煤制合成氨低溫甲醇洗工藝優(yōu)化模擬研究

劉 暢，陳軍民2，李繁榮，孔秋生

(1.中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223；2.湖北省黃麥嶺磷化工有限責(zé)任公司，湖北 大悟 432818)

某煤制合成氨廠以煤為原料，采用6.5MPa(g)多噴嘴水煤漿氣化技術(shù)生產(chǎn)粗合成氣；粗合成氣經(jīng)一氧化碳耐硫變換、酸性氣體脫除、氣體精制、合成氣壓縮及氨合成工序生產(chǎn)產(chǎn)品氨。全廠主要工藝裝置包括空分裝置、煤氣化裝置、合成氨裝置、硫回收裝置、氨罐區(qū)和配套的火炬系統(tǒng)。

運(yùn)用Aspen Plus軟件，對(duì)低溫甲醇洗工藝進(jìn)行全流程模擬，根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析優(yōu)化、降低能耗，保證裝置長(zhǎng)周期、穩(wěn)定運(yùn)行。

1 工藝流程

酸性氣體脫除工序采用全貧液低溫甲醇洗工藝技術(shù)，主要包括原料氣冷卻分離、低溫甲醇吸收、H2S濃縮和N2氣提、熱再生和甲醇/水分離、尾氣水洗等單元系統(tǒng)，系統(tǒng)中由20多臺(tái)換熱器組成的換熱網(wǎng)絡(luò)用以回收冷量。

2 操作工況模擬

原料氣溫度40℃、壓力5.9MPa(a)、179 784Nm3/h，其組成見表1。采用Aspen Plus軟件，熱力學(xué)方程選用PC-SAFT，吸收塔基于rate-based計(jì)算，完成操作工況下的流程模擬[1]，對(duì)部分二元參數(shù)進(jìn)行修訂[2]。

表1 原料氣組成

當(dāng)操作工況的模擬結(jié)果與實(shí)際值接近時(shí)，可認(rèn)為模型可用，然后才能基于此對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行工藝優(yōu)化和改造。重點(diǎn)對(duì)吸收塔的模擬值與操作值進(jìn)行對(duì)比(見表2)。

從表2的對(duì)比結(jié)果可以看到，各組分的摩爾分?jǐn)?shù)基本吻合，密度偏差<3%，溫度也較為吻合。因此，認(rèn)為該流程模擬可以較為準(zhǔn)確地描述工藝，可用于實(shí)際長(zhǎng)周期、穩(wěn)定運(yùn)行的研究和工藝優(yōu)化。

表2 吸收塔模擬值與操作值的對(duì)比

3 工藝優(yōu)化研究

3.1 H2S濃縮塔和N2氣提塔優(yōu)化研究

H2S濃縮塔塔頂尾氣換熱復(fù)溫后被送入尾氣水洗塔，水洗合格后，經(jīng)PV閥就地排放。設(shè)計(jì)條件下通過調(diào)節(jié)PV閥門開度，維持H2S濃縮塔塔頂壓力為90kPa(g)、尾氣水洗塔塔頂壓力為30kPa(g)。實(shí)際運(yùn)行中控制H2S濃縮塔塔頂壓力為90kPa(g)，由于各換熱器和尾氣水洗塔壓降低于設(shè)計(jì)值5kPa(g)，尾氣水洗塔塔頂壓力達(dá)到35kPa(g)?？紤]將H2S濃縮塔操作壓力降低至85kPa(g)，尾氣水洗塔塔頂壓力為30kPa(g)，保證尾氣仍能正常排放，同時(shí)減少氣提N2用量。

在尾氣總硫含量滿足環(huán)保要求的前提下，降低H2S濃縮塔和N2氣提塔操作壓力，有利于降低CO2分壓，可節(jié)省1 200Nm3/h氣提N2用量。H2S濃縮塔全塔溫度分布降低約0.2℃。H2S濃縮塔和N2氣提塔優(yōu)化對(duì)比見表3。

表3 H2S濃縮塔和N2氣提塔優(yōu)化對(duì)比

3.2 熱再生塔和甲醇/水分離塔優(yōu)化研究

為滿足國標(biāo)50mg/Nm3排放要求，尾氣水洗塔用除鹽水洗滌尾氣中甲醇，洗滌水送甲醇/水分離塔回收甲醇?？紤]到實(shí)際運(yùn)行尾氣中甲醇含量低，可適當(dāng)降低尾氣水洗塔除鹽水用量，優(yōu)化操作熱再生塔和甲醇水分離塔，在滿足貧甲醇中水含量的前提下，達(dá)到降低系統(tǒng)能耗的目的。優(yōu)化模擬結(jié)果見表4。

表4 熱再生塔和甲醇/水分離塔優(yōu)化對(duì)比

由表4可知，降低尾氣水洗塔除鹽水量消耗，尾氣中甲醇含量稍有升高，仍滿足國標(biāo)要求。經(jīng)塔內(nèi)件廠家核算，尾氣水洗塔塔盤負(fù)荷性能正常。系統(tǒng)貧甲醇含量中水含量減少，有利于系統(tǒng)甲醇吸收CO2和H2S，保障系統(tǒng)長(zhǎng)周期、穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)降低了蒸汽消耗。

4 結(jié)語

借助Aspen Plus軟件，對(duì)PC-SAFT熱力學(xué)方程的二元參數(shù)進(jìn)行修訂，較為準(zhǔn)確地模擬低溫甲醇洗工藝。通過建立工藝流程模擬，對(duì)H2S濃縮塔和N2氣提塔、熱再生塔和甲醇/水分離塔進(jìn)行優(yōu)化，降低了系統(tǒng)運(yùn)行能耗，有助于系統(tǒng)長(zhǎng)周期、穩(wěn)定運(yùn)行。