淺談低溫甲醇洗裝置設(shè)備布置

曹運長 陳 虎

中國五環(huán)工程有限公司 武漢 420223

低溫甲醇洗裝置作為煤化工項目中凈化工藝的核心組成，接收上游來的變換氣，為下游提供潔凈的凈化氣。通過調(diào)整甲醇循環(huán)量和溫度逐步除去變換氣中的CO2、H2S、COS等有害雜質(zhì)氣，在整個系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。由于該裝置建設(shè)費用在整個項目中占有較大比重，其布置方案是否經(jīng)濟合理正受到越來越多業(yè)主和設(shè)計單位的重視。隨著煤化工技術(shù)水平的提升和工藝流程的優(yōu)化，低溫甲醇洗工序設(shè)備布置也在逐步調(diào)整。筆者通過對多個大型煤化工項目低溫甲醇洗裝置對比分析發(fā)現(xiàn)，合理的設(shè)備布置不僅可以節(jié)省占地，還可以減少投資，大幅提升經(jīng)濟效益。

1 低溫甲醇洗裝置工藝特點

低溫甲醇洗技術(shù)本質(zhì)上是以甲醇為氣體吸收溶劑，利用不同溫度情況下不同氣體在冷甲醇溶液中的溶解度差異來分離出不同組分的氣體，氣體的脫硫和脫碳可在同一個吸收塔內(nèi)分段、選擇性地進行，從而得到凈化氣、回收雜質(zhì)氣、排放無用氣。其中甲醇循環(huán)貫穿整個工藝過程，最開始變換氣在吸收塔中通過低溫貧甲醇吸收其中的酸性氣體(主要為CO2、H2S)，得到凈化原料氣，送至下游工序，貧甲醇變?yōu)楦患状?；富甲醇進而通過閃蒸、解析將其中的酸性氣體(主要CO2)分離出來按照實際需求進行利用或排放；最后通過甲醇熱再生、甲醇/水分離系統(tǒng)將甲醇中的酸性氣體(主要為H2S)進行濃縮、回收送往硫回收裝置回收利用，富甲醇則再生為貧甲醇進入系統(tǒng)循環(huán)利用。這樣既提純了原料氣，又使無用廢氣產(chǎn)生了經(jīng)濟效益，保護了環(huán)境，一舉兩得。

2 影響布置的關(guān)鍵因素

低溫甲醇洗裝置作為提純氣體的關(guān)鍵工序，在煤化工行業(yè)中運用非常廣泛。常見的低溫甲醇洗工藝專利商有三個：德國林德、魯奇工藝和國內(nèi)大連理工工藝。不同專利各有特點，需結(jié)合每個項目的造氣工藝來進行選擇。本文以國內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的大連理工專利技術(shù)為例，對影響設(shè)備布置的關(guān)鍵因素進行分析。

2.1 排放氣處理

在富甲醇解析、閃蒸過程中，會產(chǎn)生大量無用氣(主要為CO2)，這部分氣體最常見的處理方法就是通過管線引至吸收塔頂部進行高點排放。由于排放氣體量很大，排放管線管徑有時達到DN2000以上，如布置不當(dāng)，會對整個低溫甲醇洗裝置設(shè)備布置產(chǎn)生較大影響。鑒于此種情況并結(jié)合工藝流程，可將尾氣洗滌塔和吸收塔就近布置，避免管線穿行距離過長，占用過多框架空間而影響設(shè)備布置。但要考慮整個廠區(qū)的布置情況，氣體排放點不能距離空分裝置過近，否則排放氣中大量CO2的會影響空分裝置氣體吸入口附近的空氣組分，影響空分系統(tǒng)的安全運行。如廠區(qū)空間受限，低溫甲醇洗裝置與空分裝置距離過近無法避免，可將該排放管線引至其它安全地方高點放空，但在裝置和外管廊上需預(yù)留管線穿行空間。

