膨脹機(jī)在酸性氣體脫除裝置中的應(yīng)用分析

馮亮杰

中石化寧波工程有限公司 寧波 315103

為了滿足煉廠日益增加的氫氣和燃料氣需求，近年來國內(nèi)新建的大型煉化一體化項目配套建設(shè)煤/焦制氣裝置生產(chǎn)氫氣和燃料氣。煤/焦制氣裝置以煤和石油焦為原料，經(jīng)過煤/焦氣化、CO變換和合成氣冷卻、酸性氣體脫除、氫氣提純等工段生產(chǎn)氫氣和燃料氣，氫氣送往煉油裝置作為加氫原料，燃料氣作為全廠燃料氣的補(bǔ)充氣源。

煉化一體化項目中配套的煤/焦制氣裝置氣化技術(shù)大多采用粉煤氣化技術(shù)和水煤漿氣化技術(shù)，其中粉煤氣化壓力為4.0MPa(G)，水煤漿氣化壓力一般選用4.0MPa(G)或6.5MPa(G)[1]，煤氣化產(chǎn)生的粗合成氣經(jīng)過凈化后壓力均在3.0 MPa(G)以上。較高壓力的氫氣對煉油裝置加氫是有利的，但燃料氣管網(wǎng)壓力一般在0.4～0.6 MPa(G)，多用于壓力要求不高的場合[2]，例如燃?xì)忮仩t采用微正壓燃燒[3]，煤/焦氣化產(chǎn)生的燃料氣需要減壓后送至下游用戶使用。燃料氣減壓設(shè)施可以采用減壓閥或透平膨脹機(jī)，已經(jīng)有文獻(xiàn)論證了膨脹機(jī)方案要優(yōu)于減壓閥方案[4]。本文主要對具體膨脹機(jī)在酸性氣體脫除裝置的設(shè)計方案進(jìn)行對比分析和研究。

1 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)組成及流程簡述

以國內(nèi)某大型煉化一體化項目為例，全廠需要煤/焦制氣裝置供應(yīng)18萬Nm3/h純氫，壓力7.0 MPa(G)，供應(yīng)12.8萬Nm3/h(以有效氣CO+H2計)燃料氣，壓力0.4 MPa(G)。煤/焦制氣裝置上游煤/焦氣化裝置采用6.5 MPa(G)的水煤漿氣化技術(shù)，粗合成氣分別經(jīng)過CO變換和合成氣冷卻后，送至酸性氣體脫除裝置脫硫脫碳，其中變換氣脫硫脫碳后作為粗氫氣送往氫氣提純裝置，純氫經(jīng)過壓縮機(jī)增壓至7.0 MPa(G)送往煉油裝置；非變換氣脫除酸性氣后經(jīng)膨脹機(jī)減壓后送往動力中心作為燃?xì)忮仩t的燃料，工藝流程簡圖見圖1。

圖1 煤/焦制氣裝置工藝流程簡圖

1.2 酸性氣體脫除裝置及燃料氣線流程簡述

酸性氣體脫除裝置的燃料氣線的工藝流程見圖2。

①非變換氣冷卻器I;②非變換氣冷卻器II；③非變換氣分液罐；④非變換氣吸收塔圖2 燃料氣線-工藝流程簡圖

來自上游合成氣冷卻裝置的非變換氣經(jīng)非變換氣冷卻器I和II換熱冷卻后，進(jìn)入非變換氣分液罐，分液后的氣相進(jìn)入非變換氣吸收塔進(jìn)行洗滌，將非變換氣中的H2S、COS、部分CO2及其它雜質(zhì)脫除，塔頂出來的凈化非變換氣(即燃料氣)經(jīng)過換熱升溫、減壓后送往下游鍋爐裝置。

1.3 原料及產(chǎn)品規(guī)格

酸性氣體脫除裝置-燃料氣線的原料氣即非變換氣，產(chǎn)品氣即燃料氣，規(guī)格見表1。

表1 原料及產(chǎn)品規(guī)格

2 膨脹機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的影響因素

由于下游燃?xì)忮仩t對燃料氣的硫含量和總熱值有要求，對CO2的含量無具體要求，酸性氣體脫除裝置脫除非變換氣中的硫即可，多余的CO2可以讓膨脹機(jī)做更多的功用于發(fā)電，同時提供更多的冷量，降低酸性氣體脫除裝置的能耗。但膨脹機(jī)的運(yùn)行與燃料氣的組成有關(guān)，尤其是與CO2、CH3OH含量關(guān)系最大，膨脹機(jī)在降溫過程中，CO2和CH3OH可能會結(jié)冰，導(dǎo)致膨脹機(jī)發(fā)生凍堵，影響工藝操作，造成安全隱患[5]。燃料氣中CO2和CH3OH的含量與膨脹機(jī)在酸性氣體脫除裝置的技術(shù)方案選擇有密切關(guān)系，包括如何選擇確定膨脹機(jī)的入口壓力和出口壓力、如何確定膨脹機(jī)的進(jìn)氣溫度和出氣溫度、膨脹機(jī)選用一級膨脹或者多級膨脹+中間復(fù)熱等。

