定，其改進后的工藝與林德工藝相似。截止至2015年9月，大連理工大學技術改造及工藝包設計業(yè)績共115套，其中開車成功的有53套，完成設計的有7套，正在設計及由于業(yè)主原因項目暫停的有55套。

2　半貧液吸收流程與全貧液吸收流程的對比

大連理工大學開發(fā)的低溫甲醇洗工藝主要分為全貧液吸收流程和半貧液吸收流程，2011年前簽訂的工藝包合同都為全貧液流程?？紤]到能耗情況，國內首套采用半貧液循環(huán)流程的低溫甲醇洗裝置在河南心連心化肥有限公司建成投產，從運行效果看，達到了預期目的。

半貧液吸收流程與全貧液吸收流程基本一致，主要區(qū)別在于全貧液流程僅用貧甲醇作為洗滌塔脫碳段的吸收溶劑，而半貧液流程則增加了1股來自低壓閃蒸系統(tǒng)的半貧甲醇作為吸收溶劑，相應多了1套半貧甲醇吸收、閃蒸循環(huán)系統(tǒng)及更加復雜的換熱系統(tǒng)。

(1)甲醇循環(huán)量

在半貧液吸收流程中，洗滌塔CO2吸收段用半貧液代替部分全貧液，由于半貧液的吸收效果不如全貧液，所以半貧液循環(huán)量較被代替的全貧液循環(huán)量要大。也就是說，在洗滌塔CO2吸收段，半貧液吸收流程的總甲醇量大于全貧液吸收流程，同時H2S吸收段的甲醇總流量略少于或等于全貧液吸收流程。

(2)冷量消耗

在低溫甲醇洗工藝流程中，除自身冷量回收外，還需要外界補充-40 ℃的冷量。甲醇吸收CO2等酸性氣是放熱過程，酸性氣從甲醇中解吸是吸熱過程，且在同一壓力下甲醇溫度越低，CO2等酸性氣的溶解度就越大，所需的甲醇吸收劑循環(huán)量就越少。因此，為降低裝置能耗、最大限度回收冷量和熱量，低溫甲醇洗流程的換熱管網較復雜。半貧液吸收流程的甲醇循環(huán)系統(tǒng)中多了1股半貧液，整個換熱系統(tǒng)的自身冷量回收及外部冷量補充換熱方面略不同于全貧液吸收流程。半貧液吸收流程有利于降低系統(tǒng)溫度，使進入吸收塔的貧甲醇溫度更低，有利于提高酸性氣在甲醇中的溶解度；同時，由于單位質量甲醇中溶解的CO2多，使富甲醇在低壓閃蒸及汽提閃蒸時可達到更低的溫度，通過冷、熱甲醇換熱可使吸收塔的甲醇溫度更低，進而減少了系統(tǒng)中貧甲醇的循環(huán)量，降低了冷量消耗。因此，理論上全貧液吸收流程冷量消耗大于半貧液吸收流程。

(3)關鍵設備尺寸

由于系統(tǒng)中甲醇循環(huán)量的不同，導致2種裝置的塔徑略有不同。吸收和閃蒸部分的塔徑基本相當，主要是因為液相流量不同，但氣相流量一致，而決定該部分塔器直徑的關鍵參數為氣相流量。半貧液吸收流程的貧甲醇流量小，意味著進入熱再生系統(tǒng)的甲醇循環(huán)量小，相應熱再生塔、甲醇水分離塔的塔徑比全貧液吸收流程的小很多。由于裝置產生的尾氣和CO2量相當，故尾氣洗滌塔塔徑一致。

(4)消耗指標

低溫甲醇洗裝置的消耗主要為冷量、低壓蒸汽、中壓蒸汽、循環(huán)水、電、低壓N2、脫鹽水、甲醇等，在裝置總能耗中的比重從高到低的排序依次為低壓N2、冷量、電量、低壓蒸汽、中壓蒸汽和循環(huán)水。

含硫甲醇進入熱再生系統(tǒng)前需采用N2汽提，以提高富甲醇中H2S相對于CO2的含量。N2消耗量與進入富集塔的富甲醇量和溫度等因素有關，全貧液吸收流程貧甲醇循環(huán)量大，其N2消耗量相對略大。

冷量消耗是衡量低溫甲醇洗裝置能耗的核心指標。半貧液吸收流程由于減少了系統(tǒng)中甲醇的循環(huán)量，因而大幅降低了冷量消耗。

電能消耗主要用于甲醇循環(huán)輸送和閃蒸氣循環(huán)壓縮。半貧液吸收流程的貧甲醇泵、富甲醇泵的耗電量少于全貧液吸收流程，但由于多了1股半貧甲醇，多1組半貧甲醇泵，所以其總電能消耗大于全貧液吸收流程。在流程設置相近、有效氣回收率一致的前提下，閃蒸氣循環(huán)壓縮的電耗完全取決于甲醇循環(huán)量，所有吸收酸性氣后的富甲醇都需經中壓閃蒸回收有效氣后再進入低壓閃蒸和汽提系統(tǒng)，半貧液流程的總甲醇循環(huán)量大，閃蒸出的閃蒸氣量也大，循環(huán)氣壓縮機的電耗也相應增加。

