對NHD脫碳工藝的優(yōu)化和創(chuàng)新

劉 佳，王素珍，郝啟剛

(1.上海電氣國控環(huán)球工程有限公司，山西 太原 030000；2.準格爾旗市場監(jiān)督管理局，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010399)

在山西晉豐煤化工有限公司(以下簡稱晉豐公司)“36·52”項目一期工程生產(chǎn)18萬t/a總氨、26萬t/a尿素工程設(shè)計中，采用NHD工藝脫除CO2氣體。NHD(多聚乙二醇二甲醚混合物)具有沸點高、冰點低、蒸氣壓低、揮發(fā)損失小的特點，對酸性氣體吸收能力高、熱化學(xué)穩(wěn)定性好、不起泡、降解低、無副反應(yīng)，對碳鋼設(shè)備無腐蝕、對人體生物環(huán)境無毒。其工藝投資少，溶液吸收能力大，故溶液循環(huán)量小，低壓下能保證凈化氣中CO2含量≤0.2%，能耗低，是一種很好的脫除CO2的工藝方法，在該項目中得到應(yīng)用。

該工藝為國內(nèi)自主開發(fā)，與國外selexol工藝相近，經(jīng)開車運行后發(fā)現(xiàn)仍有工藝和設(shè)備需進行優(yōu)化和創(chuàng)新，使該工藝更趨于合理和先進。

1 工藝流程

該工藝壓力為1.9MPa、溫度為40℃的變換氣經(jīng)流體換熱器換熱，變換氣降至10℃后進入脫碳塔，與NHD溶液在0～-5℃逆流接觸吸收變換氣中的CO2，凈化氣中CO2≤0.2%，回收冷量后送下工序；液體經(jīng)兩級閃蒸降壓后，經(jīng)富液泵泵送至氣提塔與風(fēng)機加壓的空氣逆流接觸，使NHD溶液達到再生，循環(huán)使用。NHD脫碳工藝見圖1。

圖1 NHD脫碳工藝注：1-流體換熱器；2-脫碳塔；3-高壓閃蒸槽；4-高閃分離器 5-低壓閃蒸槽；6-低閃分離器；7-富液泵；8-氣提塔；9-貧液泵；10-氨冷器；11-空氣鼓風(fēng)機；12-換熱器；13-解析分離器；14-空氣分離器。

2 工藝創(chuàng)新

2.1 增設(shè)能量回收透平工藝

吸收CO2后的NHD富液從1.9MPa降壓至0.6MPa，進入高壓閃蒸槽，降壓過程中的壓力沒有得到合理的利用，在減壓中需經(jīng)調(diào)節(jié)閥阻力達到減壓的目的，調(diào)節(jié)閥流通截面積小，易造成調(diào)節(jié)閥芯沖刷腐蝕、振動和壓力較難控制等問題。

一般情況下，規(guī)模較小的裝置都不回收此項壓力能，原因是回收能量小，設(shè)備葉輪直徑小，制造較困難。晉豐公司項目是國內(nèi)第一套大型化采用國內(nèi)NHD脫碳工藝的項目，NHD溶液循環(huán)量為900m3/h，壓力為1.9MPa，溫度為0℃，溶液循環(huán)量較大，壓差為1.3MPa，這些工藝條件在脫碳泵上增設(shè)渦輪機是可以實現(xiàn)的。

由電機驅(qū)動的脫碳泵來輸送NHD溶液，電機功率560kW，將渦輪機通過離合器安裝在驅(qū)動電機軸的另一側(cè)，液體高速進入渦輪機旋轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速與電機轉(zhuǎn)速相同時，離合器自動合上與電機運轉(zhuǎn)，這樣減小了電機功率，達到了節(jié)能降耗的目的。

2.2 取消富液泵、增設(shè)綜合塔

吸收工藝是加壓吸收、減壓再生，在過程中根據(jù)不同的物性在液體中溶解度不同和工藝需要不同的閃蒸，部分分離出不同的氣體。NHD脫碳工藝采用兩級閃蒸，即高壓閃蒸和低壓閃蒸，高壓閃蒸槽操作壓力為0.6MPa，閃蒸氣體主要為H2、N2、CO2等氣體，進入變壓吸附得以回收H2返回系統(tǒng)；低壓閃蒸槽操作壓力為10kPa，閃蒸氣體為≥96%的CO2氣體，用于尿素生產(chǎn)的原料氣；最后經(jīng)NHD富液泵送至氣提塔，空氣氣提再生后NHD循環(huán)使用。此工藝中設(shè)有富液泵Q=450m3/h、Δh=70m、電機功率為150kW，兩開一備。取消該富液泵可減少2×150kW的用電量。

高壓閃蒸槽操作壓力為0.6MPa，低壓閃蒸槽操作壓力為0.01MPa，氣提塔高度為50m，根據(jù)上述壓力，三者中有一定的壓差，有壓差可以實現(xiàn)設(shè)備間的位差。NHD液體密度約1.022，基本和水相當(dāng)，從0.6MPa的高壓閃蒸槽可直接送至高位的低壓閃蒸槽，提高高壓閃蒸槽+25m處，低壓閃蒸槽放在氣體塔上，液體入口高度為+60m，兩者位差約為35m，而高閃槽和低閃槽的壓差余量為0.6MPa-0.01MPa-(35×1.022/10×0.101)=0.228MPa，在可保證各種操作工況下，NHD富液提升至高位的低壓閃蒸槽，同時從安全生產(chǎn)角度考慮，高閃液體出口調(diào)節(jié)閥在停電、事故停車和儀表空氣斷氣情況下，調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機構(gòu)選用氣開型，遇到上述情況調(diào)節(jié)閥可關(guān)閉。

