低溫甲醇洗工藝流程優(yōu)化研究

劉 莎

(北京石油化工工程有限公司 西安分公司，陜西 西安 710075)

隨著大型煤化工的發(fā)展，低溫甲醇洗具有氣體凈化度高、能耗低且工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)在煤化工行業(yè)的氣體凈化中有了廣泛的應(yīng)用：如煤制甲醇、煤制合成氨、煤制油及煤制天然氣等領(lǐng)域。低溫甲醇洗自上世紀(jì)50年代開發(fā)至今，流程已經(jīng)相當(dāng)成熟，目前國內(nèi)低溫甲醇洗裝置主要以林德、魯奇等工藝居多。近幾年，隨著國內(nèi)對低溫研究的深入，低溫甲醇洗已經(jīng)完全可以做到國產(chǎn)化，但在小規(guī)模應(yīng)用較多，大規(guī)模的仍以國外引進(jìn)技術(shù)居多[1]。

隨著低溫甲醇洗技術(shù)的成熟，低溫甲醇洗的能耗及投資成為衡量工藝優(yōu)劣的主要指標(biāo)，本文通過對低溫甲醇洗流程的研究，對低溫甲醇洗流程進(jìn)行了優(yōu)化，應(yīng)用PROII軟件模擬對其進(jìn)行對比分析[2]，數(shù)據(jù)模擬基礎(chǔ)是30萬t/a甲醇規(guī)模。

1 低溫甲醇洗流程及原理

低溫甲醇洗是一種典型的物理吸收方法。根據(jù)粗煤氣中CO2、H2S、COS等雜質(zhì)在低溫條件下極易溶解于甲醇，而CO、H2等有效氣體溶解度很小，利用這一特點(diǎn)，在低溫高壓條件下吸收酸性氣體，再在高溫低壓環(huán)境下進(jìn)行解吸，再生的甲醇實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，達(dá)到最好的氣體凈化效果和效益。

低溫甲醇洗的工藝流程為多段吸收和多段解吸，可分為：主洗部分，閃蒸回收有效氣，硫化氫濃縮，熱再生，甲醇水分離及尾氣洗滌六部分，尾氣洗滌主要滿足環(huán)保要求。

2 主洗流程的優(yōu)化

圖1 氮?dú)馄岚胴氁毫鞒毯唸D

低溫甲醇洗按洗液的不同可以分為全貧液流程和半貧液流程，最早以全貧液流程為主，新上的裝置以半貧液流程為主，主要是因?yàn)榘胴氁旱囊虢档土讼到y(tǒng)溫度，系統(tǒng)溫度的降低，意味著系統(tǒng)冷量消耗的減少，公用工程的減少，以及配套低溫甲醇洗冷凍站規(guī)模的減小。

本文對半貧液流程進(jìn)行兩方面優(yōu)化：①將半貧液流程中的半貧液在汽提塔中用一小股氮?dú)膺M(jìn)行汽提，②氮?dú)獠恢苯舆M(jìn)入硫化氫濃縮塔，而是通過循環(huán)氣預(yù)冷后進(jìn)入硫化氫濃縮塔，這樣雖然循環(huán)氣壓縮系統(tǒng)的循環(huán)水消耗增加了，但是回收了更多的低品位冷量，外部補(bǔ)充的-40℃的冷量減少。流程圖見圖1，圖中的虛線部分為半貧液的氮?dú)馄岵糠?，常?guī)的半貧液流程沒有氮?dú)馄崴?，直接進(jìn)入主洗塔。

筆者對相同氣量的合成氣應(yīng)用半貧液流程和氮?dú)馄岚胴氁毫鞒逃肞ROII進(jìn)行了流程模擬，在產(chǎn)品質(zhì)量相同的情況下，用PROII對半貧液流程和氮?dú)馄崃鞒踢M(jìn)行模擬，模擬的公用工程消耗模擬結(jié)果見表1。

表1 半貧液流程與氮?dú)馄岚胴氁毫鞒坦霉こ滔膶Ρ?模擬計(jì)算值)

