荒煤氣凈化環(huán)節(jié)中低溫甲醇洗工藝制冷方式的選擇

劉 暢，李繁榮，詹 信，安 帥

（中國五環(huán)工程有限公司，湖北武漢 430223）

低溫甲醇洗工藝（Rectisol）采用低溫甲醇作為溶劑脫除酸性氣體，對CO2、H2S和COS的吸收有很高的選擇性，對H2、CO等組分溶解極少。低溫甲醇洗工藝廣泛應用在國內(nèi)外合成氨、氣體凈化等裝置。當前普遍采用丙烯制冷或氨制冷工藝，提供低溫甲醇洗所需冷量。荒煤氣綜合利用項目中，原料氣中CO2分壓較低，甲醇循環(huán)量和氣提氮氣量較大，設備尺寸和能耗受制冷溫位影響，需要系統(tǒng)權衡制冷溫度和制冷介質(zhì)。

1 低溫甲醇洗工藝過程與冷量平衡

低溫甲醇洗工藝中，含CO2的富甲醇降壓閃蒸氣提再生時，CO2解吸的制冷效應使得系統(tǒng)達到該工藝的最低溫度。該低溫冷量被回收用于冷卻甲醇吸收劑。低溫甲醇溫度越低，CO2吸收率越高，就有利于獲得更低的系統(tǒng)溫度。系統(tǒng)的最低溫度受原料氣CO2濃度、甲醇循環(huán)量、解析初始溫度等因素影響，需要統(tǒng)籌考慮。

液態(tài)丙烯或者液氨制冷劑通過蒸發(fā)變成-40℃左右低溫氣體，所提供冷量主要用于平衡酸性氣吸收階段放出的熱量。通常在吸收階段，用內(nèi)部流股或者制冷劑蒸發(fā)制冷帶走吸收酸性氣產(chǎn)生的溶解熱。

焦爐煤氣是指用幾種煙煤配制成煉焦用煤，在煉焦爐中經(jīng)過高溫干餾后，在產(chǎn)出焦炭和焦油產(chǎn)品的同時所產(chǎn)生的一種可燃性氣體。由于可燃成分多，屬于高熱值煤氣或荒煤氣。長期以來，荒煤氣多用于燃燒發(fā)電或直接燃燒放空，其資源的有效利用一直是行業(yè)難題?；拿簹庵泻琀2和CO含量較高，分離提取后可用于合成氨、乙二醇等項目?；拿簹獾膬艋に囈紤]煤氣特點，最大程度節(jié)省投資、降低能耗，選取合適的凈化工藝。

本文以某荒煤氣能源綜合利用制乙二醇/合成氨為例，探討荒煤氣凈化環(huán)節(jié)中低溫甲醇洗工藝制冷方式的選擇。

2 工藝流程模擬

荒煤氣是混合物，其產(chǎn)率和組成因煉焦用煤質(zhì)和焦化過程條件不同而有所差異，本項目荒煤氣經(jīng)轉(zhuǎn)化和CO變換后組成，如表1所示，變換氣氣量為221 612m3/h，壓力2.25MPa（G）；未變換氣氣量為210 302m3/h，壓力2.35MPa（G）。

表1 原料氣組成

由表1可知，變換氣和未變換氣中CO2含量較低，總硫含量也較低。因此凈化工藝要求吸收能力強，溶劑循環(huán)量小，并且對硫有較高的選擇性和脫除率。先不考慮換熱網(wǎng)絡，利用Aspen plus軟件，熱力學方程選用PC-SAFT，吸收塔基于rate-based計算，建立裝置的全流程穩(wěn)態(tài)模型，研究洗滌塔吸收酸性氣過程中溶解熱及冷源匹配問題。如圖1所示。

圖1 工藝流程模擬

當設計工況的模擬結果與設計值接近時，可認為模型可用。本文重點對吸收塔的模擬值與設計值進行對比。

表2 變換氣洗滌塔模擬值與設計值的對比

從表2的對比結果可以看到，各組分的摩爾分數(shù)基本吻合，溫度也較為吻合。因此認為該流程模擬可以較為準確的描述工藝，可用于工藝優(yōu)化研究。

通過Aspen模擬計算，變換氣洗滌塔（從上往下依次為A～D）A和B段間富甲醇溫度為-40～-41℃，考慮生產(chǎn)運行波動，變換氣洗滌塔A和B段間富甲醇冷卻用冷源溫位建議在-42～-45℃，移走酸性氣吸收階段放出的熱量。

3 制冷方式和溫位優(yōu)化

低溫甲醇洗的冷量平衡涉及自冷效應、換熱網(wǎng)絡和功熱交換。需要結合工藝過程、換熱網(wǎng)絡和公用工程進行系統(tǒng)優(yōu)化。

夾點技術是目前應用較為廣泛的熱集成技術，將熱力學和系統(tǒng)工程相結合，對過程系統(tǒng)的能量進行優(yōu)化配置，提高系統(tǒng)的能量利用率。利用夾點技術設計換熱網(wǎng)絡時應遵循3個基本原則：①不應有跨越夾點的換熱；②夾點之上不應設置任何公用工程冷卻器；③夾點之下不應設置任何公用工程加熱器。

提取低溫甲醇洗裝置冷熱物流數(shù)據(jù)，利用Aspen Energy Analyzer軟件建立換熱網(wǎng)絡模型。由圖2公用工程復合曲線圖可知，最小加熱公用工程為5 861kW，最小冷卻公用工程為6 932kW。低溫甲醇洗的冷卻公用工程有循環(huán)冷卻水和制冷劑。制冷劑冷源溫位越低，傳熱推動力越大，有利于降低裝置投資，但是越低品味冷源需要消耗更多的壓縮軸功，需要系統(tǒng)優(yōu)化。如表3所示。

圖2 公用工程復合曲線圖

表3 低溫甲醇洗工序冷熱物流數(shù)據(jù)

續(xù)表

常用制冷劑主要有丙烯和液氨，其中丙烯的常壓沸點是-47.4℃，氣化潛熱是815kJ/kg，液氨的常壓沸點是-33.4℃，氣化潛熱是1263kJ/kg。丙烯制冷和氨制冷的工藝原理和工藝流程基本相同，只是物性有所差別。在滿足變換氣和未變換氣洗滌效果前提下，對比液氨和丙烯不同制冷溫度對應的冷凍站和低溫甲醇洗公用工程消耗，如表4所示。

表4 不同冷源溫位下公用工程消耗對比

-42℃液氨制冷冷源方案下公用工程消耗較高，而且如果氨蒸發(fā)溫度不能保證，運行效果就不好保證，操作上也有風險。采用-45℃丙烯制冷冷源方案，公用工程消耗較低，丙烯壓縮機實現(xiàn)起來較為容易，業(yè)績較多，操作風險低。另外項目現(xiàn)場無氨和丙烯制冷劑，上述制冷劑均需外購。綜合投資和公用工程消耗，采用-45℃丙烯制冷，滿足工藝冷源需求。

4 結束語

丙烯與氨制冷工藝，原理基本相同，對低溫甲醇洗的設備選型和能耗上各有特點。低溫甲醇洗制冷方式選擇，需要結合系統(tǒng)溫度需求，綜合考慮可利用的公用工程設置和冷劑的來源情況，進行能耗和投資對比，擇優(yōu)選定。