氮氣汽提半貧液流程與傳統(tǒng)低溫甲醇洗流程對比研究

劉 莎

(北京石油化工工程有限公司西安分公司，陜西 西安 710075)

我國能源結構為富煤、少油、缺氣，這種特殊的能源結構決定了煤化工發(fā)展的重要性。近年來我國煤化工發(fā)展如火如荼，合成氣的制備與凈化是煤化工中關鍵環(huán)節(jié)，需要生產(chǎn)出滿足產(chǎn)品生產(chǎn)合格的合成氣組成。但隨著大型煤化工的發(fā)展，低溫甲醇洗因其具有選擇性高、溶解度大、循環(huán)量小、熱穩(wěn)定好等優(yōu)點已經(jīng)成為公認的凈化度高且廣泛應用在煤制甲醇、煤制合成氨、煤制油、煤制氣等的合成氣凈化方法[1-2]。

對于目前使用的低溫甲醇洗流程，根據(jù)吸收介質(zhì)的不同，可分為全貧液吸收、半貧液吸收和氮氣汽提半貧液流程[3-6]。全貧液流程使用完全再生后甲醇作為脫硫脫碳的原料，半貧液流程則是一部分脫硫脫碳原料來自于閃蒸出一部分CO2后的半貧甲醇，一部分為完全再生后的全貧甲醇；氮氣汽提半貧甲醇流程是在半貧甲醇路程的基礎上，用氮氣將半貧甲醇汽提后送入吸收塔做為吸收劑。本文主要對三種流程進行對比。

1 流程對比介紹

低溫甲醇洗的流程是典型且優(yōu)良的實現(xiàn)酸性氣脫除的物理凈化的流程，利用甲醇在低溫下對酸性氣溶解度大的特點，甲醇通過反復的吸收和解吸操作，實現(xiàn)CO2和H2S的脫除。

低溫甲醇洗流程圖見以下3幅圖，圖1為全貧液低溫甲醇洗工藝流程簡圖，圖2為半貧液低溫甲醇洗工藝流程簡圖，圖3為氮氣汽提半貧液低溫甲醇洗工藝流程簡圖，從流程可以看出三種低溫甲醇洗的流程的基本設計思想相同，整個流程都可以分為：①主洗部分，即在此實現(xiàn)甲醇脫除酸性氣中的CO2和H2S，達到氣體凈化的目的；②富甲醇中壓閃蒸回收有效氣即為了降低CO和H2的損失率，提高原料的回收率，即在進行解吸之前通過中壓閃蒸回收CO和H2；③低壓閃蒸和硫化氫濃縮，為回收系統(tǒng)冷量，同時也為了實現(xiàn)甲醇中H2S的富集，采用低壓閃蒸和氮氣汽提的辦法脫除甲醇中的溶解的二氧化碳； ④甲醇熱再生，通過蒸汽加熱汽提的方式使甲醇徹底再生，滿足甲醇吸收的要求；⑤甲醇水分離，此部分是為了保證循環(huán)甲醇的含水率；⑥尾氣洗滌部分，此部分是滿足環(huán)保要求，保證尾氣排放滿足環(huán)保標準以及回收損失的甲醇。

全貧液流程和半貧液流程為典型的低溫甲醇洗流程，也是目前應用較多的流程，由圖1和圖2可以看出，圖2比圖1多了一股低壓解吸CO2后的半貧液甲醇作為吸收劑，即圖2中的虛線部分。半貧甲醇為閃蒸出CO2的甲醇，此股甲醇為系統(tǒng)最冷甲醇，半貧甲醇的引入不僅降低了系統(tǒng)的冷量，同時也降低了后續(xù)熱再生的蒸汽消耗。從系統(tǒng)設置來說，半貧液流程比全貧液流程增加了一套半貧液系統(tǒng)，換熱網(wǎng)絡也會有所不同，操作調(diào)節(jié)也會相對復雜一些。