上述工藝的實現(xiàn)需改變高壓閃蒸槽和低壓閃蒸槽的結(jié)構(gòu)型式，一直沿用的臥式閃蒸槽，槽內(nèi)無任何增大閃蒸面積的措施，僅為液體表面閃蒸氣體；改為立式結(jié)構(gòu)后，內(nèi)部裝填3m的海爾環(huán)填料，增大了閃蒸比表面積，使閃蒸更為徹底，降低了溶液的殘?zhí)剂?，提高了脫碳塔凈化氣中CO2氣體的凈化度。

綜合考慮各種因素，實施中設(shè)計了兩個綜合塔。1#綜合塔為高壓閃蒸槽、解析氣分離器、空氣分離器、高閃氣分離器“四合一”設(shè)備；2#綜合塔為低壓閃蒸槽、氣體塔“二合一”設(shè)備。創(chuàng)新后NHD脫碳工藝見圖2。

圖2 創(chuàng)新后NHD脫碳工藝注：1-高壓閃蒸槽；2-高閃分離器；3-低壓閃蒸槽；4-低閃分離器；5-汽提塔；6-貧液泵；7-空氣引風(fēng)機；8-換熱器；9-調(diào)節(jié)閥；10-解析分離器；11-空氣分離器；12-水封。

2.3 氣體鼓風(fēng)改為氣體引風(fēng)

NHD脫碳是一個低溫操作工藝，任何外界輸入原料氣、空氣等物質(zhì)直接影響制冷系統(tǒng)的耗能，原工藝中氣體風(fēng)機采用鼓風(fēng)工藝，由于受空氣環(huán)境溫度、壓縮空氣的壓縮熱影響，雖經(jīng)換熱，溫度仍然較高，帶入系統(tǒng)的水含量較多，降低了溶液的吸收能力，使凈化氣中CO2指標(biāo)難以控制。同時正壓解析也使氣提塔中CO2分壓提高，不利于解析，造成NHD溶液中殘?zhí)剂刻岣摺?/p>

從上述分析中，提出將鼓風(fēng)改為引風(fēng)，降低CO2分壓，減少進入系統(tǒng)的水含量，變氣提塔為負壓再生，同時減少了引風(fēng)機的風(fēng)量約1/3，從而保證各項工藝指標(biāo)的實現(xiàn)。

氣提鼓風(fēng)改為氣體引風(fēng)，系統(tǒng)中都是負壓操作，需解決空氣溫度降低帶來凝液的排放、克服大氣腿才能連續(xù)排放，為此需提高分離器的布置，于前面方案一并考慮解決排凝液工藝。

3 設(shè)備優(yōu)化

3.1 三流體換熱器

一直沿用板式換熱器作為變換氣與凈化氣、CO2氣的換熱，由于1.9MPa的變換氣與1kPa的CO2氣體換熱，兩者壓差較大，而板式換熱器板厚僅為0.4mm，承壓能力較差，國內(nèi)許多企業(yè)發(fā)生爆炸，引發(fā)安全事故和生產(chǎn)停車。同時板式換熱器效率較高，但氣體流通截面積較小，系統(tǒng)阻力較大。

系統(tǒng)阻力和板式換熱器爆炸是影響生產(chǎn)的原因，阻力大應(yīng)增加流體截面積，防爆應(yīng)提高設(shè)備的承壓能力，板式已不適合這種工況。為此，選擇其他換熱器——波紋管換熱器，同時增大換熱管間距和折流板間距，通過提高流通截面積來解決。

3.2 氨冷器型式

沿用的立式氨冷器，其主要問題是氨走管程，液氨蒸發(fā)顯熱沒有很好利用，NHD溶液走殼程，NHD溶液循環(huán)量大，造成入口換熱管沖刷腐蝕。

實際中，采用了臥式氨冷器，交換兩種換熱介質(zhì)的走向，問題得以解決，也回收了氨蒸發(fā)的顯熱，效果更好(見圖3)。

圖3 優(yōu)化后氨冷器型式

3.3 脫水加熱器

脫水加熱器采用內(nèi)置式浸沒加熱，效率低，加熱蒸汽損耗大。實施中將浸沒式加熱器改為外置強制循環(huán)加熱，效果很好。

4 項目節(jié)能

4.1 節(jié)電

(1)取消富液泵，鼓風(fēng)機引為引風(fēng)機，可節(jié)電。

富液泵：2×150×85%=255kW·h/h

(2)引風(fēng)機減少風(fēng)量，由原風(fēng)機450kW減為380kW。

每小時節(jié)電量：450-380=70kW·h

(3)能量回收機節(jié)電：功率因數(shù)取85%，能量回收機效率取80%。

(4)噸氨節(jié)電：按小時25t氨計算：

(255+70+377)/25=28.08kW·h/t

4.2 鼓風(fēng)改引風(fēng)、氨冷立式改臥式

NHD噸氨耗冷41.8萬kJ/t，全系統(tǒng)升溫4℃，通過兩項措施，循環(huán)系統(tǒng)溫度降至3.4℃，降低0.6℃。

噸氨節(jié)能：41.8/4×(4-3.4)=6.27萬kJ/t

優(yōu)化和創(chuàng)新設(shè)計技術(shù)在NHD脫碳工藝中的應(yīng)用為國內(nèi)首次，通過晉豐公司的實際運行，得到了很好的驗證。裝置一次開車成功，無安全事故發(fā)生，降低了NHD脫碳的消耗，是一次成功的創(chuàng)新設(shè)計。隨著技術(shù)的發(fā)展，NHD還應(yīng)在變換氣預(yù)冷、降低氨冷氣入口溫度等方面去創(chuàng)新。