低溫甲醇洗工藝設計優(yōu)化及節(jié)能探討

王家祥

（天華化工機械及自動化研究設計院有限公司，甘肅 蘭州 730060）

煤制合成氨裝置是以煤為原料，采用煤氣化技術生產(chǎn)合成氣，再經(jīng)過變換將CO轉化為H2，經(jīng)過脫硫脫碳，脫除其中的硫和CO2后分離出其中的富氫氣，富氫氣經(jīng)液氮洗配氮后合成生產(chǎn)氨。作為合成氨裝置的重要單元，脫硫脫碳的主要目的：（1）脫除原料氣中的H2S及少量有機硫；（2）脫除CO2。脫硫脫碳單元主要有3種工藝：低溫甲醇洗工藝、NHD和MDEA工藝。因低溫甲醇洗工藝技術成熟，在工業(yè)上擁有很好的應用業(yè)績，被廣泛應用于國內(nèi)外合成NH3凈化裝置中。

本文主要基于低溫甲醇洗工藝，提出一些在工程設計中可以優(yōu)化的措施，及目前存在的節(jié)能問題的解決方案，希望對從事相關工程的技術人員在實際生產(chǎn)中能有所幫助。

1 工程設計中可以優(yōu)化的措施

1.1 氨冷器氣氨出口帶液問題

常規(guī)氨冷器設計中液氨進口（N3）與氣氨出口（N4）位于同一位置上，雖然在氣相出口設置了防沖板（圖1），但項目現(xiàn)場反饋氣氨管線帶液嚴重。各氨冷器的氣氨匯至總管后，氣氨總管底部匯集的液氨處理是一個問題，此外該設計嚴重影響了換熱器的換熱效率。

圖1 常規(guī)氨冷器的設計Fig.1 Design of conventional ammonia cooler

改進措施 所有氨冷器在設計時增設底部集液包，液氨進口從筒體兩側分別進入，增大筒體分離空間，保證氨冷器的冷卻效果和出口氣氨不帶液（圖2）。同時，在管道設計時，氨冷器的氣氨出口管線不要彎頭與設備配對法蘭直連，兩者之間增加一段直管（長度≥500mm為宜）進一步分離液氨，減少氣氨總管的液氨量。此外，在氨冷器筒體底部增設集液包，可以增大液相儲存空間，以分離液氨中的雜質(zhì)。

圖2 改進氨冷器的設計Fig.2 Improved design of ammonia cooler

1.2 泵和液力透平的選型

對于40萬t·a-1合成氨的低溫甲醇洗單元，貧甲醇泵和半貧甲醇泵一般選用多級離心泵。1#～4#甲醇液泵選用離心泵，污甲醇泵選用液下離心泵。熱再生塔底泵、熱再生塔回流泵、尾氣水洗塔底泵、中壓洗滌甲醇液泵電機功率均不超過50kW，這4組泵除了可以選用常規(guī)的離心泵外，還可以選用屏蔽泵（見表1）。

表1 低溫甲醇洗泵設備選型及操作條件（半貧液流程）Tab.1 Example of rectisol process pump list（Semi-lean solution process）

1.2.1 離心泵、屏蔽泵的比較 相對于離心泵，選擇屏蔽泵的優(yōu)勢在于[1]：（1）屏蔽泵結構上沒有動密封，只在泵的外殼處有靜密封，因此，可以做到完全無泄漏，特別適合輸送甲醇、洗滌水等介質(zhì)；（2）運轉平穩(wěn)，噪聲低，不需加潤滑油；（3）結構緊湊占地少，維修費用低；（4）使用范圍廣。

鑒于屏蔽泵的上述優(yōu)點，在裝置用地緊張的情況下，這4組泵優(yōu)先選用屏蔽泵，設備布置緊湊、運行效果好且節(jié)省管道投資。

1.2.2 液力透平泵的兩種配置方式 低溫甲醇洗工藝，在高壓吸收到中壓閃蒸之間可采用液力透平回收液體減壓能量，可回收電功或機械能，具有顯著的經(jīng)濟效益。