由圖2和圖3可以看出，圖3是在圖2的基礎上增加了一個氮氣汽提塔，即圖3中的云線部分，此塔主要是用一股氮氣汽提圖2的的半貧甲醇，用汽提后的半貧甲醇作為吸收劑，氮氣汽提更進一步的降低了此股甲醇的溫度，使整個系統(tǒng)的冷量即消耗較半貧甲醇又有所降低。

圖1 全貧液低溫甲醇洗工藝流程簡圖

圖2 半貧液低溫甲醇洗工藝流程簡圖

圖3 氮氣汽提半貧液低溫甲醇洗工藝流程簡圖

2 主要技術參數(shù)對比

本文以林德流程為基準，以60萬噸/年的煤制甲醇進行對比。

2.1 循環(huán)甲醇溫度對比

三種流程循環(huán)甲醇溫度及主洗塔溫度對比見表1。

表1 循環(huán)甲醇溫度對比/℃

由表1可以看出，半貧液系統(tǒng)流程的操作溫度比全貧液低，而氮氣汽提半貧液流程系統(tǒng)的操作溫度最低。這是因為根據(jù)溶解度規(guī)律，溫度越低，吸收的CO2越多，半貧甲醇為系統(tǒng)溫度最低的甲醇，半貧甲醇的引入，降低了主洗塔的溫度，相應的增加酸性氣的溶解度，富甲醇閃蒸時單位甲醇釋放的CO2更多，這樣解吸后的甲醇溫度更低。因此半貧甲醇的系統(tǒng)溫度較全貧甲醇的系統(tǒng)溫度低。

從冷量平衡來說，最大限度的解吸甲醇中的CO2，就可以提高閃蒸制冷量，因此在半貧甲醇系統(tǒng)引入一股汽提氮氣，使半貧甲醇解吸出更多的CO2，循環(huán)的半貧甲醇溫度較未汽提的更低，因此氮氣汽提的半貧甲醇流程系統(tǒng)溫度更低。

2.2 循環(huán)甲醇溫度對比

三種流程的循環(huán)甲醇量對比見表2。

表2 循環(huán)甲醇量對比

由表2可以看出，由于半貧甲醇的引入，系統(tǒng)中循環(huán)的全貧液甲醇有所降低，氮氣汽提半貧液流程比全貧液流程減少30.9%，比半貧液流程減少5.2%，這是因為更低溫度的CO2甲醇作為吸收段的吸收劑，從表1可以看出，獲得了更低的主洗塔溫度，溶解的CO2量越多，甲醇閃蒸時會獲得更低的溫度，降低了系統(tǒng)溫度的同時降低了全貧甲醇循環(huán)量。

由表2看出整個系統(tǒng)循環(huán)的甲醇(全貧甲醇+半貧甲醇)半貧液流程較全貧流程大，因氮氣汽提的引入，氮氣汽提半貧液流程獲得了更低的半貧液溫度，所以循環(huán)的半貧液量大大減少，所以氮氣汽提半貧液流程的全系統(tǒng)循環(huán)甲醇最小，對系統(tǒng)電量影響較大，電量對比見表5。

2.3 冷量的對比

低溫甲醇洗在低溫條件下能更好的分離脫除酸性氣體，所以需要保證低溫甲醇洗系統(tǒng)內(nèi)部足夠的冷量，低溫甲醇洗的冷量一方面來自于系統(tǒng)內(nèi)富甲醇閃蒸CO2提供的制冷量；另一方面來自于界外通過氨制冷或丙烯制冷補充的-40 ℃冷量與循環(huán)水補充的冷量。低溫甲醇洗發(fā)展至今，流程已經(jīng)相當成熟且穩(wěn)定，現(xiàn)在最大限度的回收冷量，是低溫甲醇洗非常重要的環(huán)節(jié)。三種流程冷量消耗的對比見表3：

