液力透平泵在低溫甲醇洗工段的應用

楊 磊，吳勝軍，李丑平

(航天長征化學工程股份有限公司蘭州分公司 甘肅蘭州 730010)

液力透平是一種能量回收設備，主要利用廢熱、廢氣、余壓等資源，將這部分壓力能轉化為機械能，輔助電機做功，從而節(jié)省電能[1]。目前，國內外大型煤基合成氨、合成甲醇等項目的變換氣凈化工段廣泛采用低溫甲醇洗工藝[2]，其特點是循環(huán)甲醇在高壓下吸收H2S和CO2氣體，在低壓下解吸H2S和CO2氣體，造成高壓富液壓力能的損失。采用液力透平泵，可以對工藝系統(tǒng)的余壓進行有效回收，不僅節(jié)約能源，而且可為企業(yè)創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟效益，應用前景十分廣闊。

1 低溫甲醇洗工藝流程

1.1 工藝流程簡介

如圖1所示，變換氣(40 ℃、3.1 MPa)經(jīng)一系列換熱器降溫并分離水分后進入H2S吸收塔(T-01)，變換氣中全部H2S和部分CO2被來自CO2吸收塔(T-02)的富CO2甲醇液洗滌吸收，脫除H2S以后的變換氣進入T-02，在貧甲醇(-53 ℃、3.2 MPa)洗滌吸收下脫除所有的CO2，脫除CO2的凈化氣由T-02塔頂引出送后工段。

從T-01塔底出來的吸收了H2S和CO2的含硫甲醇富液經(jīng)閥(V-01)減壓至1.0 MPa后在中壓閃蒸塔(T-03)下部閃蒸出溶解的H2及少量CO2等氣體，從T-02塔底出來的富CO2甲醇溶液經(jīng)閥(V-02)減壓至1.0 MPa后在T-03上部閃蒸出溶解的H2及少量CO2等氣體，閃蒸氣經(jīng)壓縮后送入原料氣中回收有效成分。從T-03下部出來的富甲醇溶液送入CO2汽提/解吸塔(T-04)，富甲醇溶液在T-04上段閃蒸出大部分溶解的CO2，塔底得到的CO2含量和溫度均較低的富H2S甲醇溶液經(jīng)循環(huán)泵(P-01)加壓至1.8 MPa后送熱再生塔(T-05)。在T-05塔頂?shù)玫降腍2S含量較高的酸性氣送往后工段，再生的貧甲醇經(jīng)貧甲醇泵(P-02)加壓至5.3 MPa后送T-02循環(huán)使用，塔底含水甲醇廢液經(jīng)處理達標后排出系統(tǒng)。

圖1 低溫甲醇洗工藝流程

1.2 工藝流程改進

脫硫、脫碳工段是合成氨生產(chǎn)裝置的主要組成部分之一，對整個合成氨裝置的經(jīng)濟性有極其重要的影響[3]。由于脫硫和脫碳吸收塔通常在低溫、高壓(-50 ℃、3.1 MPa)下操作，而吸收后含有CO2和H2S的富甲醇溶液經(jīng)減壓閥降壓至1.0 MPa后進入再生系統(tǒng)，造成了高壓富液壓力能的損失，故采用液力透平驅動泵回收系統(tǒng)中穩(wěn)定的壓力能帶動甲醇循環(huán)泵做功，從而降低電耗，實現(xiàn)系統(tǒng)余能的回收利用。

改造以后的工藝流程如圖2所示。從T-01塔底出來的富H2S甲醇溶液通過液力透平泵，將壓力由3.0 MPa降至1.0 MPa后去T-03的下塔，這部分富余的壓力能輔助P-01電機做功，實現(xiàn)能量回收。同樣，從T-02塔底出來的富CO2甲醇溶液通過液力透平泵，將壓力由2.9 MPa下降至1.0 MPa后去T-03的上塔閃蒸，這部分富余的壓力能輔助P-02電機做功，實現(xiàn)能量回收。

2 液力透平驅動方式及性能參數(shù)

