低溫甲醇洗系統(tǒng)冷量?jī)?yōu)化研究及應(yīng)用

文煥

（中國(guó)石化巴陵分公司，湖南岳陽(yáng) 414003）

低溫甲醇洗工藝是一種成熟的氣體凈化技術(shù)，廣泛應(yīng)用于大型合成氨、煤制甲醇、羰基合成、工業(yè)制氫等煤化工、石油化工領(lǐng)域，是利用甲醇在低溫下分步脫除工藝氣中的硫化氫及二氧化碳?xì)怏w。甲醇吸收CO2及H2S是一個(gè)放熱過(guò)程，釋放的熱量需要通過(guò)閃蒸氣及附加的氨冰機(jī)提供冷量等來(lái)維持系統(tǒng)冷量平衡。其冷量來(lái)源包括循環(huán)水冷卻、富甲醇低壓閃蒸解析CO2氣體產(chǎn)生冷量和液氨（丙烯）降壓閃蒸制冷等[1]。

巴陵分公司煤制合成氨裝置采用殼牌粉煤氣化技術(shù)，制備合格的粗煤氣，經(jīng)耐硫變換，將粗煤氣中大量的一氧化碳變換除去，獲得以氫和二氧化碳為主的變換氣，送往低溫甲醇洗單元進(jìn)行H2S及CO2脫除。經(jīng)低溫甲醇進(jìn)行吸收后合格的凈化氣一部分送往變壓吸附進(jìn)行氫氣提純，一部分送往甲烷化進(jìn)行含氧化合物的脫除后，與一定的氫氮?dú)馀浔群笤诎焙铣伤梢喊薄５蜏丶状枷聪到y(tǒng)耗能占合成氨綜合能耗的15%左右[2]，盡量減少低溫甲醇洗系統(tǒng)耗能對(duì)實(shí)現(xiàn)合成氨裝置節(jié)能降耗、降低生產(chǎn)成本、提高裝置競(jìng)爭(zhēng)力具有非常重要的意義。

1 低溫甲醇洗系統(tǒng)流程簡(jiǎn)介

煤制合成氨裝置采用魯奇低溫甲醇洗六塔工藝。來(lái)自一氧化碳變換單元的3.0 MPa、40℃變換氣，經(jīng)變換氣/凈化氣換熱器E-2201以及變換氣深冷器E-2202逐步降溫至7℃左右，進(jìn)入變換氣分離罐F-2201進(jìn)行氣液分離，將變換氣中自帶的飽和水進(jìn)行有效分離。分離后的變換氣經(jīng)變換氣/CO2/凈化氣繞管式換熱器E-2203降溫至–27.5℃以下送入硫化氫及CO2吸收塔進(jìn)行分段洗滌。充分利用低溫貧甲醇的高溶解性，將變換氣中攜帶的硫化氫與CO2氣體完全吸收后送往甲烷化及變壓吸附單元進(jìn)行后續(xù)處理。

飽和吸收的富甲醇及富CO2甲醇，送往H2S濃縮塔T-2203上塔及下塔，經(jīng)減壓閃蒸及氣提進(jìn)行CO2再生及H2S提濃。送往上塔的富甲醇經(jīng)減壓閃蒸出CO2氣體，經(jīng)CO2氣體分離罐F-2209進(jìn)行氣液分離。分離下的甲醇，連同污甲醇罐F-2204收集的其他排放甲醇送往熱再生塔T-2204進(jìn)行徹底再生。–55.3℃的低溫CO2氣體與7℃的變換氣進(jìn)行完全換熱后溫度提高至4℃，少部分送往CO2產(chǎn)品用戶，大部分直排大氣。送往T-2203下塔的富甲醇經(jīng)減壓氣提，進(jìn)行H2S濃縮，同時(shí)閃蒸出大量的低溫尾氣（CO2），通過(guò)上塔的富CO2甲醇進(jìn)行逆流洗滌，除去氣體中的硫化物。尾氣經(jīng)出口除沫器及分離罐F-2210進(jìn)行氣液分離后，–63.9℃的低溫尾氣一部分經(jīng)入T-2203塔下塔的氣提氮?dú)饣厥绽淞?，一部分?jīng)熱再生塔產(chǎn)生的酸性氣回收冷量，最終兩股尾氣溫度由–63.9℃提高至–10℃左右，再次經(jīng)循環(huán)水回水換熱器E-2223回收冷量后直排大氣。