表3 三種流程冷量消耗對比

注：循環(huán)水消耗不包含壓縮機及配套-40 ℃冷凍站消耗量。

從表3可以看出，氮氣汽提半貧液流程比全貧液流程節(jié)約冷量19.3%，比半貧液節(jié)約冷量9.7%。這是因為從冷量回收來說閃蒸釋放的CO2量越多，回收的冷量越多。結合表1與表2，系統(tǒng)溫度越低，溶解度越大，貧甲醇循環(huán)量越小，系統(tǒng)冷量越低。

冷量消耗是低溫甲醇洗的核心指標，冷量消耗的減少，有利于減少低溫甲醇洗配套冷凍站裝置的建設投資和運行投資。

2.4 蒸汽消耗對比

低溫甲醇洗是通過蒸汽加熱汽提的方式保證貧甲醇純度和保證系統(tǒng)水含量，三種流程的蒸汽消耗見表4。

表4 蒸汽消耗對比

由表4可以看出，甲醇水分離塔蒸汽消耗基本相同，這主要是因為甲醇水分塔主要是分離原料中攜帶的水分，保證系統(tǒng)甲醇的含水率，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。而熱再生的蒸汽消耗相差較大，這是因為進入循環(huán)的貧甲醇量減少，進入熱再生塔的貧甲醇減少，所以甲醇熱再生所需要的蒸汽也相應減少。

2.5 電量消耗對比

低溫甲醇洗的動力消耗主要用于循環(huán)甲醇的輸送和循環(huán)氣的加壓，同時將低溫甲醇洗配套的-40 ℃冷量折合為電量，三種流程消耗的電量對比見表5。

表5 電量消耗對比

由表5可以看出，半貧液吸收流程的輸送泵的耗電量最大，這是因為在低溫甲醇洗中，輸送泵的耗電最多的是循環(huán)洗滌甲醇的輸送，包含貧甲醇及半貧甲醇，此部分泵相當于將甲醇從將近常壓加壓到吸收壓力，耗電量較大。壓縮機的耗電量也與所有的循環(huán)甲醇量相關，這是因為回收有效氣時所有的甲醇都要進行閃蒸，循環(huán)甲醇的量決定了閃蒸的氣量，進而影響壓縮機的電耗，結合表2可以看出，半貧液流程的貧甲醇加半貧甲醇量最大，因此耗電量最大。

2.6 操作費用對比

以年操作時間8000 h計算，三種流程的操作費用對比見表6。

表6 操作費用對比

注：1.低溫甲醇洗配套冷凍站為丙烯制冷。

2.林德的氮氣汽提流程中氮氣消耗量很小，若不計氮氣的操作費用，全貧液流程 4687.9萬元，半貧液流程4467.8萬元，氮氣汽提半貧液流程3590.7萬元。

由表6可以看出，氮氣汽提半貧液流程較全貧液流程節(jié)約操作費用4937.15萬元，較半貧液流程節(jié)約4077.06萬元。

3 結 語

通過對全貧液流程、半貧液流程及氮氣汽提流程的對比，可以看出公用工程消耗和年操作費用：全貧液流程>半貧液流程>氮氣汽提半貧液流程，而且裝置規(guī)模越大，差距越大，優(yōu)勢越明顯，氮氣汽提半貧液流程是目前較優(yōu)秀的流程。

因洗劑的不同，流程設置稍有區(qū)別，半貧液流程較全貧液

流程多了半貧液循環(huán)系統(tǒng)，而氮氣汽提半貧液流程又在半貧液流程的基礎上增設了一個氮氣汽提塔，增加的部分就會增加裝置投資，但同時全貧甲醇的減少，減少了熱再生系統(tǒng)的投資及部分換熱器的投資以及低溫甲醇洗配套冷凍站的裝置投資，所以在進行裝置投資比較時需綜合考慮對比分析，這與裝置規(guī)模有關。用戶在進行流程選擇時，需綜合原料的氣量，考慮裝置的投資，公用工程的配套及操作的復雜性，進性綜合考慮。對于冷量不足的現(xiàn)有低溫甲醇洗裝置，氮氣汽提半貧液流程也是一個很好的思路。