國產(chǎn)大化肥脫碳單元工藝特點分析

李靖賢，楊兆宏，杜玉棟

（中國石油寧夏石化公司，寧夏銀川 750026）

早在2006 年中國石油集團(tuán)提出要在大型氮肥裝置成套技術(shù)開發(fā)方面實現(xiàn)突破，建設(shè)大型合成氨、尿素裝置，形成自己的大型化工能力和技術(shù)。經(jīng)過前期醞釀，2009 年決定，其整體的開發(fā)工作要在自主工藝技術(shù)的基礎(chǔ)上，與國內(nèi)外設(shè)計、研究單位合作開發(fā)，在寧夏石化分公司進(jìn)行工業(yè)建設(shè)。

2011 年由中國寰球工程公司完成工藝包開發(fā)編制，并通過集團(tuán)公司專家評審，作為寧夏45/80 大化肥項目初步設(shè)計的技術(shù)條件輸入。最終形成由中國寰球工程公司在消化吸收引進(jìn)裝置的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國石油寧夏石化公司的生產(chǎn)運(yùn)行和操作經(jīng)驗，自主開發(fā)的合成氨工藝技術(shù)，目前項目建設(shè)已進(jìn)入竣工驗收階段。

本項目合成氨部分，以天然氣為原料，轉(zhuǎn)化部分采用一、二段蒸汽轉(zhuǎn)化，變換部分采用高溫變換和低溫變換，MDEA 脫碳，設(shè)有甲烷化工序，氨合成壓力為15.5 MPa，冷凍系統(tǒng)為兩級氨冷，并設(shè)有氨和氫回收裝置，脫碳技術(shù)采用節(jié)能環(huán)保改良的MDEA 脫碳工藝，其具有脫碳低能耗和高CO2回收率的優(yōu)勢特點。

1 MDEA 脫碳單元流程介紹

來自變換工序的變換氣經(jīng)再沸器（E1601），第二除鹽水加熱器（E1609）回收熱量，溫度降至70 ℃后，在變換氣分離器（V1603）分離出凝液后，進(jìn)入CO2吸收塔（C1601）下段，大量二氧化碳在此段被MDEA 半貧液吸收，剩余二氧化碳在上段用MDEA 貧液吸收。脫除了二氧化碳的變換氣出塔前，在吸收塔的頂部，用脫碳系統(tǒng)冷凝下來的冷凝水洗下氣流中夾帶的微量MDEA 溶液。出吸收塔的凈化氣溫度為50 ℃、CO2含量<500 g/m3。經(jīng)凈化氣分離器（V1605）分離出水份后送到甲烷化工序。

自CO2吸收塔（C1601）下段引出的吸收了二氧化碳的富液，經(jīng)水力透平（HT1603）回收能量后，降壓到0.78 MPa 并送到中壓解吸塔（C1603），在此解吸出的大部分H2和極少量的CO2從塔頂引出，經(jīng)循環(huán)氣水冷器（E1612）水冷，并經(jīng)循環(huán)氣分離器（V1607）分離出凝液后，用脫碳循環(huán)氣壓縮機(jī)（K1601）加壓后，送回到CO2吸收塔（C1601）入口。

中壓解吸塔（C1603）塔底溶液進(jìn)一步減壓且送到低壓解吸塔（C1602），在0.17 MPa 下繼續(xù)閃蒸、解吸出大部分CO（2系CO2產(chǎn)品的一部分），剩余部分CO2則由熱再生塔（C1604）頂部得到。進(jìn)入低壓解析塔下部與本塔解吸的CO2一并送出，低壓解吸塔（C1602）塔頂?shù)玫降娜緾O2產(chǎn)品，經(jīng)CO2冷凝器（E1604）冷凝后，送到CO2分離器（V1604）分離出冷凝液后，得到0.17 MPa、40 ℃、純度約99.8 %（干基）的產(chǎn)品CO2送入尿素界區(qū)，多余的CO2放空。CO2分離器（V1604）分離出的冷凝液由泵P1605A/B 打到CO2吸收塔（C1601）、中壓解吸塔（C1603）及低壓解吸塔（C1602）塔頂，用以洗下氣流中所夾帶的微量MDEA 溶液。

低壓解吸塔（C1602）塔底排出的液體分成兩部分；一部分由半貧液泵（P1603A/B/C）加壓并作為半貧液送到CO2吸收塔（C1601）下段頂部作吸收溶液，另一部分由熱再生塔給料泵（P1602A/B）經(jīng)貧液/半貧液換熱器（E1608）加熱到102 ℃后送熱再生塔（C1604）頂部再生。