2.1 液力透平的結構和工作原理

液力透平是將液相流體中富余的能量轉換成機械能的動設備[4]，由轉子、定子、軸承體等部件組成。轉子即葉輪，是液力透平最主要的部件之一，安裝于透平軸上，設有沿圓周均勻排列的葉片。高壓液體通過葉輪時，流體沖擊葉片推動葉輪轉動，從而驅動透平軸旋轉，透平軸直接或經(jīng)傳動機構帶動其他機械輸出機械功。定子部件包括透平體和透平蓋，透平蓋安裝在透平體的兩側，透平體頂部為高壓液體吸入口和低壓液體排出口。軸承體部件由滾動軸承甲部件及滾動軸承乙部件兩部分構成，安裝在透平體的兩端，用螺柱固定在托架上。液力透平通過高壓液體驅動葉輪旋轉，在高壓液體轉變?yōu)榈蛪阂后w的過程中實現(xiàn)余能的回收利用，具有能量回收率高、結構科學合理、制造成本低、性能穩(wěn)定和節(jié)能效果顯著的特點。

圖2 改造后低溫甲醇洗工藝流程

2.2 液力透平驅動方式

目前，國內化肥企業(yè)采用液力透平驅動泵做功主要有如下2種配置方式[5]。

2.2.1 甲醇輸送泵+電機+超速離合器+液力透平

當液力透平輸出的功率不能完全達到甲醇輸送泵的功率時，常采用液力透平輔助電機做功的結構形式，如圖3所示。此種配置方式對甲醇輸送泵和液力透平的水力特性(揚程-流量特性曲線和軸功率-流量特性曲線)要求不高，電機與液力透平之間安裝超越離合器，即使在沒有足夠能量驅動液力透平的情況下，也能保證泵和輔助驅動裝置的穩(wěn)定操作；同時，可使液力透平的維修不影響泵的運轉?？傊?，超越離合器的應用使液力透平的操作具有極大的靈活性[6]。

圖3 液力透平輔助電機做功結構形式

2.2.2 甲醇輸送泵+液力透平

如圖4所示，甲醇輸送泵和液力透平僅通過聯(lián)軸器直聯(lián)，中間不設輔助電機。此種配置方式要求甲醇輸送泵和液力透平的水力特性(揚程-流量特性曲線和軸功率-流量特性曲線)必須匹配良好，否則機組不能安全穩(wěn)定運行。由于技術原因，目前國內液力透平制造企業(yè)還不能實現(xiàn)直聯(lián)方式，所以采用直聯(lián)機組的大中型化肥企業(yè)全部選用進口產(chǎn)品。此種配置方式雖然價格昂貴，但能量回收效率高，且機組可靠性好，能保證至少

圖4 液力透平直接驅動結構形式

連續(xù)運行1年。

2.3 性能參數(shù)

以600 kt/a合成氨項目中的貧甲醇泵為例，貧甲醇泵與液力透平操作參數(shù)如表1所示。

表1 貧甲醇泵與液力透平操作參數(shù)

由于低溫甲醇洗工段富甲醇溶液經(jīng)液力透平回收的功率較低，如貧甲醇泵液力透平回收的功率僅191 kW，不能滿足貧甲醇泵所需的功率(1 000 kW)，所以采用電機+液力透平的驅動方式，液力透平輔助電機做功以回收富余壓力能。

3 節(jié)能分析

同樣以600 kt/a合成氨項目為例，如表2所示，采用液力透平輔助電機做功，按省功19%[7]、年操作時間7 920 h/、電價0.55元/(kW·h)計，P-01通過液力透平每年回收功率7.5×105kW，P-02通過液力透平每年回收功率1.5×106kW，年節(jié)省電費124萬元。

表2 液力透平功率回收參數(shù)

4 結語

液力透平泵應用于低溫甲醇洗工段，實現(xiàn)工藝系統(tǒng)余壓的有效回收利用，不僅節(jié)約能源，而且可降低企業(yè)運行成本。對于600 kt/a合成氨項目，年節(jié)電2.25×106kW，年節(jié)省電費124萬元左右，經(jīng)濟效益十分顯著，應用前景廣闊。