變換氣經(jīng)低溫甲醇吸收洗滌后，氣體出CO2吸收塔T-2202的–55℃的低溫凈化氣經(jīng)變換氣兩級(jí)回收冷量后，溫度達(dá)到40℃后送往下一工序。在整個(gè)系統(tǒng)中主要通過(guò)甲醇的減壓閃蒸來(lái)為系統(tǒng)提供冷量，同時(shí)還設(shè)置了一套氨壓縮機(jī)（J-2501）系統(tǒng)來(lái)補(bǔ)充吸收過(guò)程中不夠的冷量。具體的流程見(jiàn)圖1。

2 低溫甲醇洗系統(tǒng)冷量來(lái)源

低溫甲醇洗系統(tǒng)中高位低溫冷量主要有減壓閃蒸的低溫CO2氣體、減壓閃蒸氣提產(chǎn)生的低溫尾氣、低溫凈化氣以及氨壓縮機(jī)制冷等四個(gè)來(lái)源。其中，–52℃的低溫凈化氣經(jīng)過(guò)兩級(jí)冷量回收溫度提高至40℃，送往后續(xù)處理單元；–63.9℃的低溫閃蒸尾氣經(jīng)氣提氮?dú)饧八嵝詺饣厥找徊糠掷淞亢?，未回收冷量則通過(guò)循環(huán)水換熱器E-2223被循環(huán)水帶走；–55.3℃的低溫CO2氣體，經(jīng)變換氣回收大部分冷量后，溫度達(dá)4℃進(jìn)行外送，同時(shí)分離后的–55.3℃的低溫甲醇送往熱再生塔。

3 低溫甲醇洗系統(tǒng)冷量損失原因分析

1）閃蒸尾氣排放溫度偏低

圖1 低溫甲醇洗工藝流程

裝置自2006年投產(chǎn)后，運(yùn)行過(guò)程發(fā)現(xiàn)H2S濃縮塔T-2203存在下塔浮閥結(jié)垢卡死、壓差大、高負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)下塔出現(xiàn)“泛塔”、酸性氣體甲醇夾帶量大等問(wèn)題，成為制約裝置高負(fù)荷運(yùn)行的瓶頸。2011年11月對(duì)該塔的下塔塔盤進(jìn)行整體更換改造，將浮閥塔盤改為固閥塔盤。改造后，下塔壓差減小，酸性氣體甲醇夾帶量下降。但系統(tǒng)尾氣流量增加，促使酸性氣/尾氣換熱器E-2214和氣提氮?dú)饫鋮s器E-2210無(wú)法完全回收尾氣的冷量，造成最終尾氣排放溫度偏低，實(shí)際排放溫度約為–20℃，最低達(dá)–30℃，而設(shè)計(jì)排放溫度為25℃。雖然通過(guò)E-2223能回收一部分冷量，但仍有大量冷量被尾氣帶走排空，一定程度上增大了輔助氨冰機(jī)J-2501的負(fù)荷；同時(shí)由于尾氣的排放溫度接近甚至低于尾氣管道材料的使用溫度下限（使用溫度下限為–20℃），存在較大的安全隱患。

2）低溫冷甲醇冷量未回收

原設(shè)計(jì)CO2氣體分離器F-2209分離出來(lái)的–55.3℃冷甲醇直接排入污甲醇罐F-2204，–55.3℃冷甲醇與系統(tǒng)內(nèi)排放的甲醇混合后經(jīng)污甲醇泵P-2207直接送入熱再生塔T-2204進(jìn)行熱再生，低溫冷甲醇未經(jīng)過(guò)冷量回收直接送往熱再生塔，造成該股低溫甲醇的冷量大量損失。此外，通過(guò)對(duì)回收的CO2氣體進(jìn)行分析檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，CO2氣體中夾帶的甲醇含量較高，最高達(dá)2 000 mg/L以上，也說(shuō)明系統(tǒng)甲醇跑損嚴(yán)重。

3）深冷器設(shè)備內(nèi)漏

變換氣深冷器E-2202在運(yùn)行過(guò)程中因設(shè)備材質(zhì)、設(shè)備焊接質(zhì)量等因素制約[3]，存在設(shè)備內(nèi)漏風(fēng)險(xiǎn)。若出現(xiàn)設(shè)備內(nèi)漏，高壓變換氣泄漏至氨側(cè)，易引起氨冷器換熱管結(jié)晶堵塞，引起換熱效率下降，冰機(jī)流道堵塞等問(wèn)題，制約裝置的高負(fù)荷安全生產(chǎn)。