由表1可以看出，優(yōu)化后的流程節(jié)約冷量8.1%，蒸汽及循環(huán)水等也有所減少，這是因?yàn)榈獨(dú)獾囊?，降低半貧液的溫度，?jīng)氮?dú)馄岷蟀胴毤状紲囟葹?75℃，這樣有利于降低系統(tǒng)溫度，溫度降低有利于降低系統(tǒng)的甲醇循環(huán)量，所以冷量消耗及公用工程消耗有所降低。

冷量的消耗是低溫甲醇洗的核心指標(biāo)，低溫甲醇洗的冷量來源一部分是來自于CO2解吸回收的系統(tǒng)閃蒸的冷量，另一部分來自于外部制冷設(shè)備提供的冷量，因此最大限度的回收冷量，在低溫甲醇洗有著至關(guān)重要的地位。

年操作時(shí)間以8000 h計(jì)算，優(yōu)化后的氮?dú)馄岚胴氁毫鞒棠旯?jié)約操作費(fèi)用見表2。

表2 氮?dú)馄岚胴氁毫鞒棠旯?jié)約操作費(fèi)用

注：-184 kW冷量，折電量102 kW，折循環(huán)水77.3 t/h。

由2表可以看出，氮?dú)馄岚胴氁毫鞒棠旯?jié)約操作費(fèi)用233.42萬元。

3 中壓閃蒸優(yōu)化

3.1 兩級(jí)中壓閃蒸

低溫甲醇洗流程中富甲醇要通過中壓閃蒸回收有效氣，傳統(tǒng)的低溫甲醇洗多為單級(jí)閃蒸，而兩級(jí)閃蒸的應(yīng)用不僅有利于提高有效氣(CO+H2)的回收率，同時(shí)有利于減少閃蒸循環(huán)氣中酸性氣(CO2+H2S)的含量，減少了壓縮機(jī)的功耗，一級(jí)閃蒸與二級(jí)閃蒸流程圖見圖2和圖3。

圖2 一級(jí)閃蒸流程圖

圖3 二級(jí)閃蒸流程圖

筆者利用PROII軟件對一級(jí)閃蒸及二級(jí)閃蒸進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果見表3。

表3 兩級(jí)閃蒸與一級(jí)閃蒸流程模擬結(jié)果(計(jì)算值)

由表3可以看出，CO2甲醇和H2S甲醇中總的有效氣(CO+H2)為69.96 kmol/h，一級(jí)閃蒸共回收有效氣64.20 kmol/h，回收率為91.77%，二級(jí)閃蒸共回收有效氣66.38 kmol/h，回收率94.88%，一級(jí)閃蒸循環(huán)氣中酸性氣(CO2+H2S+COS)的量為199.06 kmol/h，二級(jí)閃蒸循環(huán)氣中酸性氣的量為165.11 kmol/h，二級(jí)閃蒸比一級(jí)閃蒸減少了17.1%，循環(huán)氣中酸性氣的減少，有利于降低主洗塔的負(fù)荷。從閃蒸來講，提高閃蒸級(jí)數(shù)，有利于提高有效期回收率，減少酸性氣的濃度，但是閃蒸級(jí)數(shù)的增加，意味著需要增加設(shè)備投資和占地，可以看出增加一級(jí)閃蒸就需要增加兩臺(tái)閥和兩臺(tái)罐，同時(shí)也需要考慮壓縮機(jī)的復(fù)雜性，因循環(huán)氣壓縮本來就為兩級(jí)壓縮，所以增加一級(jí)對壓縮機(jī)設(shè)置影響不大，同時(shí)還減少了壓縮機(jī)負(fù)荷，由表3可以看出，二級(jí)閃蒸的壓縮機(jī)負(fù)荷減少了24.09%，壓縮機(jī)組循環(huán)水量減少30.77%。