蒸汽消耗主要用于甲醇熱再生系統(tǒng)的再沸器，其中熱再生塔塔底再沸器采用0.5 MPa等級蒸汽，甲醇水分餾塔塔底再沸器采用1.0 MPa等級蒸汽。蒸汽的消耗量與進入熱再生系統(tǒng)的甲醇流量有很大的關系，半貧液吸收流程由于貧甲醇循環(huán)量小，故其熱再生所需的蒸汽量較少。

循環(huán)水消耗主要在于熱再生系統(tǒng)的塔頂冷凝器及貧甲醇的冷卻，半貧液吸收流程由于貧甲醇循環(huán)量小，意味著循環(huán)水消耗量也少。

低溫甲醇洗裝置的甲醇損耗主要為凈化氣、尾氣、CO2和廢水中夾帶排出系統(tǒng)的量，尾氣和CO2排放前設有水洗塔回收甲醇，系統(tǒng)溫度低可降低凈化氣中的甲醇飽和蒸氣壓，進而降低系統(tǒng)甲醇消耗。半貧液吸收流程甲醇吸收液溫度低，故甲醇損耗略少。

綜上所述，全貧液吸收流程的蒸汽、循環(huán)水、冷量、甲醇等消耗高于半貧液吸收流程，而其電耗則略低。日產1 000 t氨低溫甲醇洗裝置不同工藝能耗對比見表1。

表1日產1 000 t氨低溫甲醇洗裝置不同工藝能耗對比

項 目4.0MPa氣化消耗量全貧液吸收流程半貧液吸收流程6.5MPa氣化消耗量半貧液吸收流程全貧液吸收流程甲醇/(kg·h-1)40353030循環(huán)冷卻水(溫差10K)/(t·h-1)560430330380汽提氮氣/(m3·h-1,標態(tài))9300720060006600脫鹽水/(t·h-1)3.23.03.03.00.5MPa(表壓)低壓蒸汽/(t·h-1)3.03.02.62.61.0MPa(表壓)低壓蒸汽/(t·h-1)13.28.85.57.84℃冷量/kW490000-40℃冷量/kW4050295022403000

注:1)以上數值為理論計算消耗，不包含裕度，冷量消耗不含冷損；

2)有半貧液循環(huán)電耗約比無半貧液循環(huán)大80～100 kW；

3)如原料氣中硫含量較高，半貧液循環(huán)消耗會有所增加;

4)表中數據為估算值。

3　半貧液低溫甲醇洗裝置運行情況

河南心連心化肥有限公司原料結構調整項目和新疆基地的“30·52”項目均采用了大連理工大學開發(fā)的低溫甲醇洗工藝，裝置自開車以來，工藝運行整體穩(wěn)定，凈化氣、酸性氣、CO2產品氣、尾氣、甲醇消耗、蒸汽消耗、冷量消耗、廢水排放等均達到設計值。

生產運行中出現的問題如下：

(1)開車后循環(huán)氫氣壓縮機進口管道振動，將回氣逐漸關死且加固管道后，振動現象消失。

(2)甲醇水分離塔曾出現設備筒體腐蝕，原因是該塔進料為來自尾氣水洗塔的甲醇水混合液，溶液呈酸性，腐蝕性較強。

(3)由于除沫器問題，甲醇消耗較高，具體表現：CO2氣中的甲醇含量高，指標為150×10-6(體積分數)，實測為(200～300)×10-6(體積分數)；尾氣中甲醇質量濃度指標為190 mg/m3，實測為200～300 mg/m3。

(4)由于除沫器的運行效果差，尾氣水洗塔增加脫鹽水量時，存在尾氣放空帶水現象。

4　低溫甲醇洗技術未來的發(fā)展優(yōu)化

低溫甲醇洗技術經過60多年的發(fā)展，整體工藝較為成熟，應用較為廣泛，下一步優(yōu)化應該涵蓋以下內容：

(1)中壓閃蒸段增加液力透平進行能量回收，即將中壓閃蒸的工藝流程改為通過透平機回收能量帶動半貧液泵。以河南心連心化肥有限公司原料結構調整項目為例，如該部分能量100%回收的話，預計可節(jié)約電量約500 kW，但由于現場工況苛刻，改造存在一定的風險。

(2)在現有半貧液吸收流程基礎上進一步優(yōu)化，通過提高半貧液的占比來達到降低裝置的整體運行費用的目的。

(3)由于河南心連心化肥有限公司低溫甲醇洗裝置為第1套采用半貧液吸收工藝流程的裝置，在能量和熱量利用方面肯定還存在很多不合理的地方，需要進一步優(yōu)化。

Sum-Up and Discussion of Operation of Low-Temperature Methanol Wash Unit with Semi Lean Liquid

GU Chaohui, YANG Guodong

(Henan Xinlianxin Fertilizer Co., Ltd.Henan Xinxiang453731)

A brief introduction is made of the principle, characteristics, development history both at home and abroad and actual operation situation of low-temperature methanol wash process. Based on theoretical analysis of the absorption process of semi lean liquid and absorption process of fully lean liquid, further optimization direction of the process is suggested.

low-temperature methanol washabsorption process of semi lean liquidabsorption process of fully lean liquid

TQ113.26+4.3

B

1006- 7779(2016)04- 0059- 03

2016- 06- 20)