林德低溫甲醇洗工藝冷量回收方案的探討

柏月波 周杰

(兗礦國宏化工有限責任公司山東鄒城273512)

林德低溫甲醇洗工藝冷量回收方案的探討

柏月波 周杰

(兗礦國宏化工有限責任公司山東鄒城273512)

2014年7月，兗礦集團在內蒙古鄂爾多斯市達拉特旗新建的榮信化工有限公司年產900kt甲醇項目正式投產，酸性氣脫除工序采用了德國林德公司的低溫甲醇洗工藝，工藝氣處理量為417682m3/h(標態(tài))。近年來，該低溫甲醇洗工藝在國內新建的項目中得到了廣泛運用，大有取代魯奇工藝的趨勢，其設計理念比較先進，尤其是在冷量回收方面尤為優(yōu)秀。但在非正常狀態(tài)下，林德工藝的應變措施卻比較少，甚至存在諸多生產安全隱患。比如在冷量分配方面，設計過于簡潔，操作彈性也比較小，在事故應急處理方面略顯不足。

1 冷量回收工藝流程

根據(jù)氣體在液體中被吸收放熱、解析吸熱的原理，在低溫甲醇洗系統(tǒng)中，CO2從甲醇中解析時會吸收大量熱量，從而可用于系統(tǒng)制冷。解析過程主要在中壓閃蒸槽(V02和V03)、低壓閃蒸槽(V04和V08)和低壓閃蒸塔(T02，T03和T06)及其他輔助設備中進行(圖1)。

圖1 冷量回收工藝流程

1.1中壓閃蒸槽(V02和V03)冷量回收

中壓閃蒸槽(V02和V03)均為臥式，操作壓力為1.0MPa，其中，V02用來解析來自吸收塔的富碳甲醇，V03用來解析來自吸收塔的富硫甲醇。V02解析產生的氣相冷量與V03解析產生的氣相冷量(9000m3/h)匯合后進入氣體壓縮機，經加壓后與變換氣匯合，此部分氣相冷量被用來克服氣體壓縮所產生的熱量，溫度由－22℃升高至45℃。隨著甲醇循環(huán)，V02的液相冷量被直接帶入V08，V03的液相冷量被直接帶入低壓閃蒸塔(T02和T03)。

1.2低壓閃蒸塔(T02，T03和T06)和低壓閃蒸槽(V08)的冷量回收

富碳甲醇由中壓閃蒸槽(V02)進入低壓閃蒸槽(V08)后，壓力由1.0MPa降低至0.2MPa，CO2解析產生的部分氣相冷量(15000m3/h)與由V03進入T02的富硫甲醇解析產生的氣相冷量(12000m3/h)混合，另一部分(13000m3/h)與T03一段所產生的氣相冷量(70000m3/h)混合。V08與T02混合的氣相冷量進入貧甲醇冷卻器(E03)殼程，部分冷量被貧甲醇回收，溫度由－56℃升高到－21℃，然后進入變換氣冷卻器(E02)管程，剩余的冷量被變換氣回收，溫度升高至28℃，水洗后排入大氣。V08與T03一段混合的氣相首先進入甲醇再冷器(E23)殼程，部分冷量被富甲醇回收，氣相溫度由－62℃升高至－21℃，隨后進入變換氣冷卻器(E02)管程，剩余的冷量被變換氣回收，溫度升高至28℃，水洗后排入大氣。V08和T02的液相冷量隨著甲醇循環(huán)進入T03一段。

V08的富碳甲醇、V03的富硫甲醇、T02的富硫甲醇在T03一段混合，操作壓力降至常壓，CO2解析產生的氣相冷量(70000m3/h)與V08產生的部分氣相冷量匯合。液相隨著甲醇循環(huán)，首先進入貧甲醇冷卻器(E08)殼程，部分冷量被貧甲醇回收，液相溫度由－62℃升高至－51℃，隨后進入富甲醇冷卻器(E06)殼程，部分冷量被富甲醇回收，溫度由－51℃升高至－29℃，然后進入富甲醇冷卻器(E07)殼程，剩余的冷量被富甲醇回收，溫度由－29℃升高至－14℃，最后進入T03二段。

