不同操作壓力下低溫甲醇洗裝置能耗與投資分析

吳勝軍，尹俊杰

(航天長征化學工程股份有限公司蘭州分公司，甘肅 蘭州 730010)

低溫甲醇洗(Rectisol)是20世紀50年代初德國林德公司和魯奇公司聯(lián)合開發(fā)的一種氣體凈化工藝。國內(nèi)外大型煤制合成氨、合成甲醇、合成油等項目酸性氣體脫除工段廣泛采用低溫甲醇洗工藝。目前，世界上有一百多套工業(yè)化裝置，低溫甲醇洗工藝適合處理以煤等為原料氣化生成的氣體中CO2和硫化物的脫除。該工藝為典型物理吸收法，以低溫甲醇為吸收溶劑，利用甲醇在低溫下對酸性氣體溶解度極大的特性，脫除原料氣中酸性氣體[1]。

隨著國內(nèi)煤氣化、煤化工行業(yè)的快速發(fā)展，低溫甲醇洗工藝因其選擇性強、吸收效果好、氣體凈化度高、能耗低的優(yōu)勢應(yīng)用越來越廣泛[2]。目前，在煤化工領(lǐng)域，低溫甲醇洗裝置操作壓力因上游煤氣化裝置壓力的不同而不同，本文以120萬t/a甲醇項目分別采用4.0 MPa(g)和6.5 MPa(g)航天粉煤氣化技術(shù)配套低溫甲醇洗裝置為例，從工藝流程、凈化指標、甲醇循環(huán)量、能耗、裝置投資、設(shè)備布置等方面進行比較分析，為工廠新建煤化工項目方案配置及投資決策提供參考。

1 原料氣組成

以某120萬t/a甲醇項目為比較基準，4.0 MPa(g)和6.5 MPa(g)航天粉煤氣化配套低溫甲醇洗裝置入口原料氣組成見表1。

表1 原料氣組成

CO2、H2S等酸性氣體含量的高低對裝置甲醇循環(huán)量、能耗及投資影響較大，從表1看出，雖然氣化壓力不同，但低溫甲醇洗裝置入口原料氣組成基本一致，其中CO2含量相差約0.17%、H2S含量相差約2.56%，滿足裝置比較分析基準要求。

2 低溫甲醇洗裝置能耗與投資分析

2.1 工藝流程

不同操作壓力下低溫甲醇洗工藝的流程基本相同，均采用半貧液工藝流程，由原料氣冷卻與吸收、中壓閃蒸、H2S濃縮、熱再生、甲醇/水分離和尾氣洗滌等幾部分組成，工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程注：1—為洗滌塔；2—中壓閃蒸塔；3—CO2閃蒸塔；4—H2S濃縮塔；5—熱再生塔；6—甲醇水分離塔；7—尾氣水洗塔

原料氣經(jīng)換熱降溫分離出水分后送入洗滌塔，原料氣中H2S、CO2等酸性組分被低溫貧甲醇洗滌吸收，洗滌塔頂?shù)玫胶细竦膬艋瘹鈴?fù)熱后送下游單元。吸收酸性氣的富H2S甲醇和富CO2甲醇經(jīng)減壓后送中壓閃蒸塔進行閃蒸，以回收溶解的少量有效氣(H2+CO)。經(jīng)中壓閃蒸后的富甲醇溶液送CO2閃蒸塔，回收CO2氣體送下游裝置，閃蒸后的富甲醇送H2S濃縮塔進一步閃蒸和氣提，塔頂尾氣換熱后送尾氣洗滌塔洗滌后放空，塔釜富甲醇送熱再生塔。熱再生塔頂?shù)玫紿2S濃度較高的酸性氣，送后續(xù)工段處理，再生后的貧甲醇加壓后循環(huán)使用，塔底甲醇廢水經(jīng)甲醇水分離塔處理后達標排出系統(tǒng)。

2.2 凈化指標

不同操作壓力下原料氣經(jīng)低溫甲醇洗工藝處理后的凈化氣均滿足總硫小于0.1×10-6，φ(CO)2為0.50%～2.0%、有效氣φ(H2+CO)損失小于0.4%、輸煤用CO2產(chǎn)品氣中φ(CO2)≥98.5%的要求。國內(nèi)外大、中型裝置實際運行情況表明，低溫甲醇洗凈化指標是完全能夠達到甲醇合成指標要求[3]。