低溫甲醇洗工藝在低溫、高壓下，從洗滌塔脫硫段出來的含硫甲醇富液經(jīng)換熱、降溫再減壓后，在中壓閃蒸塔A段閃蒸出溶解的H2、CO及少量CO2、H2S等氣體。同樣，從洗滌塔脫碳段出來的不含硫甲醇液經(jīng)換熱、降溫再減壓后，在中壓閃蒸塔B段閃蒸出溶解的H2、CO氣及少量CO2等氣體。這兩股液體的減壓可采用液力透平泵，目前，液力透平泵有兩種配置方式，（1）將壓力能通過液力透平葉輪轉換為機械能帶動甲醇循環(huán)泵做功，該配置方式要求甲醇輸送泵和液力透平的水力特性（揚程-流量特性曲線和軸功率-流量特性曲線）必須匹配良好[2]，否則，機組不能安全穩(wěn)定運行；（2）將壓力能通過液力透平葉輪轉換為機械能，電機與液力透平之間安裝超速離合器，再將機械能通過電機轉換為電能外送，這樣的優(yōu)勢是即使在沒有足夠能量驅動液力透平的情況下，也能保證泵和輔助驅動裝置的穩(wěn)定運行。

對于第二種配置方式，目前可以選用一體化透平能量回收發(fā)電機組，將含硫甲醇、不含硫甲醇的壓力能合并回收，優(yōu)點是機組占地面積小、發(fā)電量大、液力透平的維修不影響泵的運轉。需要注意的是含硫甲醇、不含硫甲醇之間需要噴入隔離液，一般取自半貧甲醇泵的出口，其壓力要高于透平入口壓力0.2MPa。

1.3 原料氣冷卻器（繞管式換熱器）的設計要點

近年來，因下游產(chǎn)品的多樣化，合成氨項目的總工藝流程配置相對復雜，低溫甲醇洗的工況也越來越多。以E-01原料氣冷卻器（繞管式換熱器）為例，目前該換熱器管程最多達到6股流。但項目運行時并不一定同時開所有工況，比如，外送凈化氣去PSA制氫裝置，在PSA制氫裝置不開的情況下，E-01原料氣冷卻器中的該股流道的換熱管變成了死區(qū)，降低了換熱效率。此時，在無制氫工況下在進E-01原料氣冷卻器前將合成氣分配到制氫通道，換熱后再回到合成氣通道，從而保證原料氣冷卻器換熱管無死區(qū)且穩(wěn)定運行。同理，管程中不同壓力的高壓CO2管線和低壓CO2管線間也可以相互分配。

對于大型的繞管式換熱器，在做設備基礎時也需要注意一些問題。圖3為在混凝土梁梁側預留埋件，繞管式換熱器的設備支撐鋼梁焊接在梁側埋板，導致支撐鋼梁的受力轉移到埋件與鋼梁的焊接處，運行一段時間后會出現(xiàn)鋼梁與埋件撕裂，又要重新加固，存在安全隱患。

圖3 常規(guī)繞管式換熱器的設備基礎Fig.3 Equipment foundation of conventional wound tube heat exchanger

圖4為改進的設備基礎做法，在混凝土梁梁頂預留埋件，繞管式換熱器的設備支撐鋼梁焊接在梁頂埋板，保證支撐鋼梁的受力為混凝土梁的豎直方向，從而規(guī)避了圖3存在的問題。

圖4 改進后繞管式換熱器的設備基礎Fig.4 Improvement of equipment foundation of coiled tube heat exchanger

1.4 管廊設計中注意要點

1.4.1 火炬總管出界區(qū)與外管總管的標高問題 當脫硫脫碳單元的熱火炬總管標高高于外管的火炬總管時，此時單元內(nèi)的火炬總管按照最小坡度0.5%坡向外管的火炬總管；但當脫硫脫碳單元的熱火炬總管標高低于外管的火炬總管時，此時單元內(nèi)的火炬總管需設置分液裝置，目前，主要有兩種配置方式：（1）設置火炬氣分液罐，將火炬管里的凝液分離出來密閉回收[3]；（2）在火炬總管出界區(qū)處設計集液包，通過集液包分離出凝液后密閉回收。