4 優(yōu)化改進(jìn)措施及效果

1）增加變換氣/尾氣/CO2氣繞管式換熱器E-2204

針對(duì)T-2203有大量冷量被尾氣帶走排空的問(wèn)題，利用2017年4月大檢修期間，增加一臺(tái)變換氣/尾氣/CO2氣繞管式換熱器E-2204，將H2S濃縮塔T-2203主要再吸收段減壓閃蒸出的低溫尾氣取一股與入低溫甲醇洗單元的變換氣進(jìn)行一次深冷交換，與變換氣深冷器E-2202并聯(lián)，見(jiàn)圖2虛線部分，最終控制變換氣出口總管溫度達(dá)到7℃左右。

圖2 改造后的低溫甲醇洗工藝流程

改造后，E-2202負(fù)荷降低了約65%，尾氣外排溫度由–20℃提高至10℃左右；外排的4℃的CO2產(chǎn)品氣經(jīng)進(jìn)一步回收冷量后，最終排放溫度提高至16℃左右，回收閃蒸氣（尾氣、CO2）中的低溫冷量為1 163 kW，節(jié)約配套氨冰機(jī)J-2501中壓蒸汽消耗約2.8 t/h，達(dá)到了降低配套氨冰機(jī)J-2501負(fù)荷的目的。

2）增加低溫甲醇泵P-2210

針對(duì)–55.3℃的低溫冷甲醇未經(jīng)過(guò)冷量回收直接送往熱再生塔，造成低溫甲醇的冷量大量損失的問(wèn)題，增加一臺(tái)低溫甲醇泵P-2210，將分離下的冷甲醇提壓回收至T-2203下塔塔底，與貧甲醇完全換熱后，回收冷甲醇的冷量后再送至熱再生塔T-2204進(jìn)行熱再生，見(jiàn)圖2。

改造后，P-2210正常流量以1 t/h計(jì)算，冷甲醇溫度從–55℃上升至90℃，每小時(shí)可回收約1.465 TJ的冷量，相當(dāng)于氨冰機(jī)每小時(shí)降低約0.78 t的中壓蒸汽消耗。

3）更新E-2202換熱器，并對(duì)盤管材質(zhì)進(jìn)行升級(jí)

針對(duì)變換氣深冷器E-2202在運(yùn)行過(guò)程中內(nèi)盤管容易出現(xiàn)內(nèi)漏的情況，更新一臺(tái)E-2202換熱器，并將盤管材質(zhì)升級(jí)為316 L，同時(shí)2017年4月檢修增加的一臺(tái)繞管式換熱器E-2204，低負(fù)荷情況下可完全取代現(xiàn)有變換氣深冷器E-2202，利用–63.9℃的低溫閃蒸尾氣以及4℃的CO2氣體冷量，替代或部分替代現(xiàn)有氨冷器E-2202氨閃蒸制得的冷量，實(shí)現(xiàn)在線切出檢修，避免裝置大幅度降負(fù)荷或非計(jì)劃停工。

以上優(yōu)化改進(jìn)措施實(shí)施后，低溫甲醇洗系統(tǒng)冷量得到了有效利用，外排尾氣溫度提高至設(shè)計(jì)值，解決了設(shè)備及管線超設(shè)計(jì)溫度運(yùn)行的安全隱患，實(shí)現(xiàn)了裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行。低溫甲醇洗系統(tǒng)改造前后運(yùn)行參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 低溫甲醇洗系統(tǒng)改造前后運(yùn)行參數(shù)對(duì)比

5 結(jié)論

H2S濃縮塔T-2203閃蒸尾氣排放溫度偏低、低溫甲冷甲醇未經(jīng)過(guò)冷量回收直接送往熱再生塔以及變換氣深冷器在運(yùn)行過(guò)程中存在的設(shè)備內(nèi)漏導(dǎo)致煤制合成氨裝置低溫甲醇洗系統(tǒng)冷量損失，制約裝置高負(fù)荷安全生產(chǎn)。采用繞管式換熱器與現(xiàn)有變換氣深冷器E-2202并聯(lián)使用后，變換氣深冷器負(fù)荷降低了約65%，尾氣外排溫度由–20℃提高至10℃以上，外排CO2氣溫度由4℃提高至16℃左右，配套氨冰機(jī)中壓蒸汽消耗節(jié)約2.8 t/h。通過(guò)增加一臺(tái)冷甲醇回收泵，將甲醇提壓回收至H2S濃縮塔下塔塔底，回收冷甲醇的冷量后再送至熱再生塔進(jìn)行熱再生，冷甲醇溫度從–55℃上升至90℃。新增1臺(tái)換熱器取代現(xiàn)有變換氣深冷器，可避免設(shè)備內(nèi)漏引起的裝置降負(fù)荷或非計(jì)劃停工。