2.2 泵的布置

泵作為低溫甲醇洗裝置甲醇循環(huán)的動力輸送設(shè)備，對整個裝置正常運行起著重要的作用。為便于操作和檢修，一般會將工藝泵進行集中布置，結(jié)合南北方氣候差異，可以進行適當(dāng)調(diào)整。北方氣溫較低，宜布置在封閉的廠房內(nèi)，避免泵體公用管線結(jié)凍影響泵的正常運行；在南方地區(qū)，則可取消廠房封閉，為提升廠房空間利用率，將部分泵移至廠房外集中布置，在一定程度上可以縮短泵房長度甚至取消泵房，減少裝置占地。例如低溫甲醇洗區(qū)域的多級貧甲醇泵，因其外形尺寸大，布置在泵房內(nèi)會造成空間和占地的大幅增加，在條件允許的情況下可將其盡量布置在室外，不僅利于泵本身的檢修，也可減少泵房的占地空間。

2.3 甲醇罐區(qū)設(shè)備的布置

甲醇罐區(qū)設(shè)備包括甲醇儲罐及卸車用的卸車鶴管。甲醇儲罐為整個低溫甲醇洗裝置提供和補充循環(huán)甲醇，當(dāng)裝置停車時，管線中殘留的甲醇通過泵回到甲醇儲罐。甲醇屬于甲B類液體，按照《石油化工企業(yè)設(shè)計防火標準》GB50160，儲罐布置有著嚴格的要求，與之配套的卸車鶴管和甲醇儲罐及工藝裝置之間也有著嚴格的距離要求?，F(xiàn)階段常用的布置方案有兩種：一是將甲醇儲罐布置在裝置或者工序的角落，卸車鶴管靠近馬路布置，便于甲醇卸車以及消防管線布置；二是在規(guī)范允許的情況下將甲醇罐區(qū)及卸車鶴管與廠區(qū)儲罐布置在一起，不僅可以大幅減少低溫甲醇洗裝置占地，也可以集中考慮消防。在新建項目中，大多數(shù)業(yè)主偏向于第二種布置方案。

2.4 塔的布置

塔是低溫甲醇洗裝置最核心的設(shè)備，其布置合適與否直接影響到裝置的占地大小、管線材料的費用多少，以及裝置運行是否穩(wěn)定等。按照工藝流程，吸收塔作為凈化裝置的關(guān)鍵設(shè)備，布置應(yīng)距上下游裝置較近；CO2解析塔、H2S濃縮塔及N2氣提塔之間存在相互關(guān)聯(lián)的管線，應(yīng)集中布置；熱再生塔和甲醇/水分離塔回收甲醇和H2S氣體，與工序內(nèi)其它設(shè)備關(guān)聯(lián)不是很強，可以單獨進行布置。結(jié)合布置特點，塔可以圍繞框架進行布置，其優(yōu)點是：① 可避免分散布置帶來的占地增加；② 可以直接與框架中管線進行連接，減少管線穿行長度；③ 可就近將泵布置在框架內(nèi)，最大程度利用框架空間。同時，在塔的周圍應(yīng)該預(yù)留足夠的空間，以便吊裝和檢修塔內(nèi)件。

低溫甲醇洗裝置塔的數(shù)量與所需回收的成品氣組分息息相關(guān)，設(shè)計者可以依據(jù)工藝流程和項目要求優(yōu)化塔布置，提升設(shè)計質(zhì)量。

2.5 循環(huán)氣壓縮機布置

循環(huán)氣壓縮機的主要作用是回收裝置運行過程中富甲醇產(chǎn)生的有效閃蒸氣(主要成分為H2)以提升氣體利用率，減少環(huán)境污染，降低能耗。循環(huán)氣的火災(zāi)危險性屬于甲類，按照規(guī)范要求，與工藝設(shè)備和裝置間的距離有著嚴格的要求。以往項目都是將該單元進行單獨布置以滿足規(guī)范要求，增加了裝置占地。其實，在滿足要求的情況下，可將循環(huán)氣壓縮機與廠區(qū)其它壓縮機布置在聯(lián)合壓縮廠房內(nèi)，做到集中布置、集中檢修、集中管理。