圖1 國產(chǎn)化天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氨流程脫碳單元流程簡圖

在熱再生塔（C1604）塔底，由再沸器（E1601）提供熱源，將溶液中的CO2解吸并從塔頂逸出，被送到低壓解吸塔（C1602），得到最后部分的CO2產(chǎn)品。再生后的貧液從塔底排出并送到貧液/半貧液換熱器（E1608A/B）與進(jìn)料半貧液換熱后，經(jīng)第一除鹽水加熱器（E1611）、貧液冷卻器（E1603）冷卻，冷卻后的50 ℃貧液經(jīng)貧液泵（P1604A/B） 加壓送到CO2吸收塔（C1601）上段頂部作吸收溶液，具體流程（見圖1）。

為防止 MDEA 溶液發(fā)泡，將由除泡劑系統(tǒng)（U1601），按需間斷加入除泡劑。

2 脫碳單元工藝特點

（1）MDEA 脫碳工藝是目前國內(nèi)最先進(jìn)的脫碳工藝，相對于目前普遍使用的低溫甲醇洗工藝，苯菲爾熱碳酸鉀工藝，具有流程短，操作簡單，安全、高效的特點。

（2）本裝置充分借鑒了中石油塔里木大化肥脫碳工藝（以下簡稱塔石化），該工藝是中國目前在運(yùn)的技術(shù)最先進(jìn)的大化肥裝置之一，再此基礎(chǔ)上寰球公司進(jìn)行改良，形成更為優(yōu)化的工藝布局，使其操作彈性更大，取得脫碳低能耗和高CO2回收率的良好效果。

（3）為回收能量，三臺半貧液泵（P1603）其中一臺是由水力透平（HT1603）驅(qū)動，一臺由電機(jī)驅(qū)動，一臺由中壓蒸汽透平驅(qū)動，充分考慮了最大限度轉(zhuǎn)化自身壓力能為動力能，平衡全廠蒸汽，節(jié)約能耗。

（4）與較高的一段轉(zhuǎn)化爐壓力（出口為4.05 MPa）流程相對接，脫碳單元吸收壓力相對同類裝置較高，吸收能力較好，對塔頂微量控制較好。

（5）主流程大型離心泵（P1603、P1602、P1604）出口采用自動循環(huán)閥控制最小流量，在泵出口閥流量正常后，最小回流自動關(guān)閉，出口流量低于最小流量時，最小回流閥自動打開，即保證了大型離心泵的運(yùn)行安全，又達(dá)到了節(jié)約動力消耗的目的。

（6）主流程大型離心泵（P1603、P1602、P1604）出口切斷閥采用動力控制，遠(yuǎn)程操作，保證了操作人員的安全，節(jié)約了人力成本。

（7）塔頂設(shè)計少量塔板（C1601 塔頂三塊，C1603塔頂三塊，C1602 塔頂兩塊），用CO2產(chǎn)品氣分離液進(jìn)行工藝氣的最終洗滌，最大限度保證了MDEA 溶液的消耗，獲得了較低的MDEA 溶液年損耗率（低于設(shè)計年損耗率5 %）。

3 與同類裝置比較優(yōu)勢

（1）與本公司化肥二廠相比較，采用了較高的吸收壓力，吸收能力增加，動力回收增加，工藝氣進(jìn)入脫碳單元吸收塔的設(shè)計壓力3.767 MPa，與塔石化一致（設(shè)計壓力3.782 MPa），高于本公司化肥二廠進(jìn)脫碳單元工藝氣壓力1.04 MPa（二廠設(shè)計壓力2.72 MPa），較高的吸收壓力，保證吸收塔頂部凈化氣微量可以控制在較低的水平。

目前塔石化脫碳單元產(chǎn)品CO2中H2含量為0.19 %，凈化合成氣中CO2含量為0.04 %，均控制在設(shè)計指標(biāo)之內(nèi)。本裝置與本公司化肥二廠相比，脫碳單元由于吸收壓力較高，將會獲得更低的循環(huán)量，更低的微量，水利透平獲得更多的動力能，更有利于裝置節(jié)能。

（2）與塔石化相比熱量平衡方面操作彈性加大，脫碳單元相對于塔石化，增加了一臺低壓蒸汽加熱器（E1621）,一臺水冷器（E1622）作為輔助調(diào)節(jié)手段，使整個操作單元的開車時間縮短（開車導(dǎo)氣熱量平衡時間短），在正常操作，異常工況處理中，冷量平衡有較大的操作彈性，更有利于裝置的穩(wěn)定、長周期運(yùn)行。

（3）與本公司化肥二廠相比較工藝流程更合理，與本公司化肥二廠相比較，化肥二廠合成氨脫碳單元采取雙塔流程，CO2吸收為一塔，脫碳液解析和再生集成為一塔，采用脫碳液全循環(huán)、再生流程，MDEA 貧液循環(huán)量在800 t/h。

