低溫甲醇洗系統(tǒng)甲醇水分離塔及尾氣洗滌塔操作優(yōu)化

王 濤

[恒力石化(大連)煉化有限公司，遼寧 大連 116318]

0 引 言

某煤制氫聯(lián)產(chǎn)醋酸裝置低溫甲醇洗系統(tǒng)采用林德工藝包七塔流程(含甲醇洗滌塔Ⅰ、甲醇洗滌塔Ⅱ、H2S濃縮塔、熱再生塔、甲醇水分離塔、氮氣氣提塔、尾氣洗滌塔)，設置2個獨立的系列，單系列低溫甲醇洗系統(tǒng)處理原料氣量約550 km3/h(標態(tài)，下同)，2套低溫甲醇洗系統(tǒng)工藝流程基本相同，其操作條件也大致相同。低溫甲醇洗系統(tǒng)主要包括低溫高壓吸收、中壓閃蒸、氣提濃縮、甲醇熱再生、甲醇水分離及尾氣洗滌回收等單元，各單元的有效配合保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)運行。其中，甲醇水分離塔、尾氣洗滌塔的運行狀態(tài)直接決定著廢水、廢氣能否實現(xiàn)達標排放。該低溫甲醇洗系統(tǒng)甲醇水分離塔及尾氣洗滌塔自投產(chǎn)以來暴露出一些問題，后提出并實施了甲醇水分離塔增設多變量控制器、尾氣洗滌塔優(yōu)化操作后，收到了較好的效果。以下對有關情況作一介紹。

1 甲醇水分離塔及尾氣洗滌塔系統(tǒng)流程概述

來自甲醇熱再生塔塔釜的一股101.4 ℃貧甲醇由甲醇水分離塔回流泵加壓至0.90 MPa并經(jīng)甲醇過濾器過濾后，一部分貧甲醇經(jīng)調(diào)節(jié)閥減壓后返回貧甲醇過濾器出口管道(返回甲醇收集槽)，一部分經(jīng)調(diào)節(jié)閥進入回流冷卻器Ⅰ殼程，還有一部分經(jīng)調(diào)節(jié)閥進入回流冷卻器Ⅱ殼程，換熱降溫至約70 ℃，經(jīng)回流冷卻器冷卻后的這兩股貧甲醇一起送入甲醇水分離塔頂部。250 ℃、1.0 MPa低壓蒸汽經(jīng)調(diào)節(jié)閥減溫減壓后形成的241.18 ℃、0.49 MPa低低壓蒸汽與界區(qū)外來的高壓鍋爐水經(jīng)調(diào)節(jié)閥減壓后(41.8 ℃、0.49 MPa)一起進入甲醇水分離塔再沸器，為含水甲醇加熱提供熱源，實現(xiàn)甲醇與水的精餾分離，再沸器冷凝液通過冷凝液泵送至冷凝液管網(wǎng)，甲醇水分離塔頂部的甲醇蒸氣則進入甲醇熱再生塔。原料氣分離罐Ⅰ底部來的甲醇水溶液經(jīng)回流冷卻器Ⅰ管程與殼程貧甲醇進行換熱，預熱后經(jīng)調(diào)節(jié)閥降壓后進入CO2閃蒸罐，原料氣分離罐Ⅱ來的甲醇水溶液經(jīng)回流冷卻器Ⅱ管程與殼程貧甲醇進行換熱，預熱后經(jīng)調(diào)節(jié)閥降壓后也進入CO2閃蒸罐，CO2閃蒸罐閃蒸出的氣相(閃蒸氣)經(jīng)調(diào)節(jié)閥減壓后送H2S濃縮塔底部，CO2閃蒸罐底部液相經(jīng)調(diào)節(jié)閥后送甲醇水分離塔中部；甲醇水分離塔塔釜的含醇污水則經(jīng)廢水冷卻器和廢水/水換熱器降溫后送至污水處理系統(tǒng)處理達標后排放。進入甲醇水分離塔的貧甲醇流量視循環(huán)甲醇含水量進行調(diào)整，循環(huán)甲醇含水量高時適當加大進甲醇水分離塔的貧甲醇流量，以使循環(huán)甲醇含水量盡快降至設計值。

H2S濃縮塔塔頂尾氣(主要含有CO2、N2、CO等)回收冷量后進入尾氣洗滌塔，尾氣洗滌塔塔頂洗滌液為來自界區(qū)外的脫鹽水，洗滌后塔底的廢水由尾氣水洗泵加壓并經(jīng)廢水/水換熱器換熱后進入甲醇水分離塔中部，尾氣洗滌塔塔頂尾氣(H2S含量≤3.7 kg/h、甲醇含量≤35 mg/m3)則通過180 m高的煙囪排入大氣。