T03二段的操作壓力為常壓，為了加強閃蒸效果，配置了汽提氮氣，在二段產生的氣相冷量(30000m3/h)直接進入T03一段。液相冷量隨著甲醇循環(huán)進入貧甲醇冷卻器(E09)和貧富甲醇換熱器(E19)，冷量被貧甲醇回收，溫度由－31℃升高至25℃，隨后進入低壓閃蒸塔(T06)。T06的操作壓力為常壓，同樣配置了汽提氮氣，以加強閃蒸效果。CO2解析產生的部分氣相冷量(26000m3/h)直接進入T03二段。液相冷量隨著甲醇循環(huán)進入貧富甲醇換熱器(E10)，冷量被貧甲醇回收，液相溫度由12℃升高至89℃，隨后進入熱再生塔(T04)。

2 存在問題分析

系統(tǒng)的冷量分配過程較為復雜，中間部分冷量可根據(jù)需要自由分配，但冷量的總量是固定的。德國林德公司所設計的此套系統(tǒng)在正常生產時運行非常穩(wěn)定，且冷量回收率很高，為節(jié)省投資，設備及管道所選用的材料都是剛好滿足正常使用條件。但各國生產模式及經營理念是有差異的，在國內，甲醇生產裝置并非一直保持滿負荷運行狀態(tài)，經常出現(xiàn)前系統(tǒng)半負荷運行，甚至1/4負荷運行，在此種非正常生產條件下，林德工藝的系統(tǒng)冷量分配方案將無法保證低溫甲醇洗全系統(tǒng)的運行。在生產過程中，存在以下問題。

(1)前系統(tǒng)由滿負荷改為半負荷運行時，進入低溫甲醇洗系統(tǒng)的變換氣流量由417682m3/h降至210000m3/h左右，為保證后系統(tǒng)甲醇合成的氫碳比要求，貧甲醇總流量由490000kg/h降至290000kg/h。在此工況下，系統(tǒng)冷量雖然在緩慢減少，但在短時間內還是很充足的，而系統(tǒng)的兩大熱源變換氣和貧甲醇卻在瞬間減少了很多，勢必造成系統(tǒng)溫度的失控。由此會帶來如下問題:富甲醇冷卻器(E07)負責利用吸收塔三段和四段的富甲醇回收T03一段的液相冷量。在正常情況下，吸收塔富甲醇的溫度由－5℃降至－28℃，T03液相溫度由－29℃升至－14℃。此時，吸收塔的富甲醇量只有原來的一半左右;另外，由于變換氣氣量的降低，導致吸收塔富甲醇的溫度急劇下降;同樣，因E06和E08的熱量減少，導致了T03液相到達E07時的溫度急劇下降，而E07及其附屬管道材質所能承受的最低溫度為－40℃，在此種工況下，將存在凍壞設備的危險。前系統(tǒng)負荷減半時E07后吸收塔富甲醇和E07前T03液相溫度統(tǒng)計(2014年8月16日)見表1。

表1 前系統(tǒng)負荷減半時吸收塔富甲醇出E07和T03液相入E07的溫度統(tǒng)計℃

由表1可以看出:前系統(tǒng)負荷減半后，在E07前T03液相溫度是持續(xù)下降的，在80min時間內由－28.9℃降至－38.6℃，已接近設備所能承受的最低溫度，且沒有停止下降的趨勢，為防止凍壞設備，采取了緊急停車處理。同樣的情況也存在于貧富甲醇換熱器(E19)和低壓閃蒸塔(T06)及其附屬管道上，所不同的是，此部分設備及其管道所能承受的最低溫度為－20℃。