本裝置與塔石化一樣，采用四塔流程，增加了氫氣閃蒸塔（C1603），氫損耗減少，解析塔與再生塔獨立設(shè)置，操作條件較好，采用脫碳液大流量內(nèi)循環(huán)（解析塔出來2 200 t/h 半貧液直接進(jìn)入吸收塔中部作主吸收液，吸收的CO2占進(jìn)塔CO2總量的67 %），小流量循環(huán)再生流程（解析塔出來440 t/h 貧液經(jīng)過再生、降溫后進(jìn)入吸收塔頂部作精吸收液，吸收的CO2占進(jìn)塔CO2總量的33 %），合理的流程布局更加適應(yīng)大化肥高負(fù)荷運(yùn)行要求，降低再生系統(tǒng)設(shè)備制造難度和再生能耗，解析塔設(shè)置到閃蒸塔頂部，增加液位高度，充分利用系統(tǒng)壓力能，達(dá)到節(jié)能目標(biāo)。

（4）與本公司化肥二廠同類裝置指標(biāo)控制相比較更加節(jié)能（見表1）。

從表1 中可知，單從設(shè)計方面計算國產(chǎn)化裝置比化肥二廠合成氣中CO2微量降低0.04 %在后續(xù)的甲烷化中節(jié)約的氫氣為316.15 m3/h。

197 599 m3/h×0.04 %×4=316.15 m3/h

每年因此而節(jié)約的氨產(chǎn)量為1 251 t 氨。

316.15 m3/h×24 h/d×330 d/2 000 m3/t 氨=1 251 t氨

（一分子的CO2甲烷化消耗4 分子的H2，未計算甲烷作為惰性氣在合成氨回路中排放馳放氣所損失的氫氮氣）。

從表1 中可知，單從設(shè)計方面計算國產(chǎn)化裝置比化肥二廠CO2產(chǎn)品中H2含量降低了0.56 %，由此而節(jié)約的氫氣為246.4 m3/h。

44 000 m3/h ×0.56 %=246.4 m3/h

每年因此而節(jié)約的氨產(chǎn)量為975 t 氨。

246.4 m3/h×24 h/d×330 d/2 000 m3/t 氨=975 t 氨

由此可見相對于化肥二廠，國產(chǎn)化裝置同等負(fù)荷下每年可多產(chǎn)2 226 t 氨。

表1 國產(chǎn)化裝置與化肥二廠裝置指標(biāo)控制參數(shù)

1 251 t 氨＋975 t 氨=2 226 t 氨

由于吸收壓力較高，操作彈性較大，相對于塔石化也有更好的微量控制優(yōu)勢，節(jié)能效益顯著。

（5）設(shè)備采購全部國產(chǎn)化，極大節(jié)約建造成本，隨著國內(nèi)裝備制造水平提高，絕大多數(shù)設(shè)備已經(jīng)可以進(jìn)行國內(nèi)生產(chǎn)制造。本裝置主要設(shè)備絕大多數(shù)實現(xiàn)國產(chǎn)化，是國內(nèi)第一家從工藝設(shè)計到設(shè)備制造國產(chǎn)化率最高的大化肥裝置，國產(chǎn)化率達(dá)到90 %以上，其中脫碳單元設(shè)備全部國產(chǎn)化，極大的節(jié)約了制造、運(yùn)輸成本。

4 結(jié)語

以塔石化裝置的實際運(yùn)行情況作為借鑒，隨著本裝置的成功投產(chǎn)，勢必會創(chuàng)造更大優(yōu)勢的低能耗大化肥產(chǎn)業(yè)。隨著脫碳工藝技術(shù)的廣泛應(yīng)用，及國內(nèi)工藝技術(shù)的極大進(jìn)步，在借鑒與整合的基礎(chǔ)上，國內(nèi)設(shè)計出更加優(yōu)化的工藝包，領(lǐng)先國外技術(shù)會越來越成為可能。本裝置脫碳工藝的設(shè)計比同類裝置的設(shè)計更有優(yōu)勢，已經(jīng)證明了這種可能性，相信在不遠(yuǎn)的將來，從設(shè)計到制造的100 %國產(chǎn)化大化肥裝置必將成功，走出國門。

［1］ 中石油寧夏石化公司. 中石油寧夏石化公司45/80 大化肥合成氨裝置工藝設(shè)計［G］.2009.

［2］ 中國石油塔里木大化肥裝置脫碳單元物料平衡、流程圖［G］.

［3］ 中石油寧夏石化公司化肥二廠，物料平衡、流程圖［G］.