2 甲醇水分離塔系統(tǒng)增設多變量控制器

2.1 問題分析

甲醇水分離塔的主要作用是控制低溫甲醇洗系統(tǒng)循環(huán)甲醇中的水含量，若循環(huán)甲醇水含量增加或不能被有效控制，系統(tǒng)內(nèi)水累積過多，會造成貧甲醇吸收酸性氣的能力大幅下降，直接影響系統(tǒng)負荷、凈化氣指標以及系統(tǒng)的穩(wěn)定運行；甲醇含水量增加時，溶液密度增大，會增加系統(tǒng)動力消耗，且在H2S存在的環(huán)境下低溫甲醇洗系統(tǒng)的設備及管道腐蝕也會加劇，縮短設備及管道的使用壽命，且腐蝕物會造成設備和管道堵塞，嚴重時會導致系統(tǒng)減至半負荷運行，生產(chǎn)成本及安全隱患均會隨之增加。

系統(tǒng)運行初期，因甲醇水分離塔靈敏板溫度控制相對較低——設計參考指標為108 ℃、實際運行指標為(108±3)℃，廢水中甲醇含量達4%(要求廢水中甲醇含量<100 mg/L)，造成甲醇損耗大，平均損耗量在600 kg/h以上，而設計甲醇損耗量僅為55 kg/h。其后，將甲醇水分離塔靈敏板溫度提高至(125±3)℃，但受進料與加熱蒸汽流量及溫度的影響，當靈敏板溫度大幅波動時，甲醇水分離塔脫水效果差，系統(tǒng)中甲醇水含量>2%(設計指標為甲醇水含量<0.5%)。正常生產(chǎn)中，系統(tǒng)100%負荷下，貧甲醇流量為395 t/h，循環(huán)甲醇中水含量偏高時，甲醇吸收酸性氣的能力明顯下降，為保證凈化氣指標合格，只能通過增大貧甲醇循環(huán)量來維持系統(tǒng)的運行，但貧甲醇循環(huán)量增大后，系統(tǒng)需求的冷量增加，造成冷凍系統(tǒng)負荷增加，冷凍系統(tǒng)汽輪機3.6 MPa過熱蒸汽耗量增大，形成惡性循環(huán)；此外，在系統(tǒng)負荷需要繼續(xù)提升時，為保證凈化氣指標合格，只能額外增加甲醇循環(huán)量，受貧甲醇泵額定流量的限制，在外送貧甲醇流量不足以控制凈化氣指標合格時，只能通過減負荷來維持系統(tǒng)運行。

循環(huán)甲醇中水含量高，低溫甲醇洗系統(tǒng)腐蝕明顯增大，主要體現(xiàn)在各過濾器壓差上漲。低溫甲醇洗系統(tǒng)中貧甲醇泵、半貧甲醇泵及富甲醇泵入口過濾器濾網(wǎng)均為40目，可有效阻攔一些大的顆粒雜物，其他細微顆粒的過濾更多依靠的是甲醇粗濾器、貧甲醇過濾器、甲醇過濾器，系統(tǒng)中這三類過濾器均設置2臺(一開一備)。生產(chǎn)過程中，隨著甲醇溶液的不斷循環(huán)和過濾，細小雜質(zhì)附著在濾芯外表面孔隙上，過濾器壓差會逐漸上漲，當其壓差達到報警值(一般為100 kPa)時，系統(tǒng)阻力會顯著增大，此時需及時將在運的過濾器切換至備用過濾器。而在循環(huán)甲醇中水含量高且甲醇循環(huán)量偏大時，貧甲醇過濾器和甲醇過濾器壓差上漲加快、運行周期明顯縮短，若貧甲醇過濾器壓差高于150 kPa而未及時切換，會造成熱再生塔內(nèi)的甲醇不能依靠壓差送至甲醇收集槽，時間長了會因甲醇收集槽液位低低觸發(fā)聯(lián)鎖停貧甲醇泵，最終造成系統(tǒng)切氣停車。此外，系統(tǒng)內(nèi)腐蝕物增多，往往會出現(xiàn)過濾器剛切換完、備用過濾器還未清洗徹底，在運過濾器已出現(xiàn)壓差高報警，不得不再次進行切換，而因備用過濾器清洗不徹底，其運行時間更短，會出現(xiàn)2臺過濾器壓差均高報警而影響甲醇正常循環(huán)的問題，最終只能減負荷以維持系統(tǒng)生產(chǎn)?？傊状妓蛛x塔未能有效操控，循環(huán)甲醇中水含量不能控制在正常范圍內(nèi)，直接或間接地引發(fā)了上述各種問題。