(2)前系統(tǒng)負荷改變引起的冷量與熱量的失衡還會導致進入尾氣洗滌塔(T08)的溫度急劇下降，由于T08內的介質為水、壓力為常壓，當CO2尾氣溫度低于0℃時，極易引起塔盤和管道被冰凍堵塞，甚至凍壞設備。為此，德國林德公司作了如下設計:當入塔溫度低于5℃時，副線閥門聯(lián)鎖打開，與此同時，T08出口閥聯(lián)鎖關閉，這樣可確保T08的安全。但T08被短路后，尾氣中夾帶的甲醇將得不到回收而造成極大浪費。另外，甲醇中溶解的H2S及COS等有毒物質將被直接排入大氣中，造成環(huán)境污染。

3 改造措施

(1)E07殼程(T03液相所走路線)進、出口加副線(如圖1虛線所示)，依靠副線閥門開度調節(jié)T03液相進入E07的量，即使系統(tǒng)冷量與熱量失衡時，也可保證E07及其附屬管道的安全。但此種改造會將多余的冷量帶入T03二段，導致E19和T06及其附屬管道所承受的傷害更大。為此，在E09出口增加酸性氣冷卻器(E30)，依靠閥門開度調節(jié)T03二段液相進入E30的量(如圖1虛線框所示)。當溫度失控時可按如下操作:打開T03二段液相進入E30的入口閥，減少丙烯冷卻器(E17)的丙烯用量，必要時可減少酸性氣水冷器(E13)的循環(huán)水用量。由于酸性氣的溫度較高(91℃)，可輕易給T03二段液相升溫，同時酸性氣自身得到降溫。另外，由于減少了丙烯及循環(huán)水的用量，降低了消耗，提高了經濟效益。系統(tǒng)改造后，前系統(tǒng)負荷減半時經過適當調整操作的統(tǒng)計數(shù)據(jù)(2014年10月2日)見表2。

表2 系統(tǒng)改造后，前系統(tǒng)負荷減半時經過適當調整操作的統(tǒng)計數(shù)據(jù)℃

由表2可以看出:前系統(tǒng)負荷減半后，由于短時間內系統(tǒng)冷量過剩，T03一段液相到達E07前的溫度依舊呈下降趨勢，因此，關小進E07的閥門，并打開了副線閥，吸收塔富甲醇的溫度因此得到控制，最低溫度只有－27.2℃，保證了E07及其附屬管線的安全。T03一段液相的冷量帶到二段后，投用E30，并減少了丙烯和循環(huán)水的用量，T03二段液相的溫度同樣得到控制，最低溫度只有－8.3℃，保證了系統(tǒng)的正常運行。

(2)CO2尾氣進入T08前配0.5MPa蒸汽管線(如圖1虛線所示)，前系統(tǒng)負荷波動或者外界氣溫發(fā)生變化所引起的溫度失控都可用蒸汽所攜帶的熱量來補償。正常生產時，蒸汽閥門保持微開狀態(tài)，保證此股蒸汽處于熱備狀態(tài)，防止緊急情況下，由于冷凝液過多，短期內無法有效地提高CO2尾氣溫度。另外，CO2尾氣中的部分甲醇也會溶解在蒸汽中進入T08后，隨著脫鹽水進入塔釜，最后被一同送入甲醇水分離塔。

引進國外先進技術時，一定要考慮到生產模式及經營理念的差異，對于不適合國內生產環(huán)境的部分應及時進行改造。林德低溫甲醇洗工藝設計理念比較先進，尤其是在冷量回收方面，此部分的工藝流程也比較復雜。但其在換熱部分過于簡潔，與閃蒸部分的面面俱到形成了鮮明的對比，在系統(tǒng)負荷波動較大時，很難找到有效的應對措施。改造后，此套系統(tǒng)可隨意根據(jù)負荷作出相應的調整，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

2014－12－23)