2.1 CO2和甲醇冰點(diǎn)對膨脹機(jī)設(shè)置的影響

技術(shù)方案選擇的前提是避免燃料氣結(jié)冰，燃料氣中有結(jié)冰風(fēng)險的介質(zhì)是CO2和甲醇。不同壓力下CO2的冰點(diǎn)是不同的，目前有ChemicaLogic公司和GPSA兩種CO2溫壓曲線查詢CO2冰點(diǎn)，例如根據(jù)曲線查詢1000kPa壓力下，CO2的摩爾濃度為10%時，即CO2分壓100kPa，對應(yīng)的CO2冰點(diǎn)溫度-78℃。膨脹機(jī)在設(shè)置過程中進(jìn)出口溫度要高于CO2的冰點(diǎn)溫度15～20℃的安全范圍。

甲醇的冰點(diǎn)是固定的，根據(jù)GPSA-Gas Processors Suppliers Association，即《氣體加工工程數(shù)據(jù)手冊》提供的甲醇冰點(diǎn)是-97.8℃。從非變換氣洗滌塔送出的燃料氣中含有微量甲醇，約100ppmv，為了避免甲醇在膨脹機(jī)出口結(jié)冰，膨脹機(jī)出口溫度應(yīng)高于-97.8℃。

2.2 燃料氣中CO2含量對膨脹機(jī)系統(tǒng)的影響

保持燃料氣總有效氣(CO+H2)流量128000Nm3/h不變，假定膨脹機(jī)入口溫度25℃、入口壓力5.8MPa(G)、出口壓力0.6 MPa(G)不變，膨脹機(jī)的等熵效率取0.86，利用PROII模擬計算不同CO2含量下膨脹機(jī)出口溫度和軸功率，計算結(jié)果見表2。

表2 不同二氧化碳含量對膨脹機(jī)出口溫度的影響

從表2可以看出，隨著燃料氣中CO2含量的逐漸降低，膨脹機(jī)出口溫度隨之降低，當(dāng)CO2含量降至8%以下時，進(jìn)出口溫差趨于平穩(wěn)，此時CO2含量對出口溫度影響很小；隨著燃料氣中CO2含量的逐漸降低，膨脹機(jī)軸功率逐漸減小，膨脹機(jī)出口結(jié)冰的風(fēng)險逐漸減小。

2.3 膨脹機(jī)出口壓力對膨脹機(jī)系統(tǒng)的影響

保持燃料氣總有效氣(CO+H2)流量128000Nm3/h不變，假定CO2含量為8%、入口壓力5.8 MPa(G)、入口溫度25℃不變，膨脹機(jī)的等熵效率取0.86，利用PROII模擬計算不同出口壓力下膨脹機(jī)出口溫度和軸功率，計算結(jié)果見表3。

表3 不同出口壓力對膨脹機(jī)的影響

從表3可以看出，隨著膨脹機(jī)出口壓力逐漸降低，膨脹機(jī)出口溫度逐漸降低，膨脹機(jī)軸功率逐漸增加，但膨脹機(jī)出口結(jié)冰的風(fēng)險逐漸增加。

2.4 膨脹機(jī)入口溫度對膨脹機(jī)系統(tǒng)的影響

膨脹機(jī)的入口燃料氣可以從非變換氣洗滌塔塔頂、中間換熱器出口、出口換熱器處引出，溫度區(qū)間為-38.5℃～30℃。保持燃料氣總有效氣(CO+H2)流量128000Nm3/h不變，假定CO2含量為8%、入口壓力5.8MPa(G)、出口壓力2.0 MPa(G)不變，膨脹機(jī)的等熵效率取0.86，利用PROII模擬計算不同入口溫度下膨脹機(jī)出口溫度和軸功率，計算結(jié)果見表4。

從表4可以看出，隨著膨脹機(jī)入口溫度逐漸升高，其出口溫度升高，軸功率逐漸增大，同時出口結(jié)冰的風(fēng)險逐漸降低。

通過以上分析可知，燃料氣中CO2含量增加、膨脹機(jī)出口壓力降低對膨脹機(jī)做功有利，但膨脹機(jī)出口結(jié)冰的風(fēng)險也隨之增加；膨脹機(jī)入口溫度升高，對膨脹機(jī)做功有利，膨脹機(jī)出口結(jié)冰的風(fēng)險也隨之降低，但膨脹機(jī)需要與酸脫換熱網(wǎng)絡(luò)相匹配，膨脹機(jī)入口溫度只能在一個區(qū)間范圍內(nèi)升高。膨脹機(jī)在酸脫裝置的設(shè)置需要綜合考慮燃料氣中的CO2含量、膨脹機(jī)進(jìn)出口溫度、膨脹機(jī)出口壓力、以及與酸性氣體脫除裝置的匹配性，找到一個相對最優(yōu)的方案。