2.2 優(yōu)化措施

針對上述問題，分析認為，影響甲醇水分離塔運行的變量主要有2股進料的流量和2股進料換熱后溫差的變化，以及熱源蒸汽流量及溫度的變化，上述變量無論哪個發(fā)生變化均會引起甲醇水分離塔溫度的變化，若操作調(diào)整不及時會直接影響甲醇水分離塔的正常運行；同時，影響操作的變量為多變量，其調(diào)整手段需全面考慮，若不整合控制方案，必然會增大操作人員的工作量，在條件反饋滯后的情況下，由于影響因素多，單一的操作調(diào)整反而會出現(xiàn)越調(diào)整越不穩(wěn)定的狀況。進行整體分析與討論后，決定以穩(wěn)定甲醇水分離塔溫度、降低蒸汽消耗、控制廢水中甲醇含量并保證甲醇水分離塔氣相不夾帶多余水蒸氣的目的來建立控制結(jié)構并增設多變量控制器。

控制結(jié)構設計的主要思路為，為降低低壓蒸汽溫度變化帶來的影響，以低壓蒸汽溫度為前饋，蒸汽閥位為操作手段，并控制甲醇水分離塔靈敏板及中上部溫度，以達到提前干預的目的，盡可能實現(xiàn)甲醇水分離塔溫度的穩(wěn)定控制；同時，兩路貧甲醇在滿足其換熱后溫差約束的前提下，通過其流量輔助控制甲醇水分離塔溫度。選擇熱源蒸汽溫度為前饋變量，甲醇水分離塔靈敏板及塔溫為被控變量，相應地可調(diào)整操作變量為甲醇進料流量和蒸汽流量。此模型建立后，分析一段時間內(nèi)采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，當期望被控變量甲醇水分離塔靈敏板溫度穩(wěn)定(即斜率為0)時，前饋變量蒸汽溫度上升1 ℃，對被控變量甲醇水分離塔靈敏板溫度的影響斜率為0.012 1；操作變量進料流量變化1個單位時，對被控變量甲醇水分離塔靈敏板溫度的影響斜率為-0.004 66；操作變量蒸汽流量變化1個單位時，對被控變量甲醇水分離塔靈敏板溫度的影響斜率為0.012 1，斜率值越大表示其影響程度越深。例如，系統(tǒng)運行過程中，當前饋變量反饋蒸汽溫度上升1 ℃時，此時對被控變量甲醇水分離塔靈敏板溫度的影響斜率為0.012 1，靈敏板溫度與設定值出現(xiàn)偏差，為保證甲醇水分離塔靈敏板溫度不變(斜率為0)，3個可操作變量按照預先設定的功能相互配合自動完成操作調(diào)整，以保持靈敏板溫度不出現(xiàn)偏差。另一種情況是，系統(tǒng)未檢測到影響條件，但靈敏板溫度發(fā)生了改變，斜率出現(xiàn)了偏離，為及時糾偏，3個可操作變量可按照各自的影響結(jié)果相互配合自動完成操作調(diào)整，以保持靈敏板溫度不變。總之，多變量控制器可以自動完成對甲醇水分離塔溫度的控制，既可保證塔溫的穩(wěn)定及偏離時的及時調(diào)整，又可減少操作人員監(jiān)盤頻繁調(diào)整的工作量。

2.3 優(yōu)化效果

甲醇水分離塔系統(tǒng)多變量控制器投用后，通過一段時間的運行調(diào)整，甲醇水分離塔熱點溫度明顯趨于平穩(wěn)：控制器投用前的2022年11月1—8日，甲醇水分離塔靈敏板溫度最大值為138.4 ℃、最小值為128.7 ℃、平均值為133.4 ℃、標準方差為3.498；控制器投用后的2022年12月20—27日，甲醇水分離塔靈敏板溫度最大值為134.2 ℃、最小值為130.6 ℃、平均值為132.5 ℃、標準方差為1.378，靈敏板溫度標準方差降低60.6%，表明多變量控制器投用后甲醇水分離塔運行的穩(wěn)定性顯著提升。在保持甲醇水分離塔熱點溫度平穩(wěn)的情況下，嘗試逐步降低熱點溫度，既保證甲醇水分離塔氣相中水含量不增加，又使廢水中甲醇含量盡可能地低(甲醇含量<20×10-6)，計劃將這股含醇廢水用作尾氣洗滌塔洗滌水，以降低尾氣洗滌塔脫鹽水用量。