1.4.2 氣氨總管出界區(qū)與外管的標高問題 當脫硫脫碳單元的氣氨總管標高高于外管的氣氨總管時，此時單元內(nèi)的氣氨總管按照最小坡度0.5%坡向外管的氣氨總管；但當脫硫脫碳單元的氣氨總管標高低于外管的氣氨總管時，特別是各氣氨管線帶液匯集到單元內(nèi)的氣氨總管時，需要處理氣氨總管中的凝液（液態(tài)氨）。目前，處理方式主要有兩種：（1）將凝液排入氨冷器集油罐的入口管線，再經(jīng)低壓蒸汽通過盤管將集油罐的排出氨蒸發(fā)后回到氣氨管線，這種情況用于凝液量較少的情況；（2）將凝液以步步低的型式流入某氨冷器的入口管線液位調(diào)節(jié)閥后，重復利用該液氨的冷量，這種情況用于凝液量較多的情況。結合1.1節(jié)所述氨冷器氣氨出口帶液問題，氨冷器和配管設計一定要最大限度控制氣氨的帶液問題。

1.5 再沸器蒸汽凝液的處理

熱再生塔再沸器、甲醇/水分離塔再沸器分別選用低壓、中壓蒸汽作為熱側殼程輸入物流，蒸汽凝液從殼程底部流出。目前，蒸汽凝液的處理方式有兩種：（1）利用疏水閥在連續(xù)運行的再沸器中疏水，疏水閥作為一種經(jīng)常動作的閥門，較容易損壞。閥門一旦不能自動開啟，凝水不能及時排出蒸汽管道之外，將會對主蒸汽管道中的蒸汽質(zhì)量產(chǎn)生較大影響，繼而影響再沸器的效果；（2）采用蒸汽分水罐，即將再沸器產(chǎn)生的蒸汽凝液排入蒸汽分水罐，分水罐的氣相頂部出口與進再沸器的蒸汽管線聯(lián)通，分水罐的底部凝液口由罐體本身的液位調(diào)節(jié)來控制出口流量。目前，因第二種方案流量穩(wěn)定、可靠性高，選用的比較多，但此方案也存在一個問題，就是中壓蒸汽凝液和低壓蒸汽凝液的送出，一般來講，外管中有中壓蒸汽凝液和低壓蒸汽凝液的管網(wǎng)時，兩者可分別送出界區(qū)。若外管中只有低壓蒸汽凝液，設計中要將中壓蒸汽凝液通過液位調(diào)節(jié)閥減壓后送入低壓蒸汽分水罐。但應注意：中壓蒸汽凝液通過液位調(diào)節(jié)閥減壓后變成了蒸汽和水的兩相流，管道可能會振動，所以在管道布置時，中壓蒸汽凝液的液位調(diào)節(jié)閥組要盡量靠近低壓蒸汽分水罐，以避免和減輕管線的振動。

1.6 尾氣吸附槽和尾氣水洗塔的集成

低溫甲醇洗裝置要連續(xù)排放大量的尾氣，其主要成分為CO2、N2和少量水分，微量組分為甲醇、OCS、H2S等有毒、有害物質(zhì)，在原料氣輸入組成波動、裝置開停車等情況下，存在有害物質(zhì)超標排放的情況，嚴重影響裝置周邊環(huán)境。吳勝軍[4]等人開發(fā)的一種尾氣處理裝置，將氣液分離裝置、尾氣水洗塔、與水洗塔相連通的吸附塔集成為一個裝置，通過洗滌裝置除去尾氣中夾帶的甲醇，再通過氣液分離裝置去除尾氣中的水分，最后，經(jīng)吸附裝置除去尾氣中夾帶的微量的有害物質(zhì)H2S、OCS及甲醇等，使得處理后的尾氣滿足排放標準。該做法整體占地面積小，集成設備內(nèi)部結構較為簡單，成本降低，有效節(jié)省投資。