表4 不同入口溫度對膨脹機(jī)的影響

3 膨脹機(jī)系統(tǒng)方案對比分析

3.1 膨脹機(jī)系統(tǒng)技術(shù)方案

綜合上述分析，膨脹機(jī)在酸脫裝置中有多種組合，但考慮到工藝可行性，同時盡可能的讓膨脹機(jī)多做功多發(fā)電，經(jīng)過篩選有三種方案可供選擇：燃料氣只脫硫不脫碳方案(方案一)、燃料氣部分脫碳方案(方案二)、燃料氣精脫碳方案(方案三)。下面對三種膨脹機(jī)技術(shù)方案進(jìn)行對比分析。

(1)燃料氣只脫硫不脫碳方案(方案一)。來自合成氣冷卻單元的非變換氣經(jīng)過一系列換熱后被冷卻至-35℃進(jìn)入非變換氣吸收塔，采用制氫線的富CO2甲醇作為洗滌甲醇，將非變換氣中的總硫(H2S+COS)脫除至1ppmv，吸收塔塔頂出來的凈化非變換氣(即燃料氣)經(jīng)過換熱升溫后進(jìn)入膨脹機(jī)進(jìn)行等熵膨脹，減壓膨脹后的燃料氣經(jīng)一系列復(fù)熱送往下游燃?xì)忮仩t，膨脹機(jī)流程見圖3。

①非變換氣冷卻器I；②非變換氣冷卻器II；③非變換氣分液罐；④非變換氣吸收塔；⑥膨脹機(jī)一級；⑦膨脹機(jī)二級；⑧一級出口換熱器；⑨二級出口換熱器；⑩旁路調(diào)節(jié)閥；非變換氣冷卻器II；圖3 方案一 膨脹機(jī)流程簡圖

當(dāng)燃料氣只脫硫不脫碳時，采用制氫線的富CO2甲醇作為洗滌甲醇即可，脫硫后的燃料氣組成中含約16%(mol%)的CO2，膨脹機(jī)出口壓力0.6 MPa(G)時對應(yīng)的CO2冰點(diǎn)溫度為-79℃。考慮工程操作裕量，膨脹機(jī)出口溫度應(yīng)在CO2冰點(diǎn)溫度以上15～20℃的安全范圍。膨脹機(jī)采用兩級膨脹+中間復(fù)熱的方式，一級膨脹由5.8 MPa(G)減壓至2.5 MPa(G)，二級膨脹由2.465 MPa(G)減壓至1.2 MPa(G)，膨脹機(jī)詳細(xì)設(shè)置參數(shù)見表5。

(2)燃料氣部分脫碳方案(方案二)。工藝流程與方案一基本相同，區(qū)別在于方案二采用貧甲醇作為洗滌甲醇，對非變換氣既脫硫又脫除部分CO2，凈化后的燃料氣進(jìn)入膨脹機(jī)進(jìn)行等熵膨脹，膨脹機(jī)流程見圖4。

當(dāng)燃料氣既脫硫又脫部分碳時，需要采用貧甲醇作為洗滌甲醇，通過控制貧甲醇的洗滌量可以控制燃料氣中的CO2含量在1%～16%(mol%)范圍內(nèi)。經(jīng)過初步的分析，CO2含量在8%左右對膨脹機(jī)的設(shè)置是比較有利的，可以充分利用燃料氣的壓差，膨脹機(jī)采用兩級膨脹+中間復(fù)熱的方式，一級膨脹由5.8 MPa(G)減壓至1.8 MPa(G)，二級膨脹由1.765 MPa(G)減壓至0.6 MPa(G)，膨脹機(jī)詳細(xì)設(shè)置參數(shù)見表5。

(3)燃料氣精脫碳方案(方案三)。膨脹機(jī)流程簡圖見圖5。

①非變換氣冷卻器I；②非變換氣冷卻器II；③非變換氣分液罐；④非變換氣吸收塔；⑤丙烯深冷器；⑥膨脹機(jī)一級；⑦膨脹機(jī)二級；⑧一級出口換熱器；⑨二級出口換熱器；⑩旁路調(diào)節(jié)閥；圖4 方案二 膨脹機(jī)流程簡圖

①非變換氣冷卻器I；②非變換氣冷卻器II；③非變換氣分液罐；④非變換氣吸收塔；⑤丙烯深冷器；⑥膨脹機(jī)一級；⑧出口換熱器I；⑨出口換熱器II；⑩旁路調(diào)節(jié)閥；富甲醇換熱器圖5 方案三 膨脹機(jī)流程簡圖

