低溫甲醇洗系統(tǒng)的節(jié)能改造

耍芬芬，張洋洋，徐嚴(yán)偉，顧朝暉，張洪輝

(1.河南心連心化肥有限公司 河南新鄉(xiāng) 453731；2.利歐〔大連〕工業(yè)泵技術(shù)中心有限公司 遼寧大連 116000)

河南心連心化肥有限公司原料結(jié)構(gòu)調(diào)整項(xiàng)目設(shè)計(jì)年產(chǎn)450 kt合成氨、800 kt尿素，其中脫硫、脫碳采用國(guó)內(nèi)先進(jìn)的低溫甲醇洗凈化技術(shù)。采用低溫甲醇吸收變換氣中的CO2和H2S時(shí)，壓力越高，越有利于CO2和H2S的脫除。吸收了CO2和H2S的含硫富甲醇液和僅吸收CO2的無(wú)硫富甲醇液通過(guò)減壓閥減壓后送入閃蒸罐，造成能量的嚴(yán)重浪費(fèi)。低溫甲醇洗系統(tǒng)的主要能耗在于機(jī)泵的電耗、低壓蒸汽消耗。液力透平泵是一種效率高、工作穩(wěn)定性好的能量回收裝置[1]，利用液力透平泵將減壓過(guò)程損失的壓力能轉(zhuǎn)換為液力透平的機(jī)械能，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)泵并代替系統(tǒng)中原有機(jī)泵工作，以減少低溫甲醇洗系統(tǒng)機(jī)泵的電耗，就可實(shí)現(xiàn)降低能耗的目的[2]。

1 液力透平泵的工作原理及布置方式

液力透平泵的工作原理是高壓液態(tài)工質(zhì)所具有的能量經(jīng)過(guò)透平時(shí)轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，流過(guò)葉輪時(shí)流體沖擊葉片推動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)透平軸旋轉(zhuǎn)，透平軸直接或經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)其他耗能設(shè)備輸出機(jī)械功[3]。

能量回收裝置有直趨式和輔助趨動(dòng)式2種基本布置方式，透平輸出功率大于負(fù)載功率時(shí)采用直驅(qū)式，透平是唯一動(dòng)力設(shè)備；透平輸出功率小于負(fù)載功率時(shí)采用輔助驅(qū)動(dòng)式，透平為第2動(dòng)力設(shè)備，與第1動(dòng)力設(shè)備共同驅(qū)動(dòng)負(fù)載設(shè)備[1]。

2 液力透平泵在低溫甲醇洗系統(tǒng)的應(yīng)用

河南心連心化肥有限公司低溫甲醇洗系統(tǒng)采用七塔流程，無(wú)硫富甲醇液和含硫富甲醇液在減壓過(guò)程中有大量能量浪費(fèi)，能量回收針對(duì)這2股物料進(jìn)行，其基本參數(shù)如表1所示。

表1 無(wú)硫富甲醇液和含硫富甲醇液基本參數(shù)

項(xiàng)目含硫富甲醇液無(wú)硫富甲醇液閥前壓力/MPa5.255.21閥后壓力/MPa1.751.75流量/(m3·h-1)218363相對(duì)密度0.9820.979溫度/℃-32.95-32.95

設(shè)計(jì)時(shí)，預(yù)留20～40 m3/h流量用于調(diào)節(jié)洗滌塔的液位，按透平效率71.5%計(jì)算，透平回收的能量由式(1)計(jì)算，無(wú)硫富甲醇液和含硫富甲醇液在不同旁路過(guò)液量時(shí)可回收的能量如表2所示，H2S濃縮塔塔底富甲醇液泵P1603和汽提塔塔底富甲醇液泵P1608的基本參數(shù)如表3所示，機(jī)泵軸功率由式(2)計(jì)算。

W=Q×ΔP×η/3.6

(1)

式中：W——透平回收功率，kW；

Q——流量，m3/h；

ΔP——壓差，MPa；

η——透平效率，取71.5%。

P=Q×H×γ/(367.2×η)

(2)

式中：P——軸功率，kW；

H——揚(yáng)程，m；

γ——介質(zhì)相對(duì)密度。

表2 無(wú)硫富甲醇液和含硫富甲醇液在不同旁路過(guò)液量時(shí)可回收的能量

旁路過(guò)液量/(m3·h-1)回收能量/kW含硫富甲醇液無(wú)硫富甲醇液201382363013122940124222

表3 P1603和P1608的基本參數(shù)