3 尾氣洗滌塔操作優(yōu)化

3.1 問題分析

低溫甲醇洗系統(tǒng)尾氣洗滌塔的主要作用是利用脫鹽水洗滌尾氣中夾帶的甲醇，控制尾氣中甲醇含量<35 mg/m3(標態(tài)，下同)，達標后通過煙囪排放至大氣。理論上，尾氣處理量為340 t/h，大約需要脫鹽水20 t/h才能保證尾氣中甲醇含量<35 mg/m3。甲醇水分離塔系統(tǒng)多變量控制器投用及優(yōu)化操作后，甲醇水分離塔底部廢水中甲醇含量<20×10-6、pH在7～8，經(jīng)過過濾后此廢水水質(zhì)較好，于是，實施技術改造，在甲醇水分離塔廢水排放管上引一支管，將其引至尾氣洗滌塔中部用作洗滌水，這樣一來形成廢水和脫鹽水共同洗滌尾氣的模式，以降低脫鹽水用量。通過摸索與嘗試，在甲醇水分離塔底部廢水少量外排的情況下其余全部送至尾氣洗滌塔，尾氣洗滌塔脫鹽水用量由原來的20 t/h降至10 t/h左右時同樣可以保證尾氣中甲醇含量達標。

上述舉措可以保證正常工況下尾氣洗滌塔的穩(wěn)定運行，但在異常工況下難以保證尾氣中甲醇含量合格：正常工況下低溫尾氣(-40 ℃、0.09 MPa)經(jīng)原料氣冷卻器與變換氣(30 ℃、5.4 MPa)進行換熱，換熱后尾氣溫度達到0 ℃以上再進入尾氣洗滌塔；但當變換氣突然中斷或者其他情況導致經(jīng)過原料氣冷卻器后的尾氣溫度低于0 ℃時，為防止低溫尾氣進入尾氣洗滌塔后在低溫環(huán)境下水結(jié)冰凍堵設備及管道而造成設備及管道超壓事故的發(fā)生，按操作規(guī)程要求，經(jīng)原料氣冷卻器換熱后溫度低于0 ℃的尾氣是不能送入尾氣洗滌塔的，此時需關閉尾氣進尾氣洗滌塔切斷閥，打開尾氣進尾氣洗滌塔旁路閥，將未經(jīng)洗滌的尾氣直接排入大氣中，不僅造成尾氣夾帶的甲醇未被回收，而且直接排放的尾氣中甲醇含量超標會造成環(huán)境污染。

3.2 優(yōu)化措施

針對異常工況下尾氣可能超標排放的問題，設計之初就從源頭上考慮如何保證入洗滌塔的尾氣溫度始終能夠高于0 ℃。通過研究與核算，嘗試在尾氣管道上增加溫度控制回路，即在尾氣管道上安裝蒸汽噴射裝置并增設相應的溫度測點，當溫度測點(TI01)低于2 ℃時，手動打開0.5 MPa蒸汽流量調(diào)節(jié)閥，將蒸汽噴入尾氣中以提高尾氣溫度，保證TI01始終高于0 ℃；也可以將溫度測點(TI01)與蒸汽流量設置為“串級控制”，以實現(xiàn)自動控制。實踐表明，尾氣管道上增設蒸汽噴射裝置后，可以保證任何情況下進入尾氣洗滌塔的尾氣溫度都高于0 ℃，解決了異常工況下尾氣可能超標排放的問題。

4 結(jié)束語

低溫甲醇洗系統(tǒng)甲醇水分離塔運行效率和運行穩(wěn)定性的決定性因素是塔溫的控制，而尾氣洗滌塔的良好運行既能保證尾氣達標排放又能降低脫鹽水消耗等。針對該煤制氫聯(lián)產(chǎn)醋酸裝置低溫甲醇洗系統(tǒng)甲醇水分離塔及尾氣洗滌塔設計上及運行中存在的一些問題，通過運行經(jīng)驗總結(jié)與綜合分析，不斷摸索與優(yōu)化創(chuàng)新，實施了甲醇水分離塔整體溫度控制優(yōu)化(增設多變量控制器以實現(xiàn)“卡邊”操作)、尾氣洗滌塔優(yōu)化操作(尾氣管道上增設蒸汽噴射裝置等)后，增強了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性，實現(xiàn)了節(jié)能減排、降本增效。