NHD脫碳裝置工藝運(yùn)行總結(jié)

＊朱之明 馬名杰

（1.晉能控股裝備制造集團(tuán)天源山西化工有限公司 山西 048400 2.河南理工大學(xué) 河南 454150）

1.前言

山西晉煤天源化工有限公司（以下簡(jiǎn)稱天源公司）合成氨裝置中脫碳工序采用NHD脫碳工藝，設(shè)計(jì)處理氣量107562Nm3/h，隨著系統(tǒng)節(jié)能挖潛和氣化升級(jí)改造后，脫碳進(jìn)口氣量達(dá)到150000Nm3/h，出口工藝氣中CO2指標(biāo)由0.38%達(dá)到1.8%，嚴(yán)重影響后序雙甲精制工段的安全運(yùn)行。同時(shí)因凈化氣中CO2含量升高，在雙甲工段多消耗H2生成甲醇和水，浪費(fèi)了生產(chǎn)合成氨所需要的H2。為保證生產(chǎn)裝置安全穩(wěn)定達(dá)標(biāo)運(yùn)行，計(jì)劃對(duì)脫碳工段實(shí)施優(yōu)化改造。

2.優(yōu)化方案

(1)提高氣相運(yùn)行壓力

NHD溶液吸收CO2是一個(gè)典型的物理吸收過程，當(dāng)CO2在脫碳?xì)庵蟹謮翰桓邥r(shí)，CO2在NHD溶液中的平衡濃度符合亨利定律[1]即：Ci=Hi·Pi。氣相中CO2分壓可以按照道爾頓分壓定律進(jìn)行計(jì)算，即Pi=P·yi。提高脫碳進(jìn)口氣相壓力，CO2在NHD溶液中的溶解度增大，有利于原料氣中的CO2被吸收。根據(jù)物理吸收的這一特性，制定優(yōu)化方案如下：

①在日常操作中，嚴(yán)格執(zhí)行工藝指標(biāo)，穩(wěn)定脫碳系統(tǒng)壓力在2.95～3.05MPa之間。

②利用大修機(jī)會(huì)對(duì)脫碳裝置進(jìn)口原料氣分離器絲網(wǎng)、凈化氣分離器絲網(wǎng)、三相換熱器等靜設(shè)備進(jìn)行定期檢查清洗，降低脫碳裝置的阻力[2]，提高系統(tǒng)壓力。

從實(shí)際運(yùn)行效果看，提高吸收壓力，凈化氣出口CO2指標(biāo)能有效降低。

(2)降低入口氣體溫度

由于NHD溶液吸收變脫氣中的CO2物理吸收過程，其平衡溶解度隨著操作溫度降低而升高[3]。如圖1所示。

由圖1可以看出，NHD脫碳操作溫度越低，越有利于加大CO2吸收能力，進(jìn)入脫碳裝置的變脫氣溫度越低，帶入脫碳系統(tǒng)的熱量越少，對(duì)NHD溶液升溫影響越小。

圖1 溫度對(duì)NHD溶液吸收CO2能力影響圖

優(yōu)化方案與實(shí)施效果：在脫碳塔氣體進(jìn)口處增加一臺(tái)溴化鋰換熱器[4]，降低變脫氣進(jìn)脫碳進(jìn)口的溫度。該方案在年度檢修已經(jīng)實(shí)施，實(shí)施后進(jìn)口溫度由40℃降低至19℃，降溫效果明顯。

(3)降低NHD溶液溫度

基于NHD溶液在低溫下有利于吸收，并且要求溶液溫度在-2℃～-5℃，但在實(shí)際運(yùn)行過程中，一方面由于冰機(jī)冷凍負(fù)荷不足，導(dǎo)致溶液溫度長(zhǎng)時(shí)間在-3℃，沒有達(dá)到最佳吸收效果；另一方面氨冷器經(jīng)過十幾年運(yùn)行，殼側(cè)污垢較多，影響傳熱系數(shù)。

優(yōu)化方案與實(shí)施效果：利用年度大修，對(duì)冰機(jī)各段水冷器進(jìn)行了清洗，堵漏，提高氨壓縮機(jī)制冷能力。經(jīng)過檢修后脫碳貧液溫度能夠維持在-5℃。

利用大修停車檢修機(jī)會(huì)，對(duì)脫碳氨冷器進(jìn)行了化學(xué)清洗，開車前又用蒸汽進(jìn)行了蒸煮。殼側(cè)大量的硫膏及雜質(zhì)全部得到了清理，提高了換熱器的傳熱系數(shù)，降低了貧液溫度。優(yōu)化方案實(shí)施后，脫碳貧液溫度全年基本能夠保持在-5℃。

(4)降低NHD水含量

NHD溶液在吸收、解析再生過程中同時(shí)要吸收變脫氣、氣體空氣中的水蒸汽，隨著脫碳裝置運(yùn)行，NHD溶液中的水含量逐漸提高，當(dāng)溶液當(dāng)中水含量指標(biāo)≥5%（wt）時(shí)，NHD溶液吸收CO2的能力逐步下降，脫碳出口CO2指標(biāo)因NHD溶液吸收能力下降而上漲，影響脫碳裝置及后續(xù)工段的運(yùn)行。天源公司在2012年就發(fā)生過因脫碳液水含量上漲而被迫減量的工藝事故[5-6]。

