蔣曉偉 汪 旭 劉 莎 潘海敏 付 強 孫 愷

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設 計技 術

低溫甲醇洗工藝流程優(yōu)化

蔣曉偉*汪 旭 劉 莎 潘海敏 付 強 孫 愷

北京石油化工工程有限公司西安分公司 西安 710075 陜西延長石油延安能源化工有限責任公司 榆林 71900

冷量消耗及電耗是衡量低溫甲醇洗裝置能耗的重要指標。本文應用低溫甲醇洗模擬程序對工藝流程進行優(yōu)化調整。在確保技術可靠、操作穩(wěn)定的基礎上，在滿足凈化氣的工藝指標、克勞斯氣體的生產(chǎn)要求和尾氣排放標準的前提下，優(yōu)化后的低溫甲醇洗流程具有有效氣回收率高、運行費用低、克勞斯氣體中H2S濃度高、節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)點，可為今后低溫甲醇洗流程優(yōu)化提供參考。

低溫甲醇洗 優(yōu)化 模擬 冷量

近年來，發(fā)展煤化工已經(jīng)成為推動國家經(jīng)濟發(fā)展與保障國家能源安全的一個長遠戰(zhàn)略方向。煤化工中煤氣化制備合成氣是至關重要的工藝，合成氣中CO2、H2S、COS等酸性氣體凈化工藝在保證下游裝置正常平穩(wěn)運行中占據(jù)非常重要的地位。低溫甲醇洗技術是利用低溫甲醇作為溶劑，脫除CO2、H2S、COS 等酸性氣體的一種氣體凈化方法。由于具有優(yōu)異的酸性氣體選擇性、吸收性以及運行穩(wěn)定性等特點，已在煤化工領域得到廣泛的應用[1～5]。

在低溫甲醇洗工藝中，除自身冷量需要回收外，還需外界補充-40℃的冷量。甲醇吸收CO2等酸性氣體是放熱過程，酸性氣體從甲醇中解析是吸收過程。因此，為了降低裝置能耗，最大化地回收冷量，低溫甲醇洗流程的工藝優(yōu)化至關重要。

在原有低溫甲醇洗工藝流程成功模擬的基礎上，針對原流程中所存在的能量損耗較大的問題，提出相應的優(yōu)化設計措施，并對優(yōu)化后的新流程利用PROII軟件重新進行模擬計算。通過與原流程關鍵流股參數(shù)及系統(tǒng)能耗數(shù)值的對比分析，闡明優(yōu)化后工藝流程模擬計算的數(shù)據(jù)可靠性和相應的節(jié)能效果。

1 低溫甲醇洗原流程的能耗分析

低溫甲醇洗原工藝流程見《低溫甲醇洗工藝過程流程模擬》。整個系統(tǒng)冷量的來源主要有幾個方面：① 水冷器：克勞斯氣冷卻器、循環(huán)甲醇冷卻器及壓縮機水冷器等，都是以循環(huán)水為介質降低酸性氣體、循環(huán)甲醇的溫度及動設備運行帶來的熱量；② 深冷器：丙烯深冷器是通過液態(tài)丙烯蒸發(fā)制冷，來降低酸性氣吸收的放熱量，是低溫甲醇洗冷量最重要的來源；③ 含硫/無硫甲醇降壓閃蒸：甲醇經(jīng)過洗滌原料氣中的雜質后，進H2S濃縮塔和熱再生塔再生利用。降壓閃蒸會將甲醇中的冷量釋放，而當閃蒸效果變差，再生時系統(tǒng)溫度就會升高。因此降壓閃蒸過程所釋放冷量是低溫甲醇洗冷量的另一個主要來源。

分析原低溫甲醇洗工藝流程，發(fā)現(xiàn)流程中多處物流降溫操作采取的是深冷器降溫，深冷器降溫的工作原理是利用外部冷源(丙烯)對系統(tǒng)中的流股進行降溫，需要不斷地輸入-40℃的低溫丙烯，才能使系統(tǒng)溫度保持低溫。而與此同時，有部分低溫產(chǎn)品氣或者液相產(chǎn)品沒有參與到換熱過程中，而是回流到吸收塔中從而大幅降低了換熱效率，造成較大的冷量耗損。