該方案采用貧甲醇作為洗滌甲醇，對非變換氣既脫硫又脫碳，凈化后的燃料氣中CO2含量小于1%，膨脹機(jī)出口壓力0.6 MPa(G)時對應(yīng)的CO2冰點(diǎn)溫度為-109.5℃，該方案下CO2不易結(jié)冰，但為了避免甲醇結(jié)冰，膨脹機(jī)出口溫度不能低于-97.8℃。不同于其他兩個方案，該方案膨脹機(jī)采用一級膨脹即可，燃料氣壓力由5.8 MPa(G)減壓至0.9 MPa(G)，膨脹機(jī)設(shè)置參數(shù)見表5。

表5 膨脹機(jī)設(shè)置參數(shù)表

3.2 綜合對比分析

從工藝可行性、發(fā)電量、投資、消耗方面對膨脹機(jī)三種方案進(jìn)行分析對比，見表6。

表6 膨脹機(jī)綜合對比分析表

從上述對比表可以看出：

(1)在發(fā)電量方面：方案二要明顯優(yōu)于其他兩個方案，方案二可以向酸脫提供的冷量最多，配套制冷的規(guī)模最小。

(2)在冷量品位方面：三個方案出口溫度均低于-40℃，均可以代替冰機(jī)的冷量。

(3)在操作靈活性方面：方案一和方案二采用兩級膨脹+中間復(fù)熱，需要與制氫線的富甲醇充分換熱，否則會出現(xiàn)結(jié)冰的現(xiàn)象，膨脹機(jī)受制氫線的負(fù)荷影響較大，方案三采用一級膨脹，膨脹機(jī)流程相對簡單，通過自身負(fù)荷調(diào)節(jié)即可適應(yīng)不同的工況，操作相對靈活，方案三要優(yōu)于方案一和方案二。

(4)在消耗方面：方案一采用富甲醇作為洗滌甲醇，對非變換氣只脫硫，酸脫甲醇循環(huán)量小，所以酸脫的消耗較其他兩個方案低，方案二由于其膨脹機(jī)做功最多，向酸脫提供的制冷量也最多，配套的冰機(jī)的消耗低于其他兩個方案，綜合考慮酸脫和冰機(jī)的消耗，方案一與方案二相當(dāng)，優(yōu)于方案三。

(5)在投資方面：方案三由于采用一級膨脹，膨脹機(jī)設(shè)備投資低，但由于其脫碳率高，非變換氣吸收塔的投資高，同時由于提供的制冷量少，配套冰機(jī)的投資高，綜合考慮酸脫和冰機(jī)的投資，方案二和方案三相當(dāng)，優(yōu)于方案一。

通過以上分析可知，三個方案在工藝上均是可行的，同時又各具優(yōu)缺點(diǎn)，綜合考慮工藝可行性、操作靈活性、發(fā)電量、消耗、投資，方案二是一個相對最優(yōu)最經(jīng)濟(jì)的方案，即燃料氣脫碳至8%，膨脹機(jī)采用兩級膨脹+中間復(fù)熱的方式。

4 結(jié)語

不同壓力下CO2的冰點(diǎn)是不同的，燃料氣中CO2和CH3OH的含量與膨脹機(jī)在酸脫裝置中設(shè)置密切相關(guān)，需要從工藝流程設(shè)置上避免CO2和CH3OH在膨脹機(jī)進(jìn)出口結(jié)冰，膨脹機(jī)進(jìn)出口溫度要在冰點(diǎn)溫度以上15～20℃的安全范圍。燃料氣中CO2含量越低，對避免膨脹機(jī)結(jié)冰越有利，但高CO2脫除率意味著酸脫裝置需要更多的能耗；膨脹機(jī)入口溫度越高，膨脹機(jī)做功越多，但膨脹機(jī)入口溫度需要考慮與酸脫換熱網(wǎng)絡(luò)的匹配性，入口溫度只能在一個區(qū)間范圍調(diào)整；膨脹機(jī)出口壓力越低，做功越多，但出口溫度也越低，需要避免出口結(jié)冰。膨脹機(jī)在酸脫裝置的設(shè)置需要綜合考慮燃料氣中的CO2含量、燃料氣進(jìn)出口溫度、燃料氣出口壓力、與酸脫裝置的匹配性。

對于配套制氫和燃料氣的酸性氣體脫除裝置，采用燃料氣部分脫碳、膨脹機(jī)采用兩級膨脹+中間復(fù)熱的方案是相對最優(yōu)最經(jīng)濟(jì)的方案。膨脹機(jī)在酸性氣體脫除裝置中的設(shè)置方式很多，需要考慮的因素也很多，較難找到一個固定的流程設(shè)置，需要根據(jù)裝置的具體情況進(jìn)行具體分析。