2.6 框架結(jié)構(gòu)形式對布置的影響

在設(shè)計之初就要明確框架結(jié)構(gòu)形式，例如：鋼結(jié)構(gòu)、混凝土及鋼混結(jié)構(gòu)等，結(jié)合裝置結(jié)構(gòu)特點選擇合適的樓層標高。避免因標高選擇不合適帶來的設(shè)計變更。

2.7 對布置有影響的其它關(guān)鍵因素

除設(shè)備本身影響外，還有很多因素對低溫甲醇洗裝置布置產(chǎn)生重要影響。

(1)壓力降的影響。為保證甲醇循環(huán)順利進行，部分上塔管線有阻力降要求，在布置時應(yīng)該考慮換熱器和塔之間的高差和間距，提升洗滌效果；

(2)兩相流的影響。甲醇通過閃蒸之后上塔時極易形成兩相流，造成管線振動，布置時應(yīng)盡量將閃蒸罐或閃蒸塔靠近下游解析塔的布置，避免管線過長、阻力降過大形成大量氣液夾帶。

(3)有工藝標高要求設(shè)備的影響。低溫甲醇洗區(qū)域酸性氣體(H2S)回收部分的換熱器和分離罐為滿足自流要求，均有標高要求，這一部分在設(shè)備布置時應(yīng)予以考慮。

(4)上下游裝置的影響。低溫甲醇洗裝置布置應(yīng)該結(jié)合廠區(qū)其它裝置位置進行調(diào)整，保證送出氣體位置與接收氣體裝置距離最短。

(5)繞管式換熱器布置的影響。繞管式換熱器是一種結(jié)構(gòu)緊湊的高效換熱設(shè)備，其結(jié)構(gòu)形式不同于傳統(tǒng)的管殼式換熱器， 具有管束補償性好、管內(nèi)的操作壓力高、可同時實現(xiàn)多股流的熱交換等優(yōu)點，近年來已被廣泛應(yīng)用于低溫甲醇洗裝置。繞管式換熱器一般立式布置在框架上，它的大量使用，可減少換熱器設(shè)備臺數(shù)、節(jié)省裝置占地空間、使布置更加緊湊和美觀，但會在一定程度上增加框架高度。

3 低溫甲醇洗裝置布置實例

設(shè)備布置是一個不斷優(yōu)化的過程，受廠區(qū)占地、氣候條件、檢修等多種因素影響；同時也要兼顧上下游工序的布置，既要布置合理，也要減少費用，實現(xiàn)占地最省和經(jīng)濟最優(yōu)化。按照工藝流程，通常將低溫甲醇洗主裝置劃分為熱區(qū)和冷區(qū)。其中，冷區(qū)包括吸收塔、中壓閃蒸塔(或閃蒸罐)、CO2產(chǎn)品塔、硫化氫濃縮塔等以及對應(yīng)的換熱器、分離器等；熱區(qū)包括熱再生塔、甲醇/水分離塔和尾氣洗滌塔等及對應(yīng)的換熱器和分離器等。循環(huán)氣壓縮機和甲醇罐區(qū)可結(jié)合廠區(qū)實際情況和業(yè)主要求進行布置，對典型布置不單獨進行闡述。

(1)方案一。低溫甲醇洗裝置工藝泵進行集中布置，其它工藝設(shè)備、塔等布置在泵房兩側(cè)，詳見圖1。

圖1 國內(nèi)某北方項目設(shè)備布置示意圖

該布置便于對泵進行檢修、操作，將泵上方作為裝置內(nèi)管線穿行的管廊，利于管線穿行。按照工藝流程依次布置了三個框架，減少單個框架的高度。但是總的布置比較分散，框架占地面積較大，可能會使整個裝置面積超過10000 m3，給消防設(shè)置帶來一定難度；同時，泵房長度較長，會增加框架間管線穿行長度。該布置適用于廠區(qū)空間比較充足，且設(shè)備集中布置時造成框架高度過高而引起消防等級增加的情況。