優(yōu)化方案與實(shí)施效果：日常運(yùn)行時(shí)加強(qiáng)原料氣分離器和空氣分離器排水，減少帶入系統(tǒng)的水含量；利用大修機(jī)會(huì)對(duì)脫水系統(tǒng)進(jìn)行改造，提高脫水系統(tǒng)能力，降低溶液中的水含量。目前該項(xiàng)目已經(jīng)實(shí)施，NHD溶液中水含量保持在3.5%以下[7]。

(5)降低NHD溶液雜質(zhì)含量

脫碳裝置進(jìn)口氣體中含有微量的H2S，雖然NHD溶液本身沒有腐蝕性，但是隨著氣體中的H2S與碳鋼管道長(zhǎng)時(shí)間接觸而腐蝕生成FeS，這些硫化物顆粒會(huì)長(zhǎng)時(shí)間在溶液中存在，影響NHD溶液的純度，進(jìn)而影響溶液的吸收度[8]。

優(yōu)化方案與實(shí)施效果：在富液泵出口增加一臺(tái)陶瓷溶液過濾器[9]，降低溶液中的顆粒度和雜質(zhì)含量，過濾后的清液返回到溶液儲(chǔ)槽中。該方案實(shí)施后，溶液顏色由深黑色變成透亮的淡黃色，溶液質(zhì)量得到明顯改善。

(6)提高NHD溶液循環(huán)量

脫碳裝置在進(jìn)口氣量一定、操作溫度、操作壓力等工藝相同的條件下，脫碳出口CO2的指標(biāo)隨著液氣比增加而逐步降低液氣比對(duì)CO2的指標(biāo)的影響入表1所示。

表1 氣液比大小與NHD溶液吸收CO2能力表

一個(gè)裝置一旦建成，塔徑確定、填料類型和填料高度等基本的工藝條件確定后，為了確保脫碳裝置出口CO2的指標(biāo)，在日常操作中唯一可操作的就是提高裝置運(yùn)行過程中的液氣比，即增加溶液循環(huán)量。

優(yōu)化方案與實(shí)施效果：與泵廠家進(jìn)行溝通，通過對(duì)泵的葉輪進(jìn)行重新核算，增加貧液泵的打液量。同時(shí)為了應(yīng)對(duì)泵流量增加后對(duì)應(yīng)的電機(jī)功率超負(fù)荷的問題，增加能量回收裝置。該方案在年度檢修時(shí)已經(jīng)實(shí)施，溶液循環(huán)量由1050m3/h增加到1250m3/h，同時(shí)由于改進(jìn)了壓力能回收裝置，貧液泵電機(jī)功率降低了300kW·h，出口CO2指標(biāo)由1.8%降低到1.2%，改造效果明顯。

(7)更換新型脫碳塔填料

對(duì)于吸收塔來(lái)講，氣液兩相在填料層進(jìn)行傳熱與傳質(zhì)，對(duì)工藝指標(biāo)的達(dá)標(biāo)運(yùn)行起到了極其關(guān)鍵的作用。NHD溶液在-5℃的溫度條件下吸收CO2，氣液兩相傳質(zhì)傳熱速度緩慢，因此要求填料要具備較大的比表面積來(lái)完成傳質(zhì)過程。現(xiàn)有裝置塔內(nèi)共設(shè)置5段50#階梯環(huán)填料，每段填料高度均為7m。通過水力學(xué)計(jì)算得知，增加氣量后泛點(diǎn)率會(huì)增加，影響裝置運(yùn)行安全。

優(yōu)化方案與實(shí)施效果：采用天津大學(xué)專利產(chǎn)品ZUPAC-B新型填料[10]，該填料的波紋由不同平面四個(gè)以薄片相交形成，側(cè)向看為兩條交錯(cuò)的波紋形狀折線互相交錯(cuò)。填料上的小孔通道沿著平行四邊形均勻分布，取代了常見填料上的圓形通孔，在相同體積填料的條件下，其比表面積比現(xiàn)有裝置內(nèi)裝填的50#階梯環(huán)更大。

鑒于此種填料結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點(diǎn)，在氣液傳質(zhì)過程中，傳質(zhì)效率更高；因其開孔率大，使氣液接觸通量提高，脫碳塔、氣提塔壓降較其他填料低；其比表面積大的優(yōu)點(diǎn)，增加了氣液接觸面積，抗堵塞能力更強(qiáng)。

該項(xiàng)目利用檢修已經(jīng)實(shí)施，達(dá)到了預(yù)期的目的。

3.工藝優(yōu)化前后效果對(duì)比

由表2可以看出，通過提高脫碳?jí)毫?、增加溶液循環(huán)量、增加傳質(zhì)面積，降低脫碳塔入口氣液相溫度、提高脫碳溶液品質(zhì)等措施，最終實(shí)現(xiàn)脫碳出口CO2指標(biāo)下降到0.93%，達(dá)到＜1%的預(yù)期目標(biāo)。

表2 工藝優(yōu)化前后效果對(duì)比

4.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，脫碳系統(tǒng)通過采取系列措施，在生產(chǎn)負(fù)荷保持不變或者稍有增加的情況下，有效降低了脫碳出口二氧化碳指標(biāo)，進(jìn)一步驗(yàn)證脫碳裝置工藝優(yōu)化方案可行，各項(xiàng)數(shù)據(jù)達(dá)到了預(yù)期指標(biāo)。