項(xiàng)目P1603P1608流量/(m3·h-1)300308溫度/℃-44.3331.62揚(yáng)程/m112160介質(zhì)相對(duì)密度0.8880.797效率0.70.7軸功率/kW116153

對(duì)比表2和表3數(shù)據(jù)可知，無(wú)硫富甲醇液可回收能量大于P1608軸功率，含硫富甲醇液可回收能量大于P1603軸功率，均可以采用直驅(qū)式能量回收裝置。無(wú)硫富甲醇液溫度約為-32 ℃，P1608輸送的介質(zhì)溫度為31.62℃，透平泵一體化設(shè)備目前無(wú)法通過(guò)密封防止溫度傳遞，故本次改造時(shí)暫不考慮無(wú)硫富甲醇液能量的回收。含硫富甲醇液與P1603輸送的介質(zhì)溫度相近，不必考慮溫度傳遞的影響，因此采用液力透平泵一體化設(shè)備回收含硫富甲醇液的能量驅(qū)動(dòng)機(jī)泵代替P1603，液力透平泵并入系統(tǒng)后的工藝流程如圖1所示。

圖1 液力透平泵并入系統(tǒng)后的工藝流程E1603.含硫甲醇氨冷器 V1602.含硫甲醇閃蒸罐 HV16204.減壓閥 LV16084.透平端進(jìn)口調(diào)節(jié)閥 LV16083.洗滌塔塔底液位調(diào)節(jié)閥 T1603.H2S濃縮塔 P1603.H2S濃縮塔塔底富甲醇液泵 S1602.富甲醇過(guò)濾器

透平泵投運(yùn)后，減壓閥HV16204完全關(guān)閉，透平端代替HV16204工作；P1603停運(yùn)，透平泵泵端代替P1603工作。

3 運(yùn)行效果

3.1 運(yùn)行參數(shù)

透平端進(jìn)口壓力4.10～4.30 MPa，透平端出口壓力約1.650 MPa，泵端進(jìn)口壓力約0.155 MPa，泵端出口壓力保持在1.00～1.20 MPa；轉(zhuǎn)速在2 800～3 000 r/min，泵端軸承溫度在16～25 ℃，透平端軸承溫度在47～60 ℃，泵端振動(dòng)值為0.71～1.00 mm/s，透平端振動(dòng)值在1.00～1.44 mm/s，軸承溫度和振動(dòng)值均在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)(軸承溫度<80 ℃，振動(dòng)值<7.10 mm/s)。

3.2 運(yùn)行中存在的問(wèn)題

透平端進(jìn)口調(diào)節(jié)閥LV16084壓力損失過(guò)大，LV16084閥前壓力在5.30 MPa左右，經(jīng)過(guò)LV16084后實(shí)際壓力在4.10～4.30 MPa，壓力損失達(dá)到1.00 MPa，造成能量損失。在透平端進(jìn)口壓力為4.20 MPa的情況下，泵端流量、揚(yáng)程仍可滿足工藝需求，但LV16083開(kāi)度較小，甲醇洗滌塔下塔液位調(diào)節(jié)余量較小。如果LV16084的壓力損失減小，透平的揚(yáng)程提高，透平端需要的流量減少，LV16083的開(kāi)度可增大。

3.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

透平泵投運(yùn)后，P1603停運(yùn)可節(jié)電131 kW，按年正常運(yùn)行300 d、電價(jià)0.6元/(kW·h)計(jì)，年可節(jié)省費(fèi)用約56.59萬(wàn)元。

4 結(jié)語(yǔ)

采用液力透平泵一體化設(shè)備回收含硫富甲醇液的能量驅(qū)動(dòng)機(jī)泵代替P1603工作，不影響原系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，軸承溫度、振動(dòng)值均在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)；項(xiàng)目節(jié)電效果明顯，年可節(jié)省費(fèi)用約為56.59萬(wàn)元。項(xiàng)目中存在的主要問(wèn)題是LV16084閥體選型較大，實(shí)際開(kāi)度小，造成1.00 MPa的壓力損失，導(dǎo)致能量浪費(fèi)。

根據(jù)液力透平泵一體化設(shè)備回收含硫富甲醇液的能量驅(qū)動(dòng)機(jī)泵代替P1603的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，考慮采用液力透平裝置回收無(wú)硫富甲醇液的能量驅(qū)動(dòng)機(jī)泵代替P1608。由于無(wú)硫富甲醇液和P1608輸送介質(zhì)溫度相差較大，透平端和泵端擬通過(guò)長(zhǎng)度大于1 m的聯(lián)軸器連接，以避免2股介質(zhì)之間的熱量傳遞。