(2)方案二。按照冷熱區(qū)將設(shè)備分開集中布置，分為兩個框架，詳見圖2。

圖2 國內(nèi)某南方項目設(shè)備布置示意圖

該布置按照冷熱區(qū)分開布置，將整個低溫甲醇洗框架分為兩個框架。塔布置在框架側(cè)面，與塔及工藝設(shè)備相關(guān)聯(lián)的泵布置在各自框架一層，外形尺寸較大的貧甲醇泵則布置在室外。該布置可節(jié)省裝置占地，提升框架利用率，框架內(nèi)設(shè)備集中布置，減少框架間管線穿行長度；但是會增加框架高度，管線穿行需通過裝置外管廊，會增加外管廊布置難度。該布置適用于廠區(qū)空間受限或框架部分布置時造成裝置總面積大于10000 m3的情況。

通過對比分析，方案一布置占地面積較大，管線長度較長，但減少了框架高度，降低了設(shè)備集中布置造成的框架過高、梁柱過大等帶來的土建成本；方案二布置較為集中、占地面積小，節(jié)省管線和占地成本，但會增加土建費用。因此，兩種布置方案各有利弊，布置時可結(jié)合現(xiàn)場實際情況和業(yè)主意見進行綜合考慮，通過優(yōu)化設(shè)備布置提升設(shè)計能力，達到最優(yōu)的性價比。

4 低溫甲醇洗布置的優(yōu)化

結(jié)合設(shè)備布置的基本原則，在后續(xù)布置時可以從以下三點進行優(yōu)化考慮：

(1)力爭布局緊湊，減少占地。未來煤化工裝置規(guī)模必然越來越大，如何在有限的空間內(nèi)使工序布置更為緊湊、合理，是廣大設(shè)計工作者必須不斷探索和努力的方向。首先，減少工序占地可以提升土地利用率，縮減征地成本；其次，設(shè)備集中布置便于集中操作檢修，在一定程度上縮短管線長度；再者，按照標準規(guī)范，可以避免占地面積過大帶來的消防問題。這是今后低溫甲醇洗裝置布置乃至所有裝置布置的一個發(fā)展趨勢。

(2)適當(dāng)預(yù)留改造空間，提升排放氣利用率，節(jié)能減排。在低溫甲醇洗工序，部分CO2含量較高的氣體會通過管線直接排掉，造成資源浪費并產(chǎn)生環(huán)境污染。如可能，在布置時應(yīng)預(yù)留CO2氣體回收利用的空間，例如：增加后送煤氣化作為粉煤輸送氣體，可大幅減少氮氣消耗，降低空分裝置負荷，起到節(jié)省能耗的作用。這需要在設(shè)計之初與工藝專業(yè)和業(yè)主進行確認，在最大程度上提升資源利用率。

(3)優(yōu)化框架結(jié)構(gòu)布置，提升框架空間利用率。布置時結(jié)合框架設(shè)備大小及實際布置特點，選擇合適的跨距；對于有工藝標高要求的設(shè)備，適當(dāng)進行錯層布置；對于設(shè)備管線不集中區(qū)域，可直接掏空等，通過調(diào)整布置，減少土建費用。

5 結(jié)語

目前，低溫甲醇洗技術(shù)廣泛運用于煤制甲醇、煤制合成氨、煤制天然氣、煤制油、煤制乙二醇、草酸醋等化工項目，使用前景可期[1]。其布置受到多方面因素的影響，包括：氣候、占地、工藝流程、總圖布置、業(yè)主要求等。作為設(shè)計者，應(yīng)進行綜合性考慮，不斷優(yōu)化，力爭做到經(jīng)濟合理、檢修方便、布置美觀。只有這樣，才能讓布置方案更合理，更加適應(yīng)現(xiàn)代煤化工發(fā)展的需要，提高自身能力和企業(yè)競爭力。