2.3 吸收能力及溶液循環(huán)量

低溫甲醇洗工藝屬物理吸收，其氣液平衡關(guān)系符合亨利定律，溶液中被吸收組分的含量基本與其在氣相中的分壓成正比，吸收劑的吸收容量隨酸性組分分壓的提高而增加，溶液循環(huán)量與原料氣量及操作條件有關(guān)[4]。4.0 MPa(g)和6.5 MPa(g)航天粉煤氣化技術(shù)配套低溫甲醇洗工藝均采用半貧液工藝流程，循環(huán)貧甲醇和半貧甲醇循環(huán)量見表2。

表2 循環(huán)甲醇比較

從表2看出，6.5 MPa(g)低溫甲醇洗貧甲醇和半貧甲醇循環(huán)量均較小，與4.0 MPa(g)低溫甲醇洗相比，貧甲醇循環(huán)量約減少42.7%，半貧甲醇循環(huán)量約減少32.1%，由此可見，裝置的操作壓力越高，貧甲醇吸收能力越強，貧甲醇和半貧甲醇循環(huán)量大幅減少。

2.4 消耗和能耗

年操作時間按7 200 h計算，4.0 MPa(g)和6.5 MPa(g)航天粉煤氣化技術(shù)配套低溫甲醇洗裝置消耗和能耗見表3。

由表3可以得出以下結(jié)論：①低溫甲醇洗裝置中能耗最大為氮氣，約占總能耗50%，接著依次為蒸汽、電和冷量；②由于高壓利于低溫甲醇吸收酸性氣，所以6.5 MPa(g)低溫甲醇洗裝置總能耗比4.0 MPa(g)低溫甲醇洗裝置總能耗約降低10%。

表3 裝置消耗和能耗

2.5 投資費用

某120萬t/a甲醇4.0 MPa(g)和6.5 MPa(g)航天粉煤氣化技術(shù)配套低溫甲醇洗工藝裝置投資估算見表4。

表4 投資估算

由表4可以看出，6.5 MPa(g)航天粉煤氣化配套低溫甲醇洗裝置投資約為3.61億元，4.0 MPa(g)航天粉煤氣化配套低溫甲醇洗裝置投資約為3.55億元，6.5 MPa(g)航天粉煤氣化配套低溫甲醇洗裝置投資略高1.7%，其主要原因為操作壓力升高，甲醇循環(huán)量減少，低溫甲醇洗凈化效率提高，設(shè)備規(guī)格有所減小，但壓力升高同時意味著設(shè)備壁厚有所增加，綜合以上因素，操作壓力升高，裝置的投資略有增加，但增幅較小。

2.6 設(shè)備布置

低溫甲醇洗裝置典型布置見圖2，根據(jù)工藝流程配置及不同壓力下設(shè)備規(guī)格，6.5 MPa(g)航天粉煤氣化配套低溫甲醇洗裝置占地91 m×72 m(含內(nèi)部管廊)，約合9.8畝；4.0 MPa(g)航天粉煤氣化配套低溫甲醇洗裝置占地100 m×70 m(包括內(nèi)部管廊)，約合10.5畝，比6.5 MPa(g)航天粉煤氣化配套低溫甲醇洗裝置占地約增加7%。主要由于裝置操作壓力升高，甲醇循環(huán)量減小，設(shè)備規(guī)格也不同程度有所減小，所以裝置占地面積有所減小。

圖2 設(shè)備布置

3 結(jié)語

通過對4.0 MPa(g)和6.5 MPa(g)航天粉煤氣化配套低溫甲醇洗裝置在工藝流程、凈化指標、吸收能力和循環(huán)量、消耗和能耗、投資費用及設(shè)備布置等方面進行比較分析，6.5 MPa(g)與4.0 MPa(g)下配套低溫甲醇洗裝置相比，工藝流程大體相同、凈化指標均能滿足甲醇合成的凈化要求、貧甲醇循環(huán)量約減少42.7%，半貧甲醇循環(huán)量約減少32.1%，能耗約降低10%、裝置投資略高1.7%、占地約減小7%。因此，對于低溫甲醇洗裝置，操作壓力越高，越有利于酸性氣體的吸收，裝置能耗更低，占地更小，但投資略有增加。