年操作時(shí)間以8000h計(jì)算，二級(jí)中壓閃蒸流程較一級(jí)中壓閃蒸流程年節(jié)約操作費(fèi)用見表4。

表4 二級(jí)閃蒸流程年節(jié)約操作費(fèi)用

由表4可以看出，二級(jí)中壓閃蒸流程較一級(jí)中壓閃蒸流程年節(jié)約操作費(fèi)用45.83萬元。

3.2 用H2S甲醇洗滌閃蒸氣

由表1可以看出，閃蒸循環(huán)氣中有70%左右是CO2氣體，可以從H2S濃縮塔引入一小股濃縮后的H2S甲醇對閃蒸氣進(jìn)行洗滌，此股甲醇中基本不含CO2，這樣可以降低酸性氣中CO2的含量，流程圖見圖4，從圖4可以看出可以將兩個(gè)閃蒸罐集合成一個(gè)設(shè)備，節(jié)省占地，同樣，也可以將兩級(jí)閃蒸的四個(gè)罐子集合成一個(gè)塔。

圖4 中壓閃蒸氣洗滌流程

筆者對一級(jí)閃蒸的后氣體經(jīng)洗滌和不洗滌的流程用PROII進(jìn)行了模擬，結(jié)果見表5。

表5 有洗滌中壓閃蒸無洗滌中壓級(jí)閃蒸流程模擬結(jié)果(計(jì)算值)

由表5可以看出，有洗滌的中壓閃蒸有效氣的總量和無洗滌流程基本一樣，但是有洗滌流程酸性氣中CO2的量由196.72 kmol/h減少到130.72 kmol/h，減少了33.55%，壓縮機(jī)功耗減少了21.65%，壓縮機(jī)的循環(huán)水使用量也相對減少，從H2S濃縮塔來的甲醇中CO2基本被完全汽提出來，進(jìn)入閃蒸系統(tǒng)可以吸收閃蒸氣中的CO2。

年操作時(shí)間以8000 h計(jì)算，有洗滌中壓閃蒸流程較無洗滌中壓閃蒸流程節(jié)約操作費(fèi)用見表6。

表6 有洗滌流程年節(jié)約操作費(fèi)用

由表6可以看出，有洗滌流程較無洗滌流程年節(jié)約操作費(fèi)用40.35萬元。

4 結(jié)論

本文對優(yōu)化流程進(jìn)行PROII模擬計(jì)算，得出如下結(jié)論;

(1)氮?dú)馄岚胴氁毫鞒痰膬?yōu)化使冷量降低了8.1%，蒸汽消耗降低了22%，大大降低了年操作費(fèi)用。對于新建裝置可降低低溫甲醇洗裝置配套冷凍站的規(guī)模，此方案也可應(yīng)用到傳統(tǒng)裝置的擴(kuò)能改造中，在不需要增加外加冷量的情況下達(dá)到低溫甲醇洗操作彈性的增大。

(2)兩級(jí)閃蒸比一級(jí)閃蒸不僅多回收了有效氣，同時(shí)也減少了循環(huán)氣中酸性氣的量，有利于提高有效氣的回收率，減少壓縮機(jī)功耗，年節(jié)約操作費(fèi)用45.83萬元。

(3)H2S甲醇洗滌循環(huán)氣可以在不降低有效氣回收率的情況下，減少了循環(huán)氣中的酸性氣，減少了壓縮機(jī)功耗，年節(jié)約操作費(fèi)用40.35萬元。

低溫甲醇洗發(fā)展至今流程已經(jīng)很成熟，如何優(yōu)化現(xiàn)有流程，降低公用工程消耗，是低溫甲醇洗工作的方向，也可以引進(jìn)節(jié)能設(shè)備，如液力透平應(yīng)用到中壓閃蒸中推動(dòng)泵，有利于節(jié)約電耗[3]；繞過換熱器的應(yīng)用，因其冷熱端溫差可達(dá)到3℃，換熱效率高，可以最高限度的回收系統(tǒng)的冷量，減少占地[4]；高效分離器應(yīng)用到尾氣洗滌塔、主洗塔等，不僅有利于減少系統(tǒng)中損失的甲醇，而且有利用減少尾氣中夾帶的甲醇霧滴，滿足環(huán)保要求。