2 節(jié)能措施

2.1 熱再生區(qū)的能量回收

目前，國內(nèi)、外低溫甲醇洗工藝隨著開車運行經(jīng)驗越來越豐富，在實踐中不斷地改革和完善，其換熱網(wǎng)絡已經(jīng)十分完善，但根據(jù)不同工廠裝置和流程的具體情況，在溶劑熱再生部分，大量的能量消耗限制了該裝置的經(jīng)濟效益，所以熱再生區(qū)仍有可優(yōu)化的空間。（1）塔頂酸性氣需經(jīng)水冷器、氣氣換熱器和氨冷器（冷卻方式可以組合）冷卻至常溫，再通過H2S氣體分離罐分離后去硫回收單元。（2）低溫甲醇洗工藝中，主要由熱再生塔和水分離塔的再沸器消耗熱量，而塔釜再沸器需要低壓蒸汽的能量輸入才能驅動熱再生系統(tǒng)的進行，并且再沸器管程出口的甲醇蒸汽只占循環(huán)甲醇量的約20%。這部分蒸汽、循環(huán)水的消耗量是脫硫脫碳裝置的能量消耗大戶，因此，將塔頂酸性氣的熱量和塔釜消耗的熱量結合到一起進行換熱網(wǎng)絡的優(yōu)化，是今后研究的一個課題。

2.2 最大限度的利用CO2

在“雙碳”背景的影響下，更大限度的利用碳資源已成為行業(yè)內(nèi)的共識，大連理工大學自主研發(fā)的節(jié)能型低溫甲醇洗工藝能產(chǎn)出高壓CO2（壓力≥0.55MPa（G）），若開車運行良好，今后脫硫脫碳主項選擇CO2冷凝工藝將會成為一種趨勢。

目前，高壓CO2冷凝流程已用于實際項目（在建），以40萬t·a-1的合成氨為例，高壓CO2冷凝流程不僅使CO2流量（100%工況）≥60000Nm3·h-1（正常）高于同規(guī)模的常規(guī)流程項目（52000Nm3·h-1），同時，能產(chǎn)出壓力≥0.13MPa（G）、壓力≥0.03MPa（G）、壓力≥0.55MPa（G）3種規(guī)格的氣體，滿足了凈化工段的不同需求，在內(nèi)部節(jié)能方面也有更大的優(yōu)勢（-40℃下的外部冷量節(jié)省約600kW）。外部節(jié)能方面，特別是壓力≥0.55MPa（G）的CO2氣體用于煤氣化裝置的輸煤CO2壓縮機，使輸煤CO2壓縮機的壓縮比顯著減小，壓縮機投資和節(jié)能效果明顯。

3 結論

低溫甲醇洗工藝是煤制合成氨裝置中主要的氣體凈化工段。為了保證該工藝安穩(wěn)長滿的運行，本文在工藝工程設計中提出可以優(yōu)化的措施，主要包括：改進氨冷器的設計；泵選型的優(yōu)化；液力透平泵兩種配置方式的比選；原料氣冷卻器在不同工況下物流通道的分配及設備支撐方案的優(yōu)化；管廊設計中注意火炬總管、氣氨總管與外管總管的標高問題；再沸器蒸汽凝液的兩種處理方式和工程設計時注意的要點；尾氣吸附槽和尾氣水洗塔的集成的優(yōu)勢等。

化工工藝的節(jié)能降耗技術對于化工企業(yè)發(fā)展具有重要的意義。本文對低溫甲醇洗工藝的節(jié)能措施進行了探討，提出將塔頂酸性氣的熱量和塔釜消耗的熱量結合在一起進行換熱網(wǎng)絡的優(yōu)化；介紹了大連理工大學自主研發(fā)的節(jié)能型低溫甲醇洗高壓CO2冷凝流程的優(yōu)勢，提出在"雙碳"背景的影響下，該流程內(nèi)部冷量和外部壓縮機做功的節(jié)能將是未來低溫甲醇洗工藝的發(fā)展方向。