通過流程分析，原低溫甲醇洗流程中存在的主要問題：① 甲醇主洗塔下段抽出的無硫甲醇經(jīng)換熱和貧甲醇深冷器降溫至-36℃后再減壓至1200kPa(A)后在循環(huán)氣閃蒸罐I中進行氣液分離，分離氣體后的半貧液甲醇再減壓至205kPa(A)，溫度進一步降低至-59.8℃進入H2S濃縮塔頂部減壓罐。但這股低溫的半貧液甲醇(不含H2S)可以直接重新參與到甲醇主洗塔的傳熱傳質，從而達到冷量的優(yōu)化利用的目的；② 進入循環(huán)氣壓縮機前的循環(huán)氣閃蒸罐II中閃蒸的氣體量較大，氣體中含有一定量的有效氣H2和CO，但絕大部分為CO2，摩爾分率為65.3mol%。如果能夠采取其它方法降低進循環(huán)壓縮機氣體中的CO2含量，可極大地降低循環(huán)壓縮的功耗；③ 循環(huán)氣壓縮機進口的氣體溫度較低，為-33.96℃，可在冷區(qū)找到合適的流股回收這部分冷量。

總之，原流程由于冷流股的利用率較低，過多使用深冷器中-40℃丙烯對系統(tǒng)進行降溫，是系統(tǒng)能耗較大的主要原因之一，所以在流程優(yōu)化中最大程度的回收低溫區(qū)的冷量是解決原流程能耗較大的一個重要方法。

2 低溫甲醇洗流程模擬優(yōu)化

優(yōu)化后的低溫甲醇洗流程見圖1。

圖1 優(yōu)化后的低溫甲醇洗工藝流程

為改善原低溫甲醇洗裝置冷量消耗較大的問題，保證工藝氣指標正常的同時，優(yōu)化工藝流程以降低系統(tǒng)冷量，通過對原流程冷量消耗來源的分析，找出了該流程中存在的主要問題，提出了如下的優(yōu)化原流程的措施：

(1) 降低無硫甲醇閃蒸壓力，循環(huán)氣閃蒸罐I的壓力由原來的1200kPa(A)降壓至900kPa(A)閃蒸。并在循環(huán)氣閃蒸罐II后增加循環(huán)氣洗滌塔，從H2S濃縮塔底抽出一股甲醇溶液去洗滌閃蒸后的循環(huán)氣，使氣體中的大量CO2重新溶解于甲醇中，可有效降低循環(huán)氣氣體量，并增加H2和CO的回收率。

(2)在H2S濃縮塔頂增加一個減壓罐，在循環(huán)氣閃蒸罐I中閃蒸后的無硫甲醇液體減壓至190kPa(A)后去減壓罐，其中一部分減壓后的無硫甲醇(半貧甲醇)通過減壓罐底泵返回甲醇主洗塔上部，另一部分去H2S濃縮塔頂部，在保證凈化氣中CO2不超標的前提下，可明顯減少原流程中的貧甲醇循環(huán)量，達到降低冷量和減少高溫區(qū)熱再生系統(tǒng)負荷的雙重效果。

(3)增加一個汽提N2與循環(huán)氣壓縮機進口循環(huán)氣的換熱器。原流程中循環(huán)氣壓縮機入口的氣體溫度較低可與進N2汽提塔底部的較高溫度的N2換熱，可回收部分冷量。

3 優(yōu)化前后能耗對比

3.1 關鍵物流數(shù)據(jù)

選擇600kt/a煤制甲醇裝置對應的低溫甲醇洗高硫工況進行分析，制冷介質為丙烯，年操作時間為8000h。利用PRO/II軟件對優(yōu)化后的低溫甲醇洗流程進行模擬計算，得到的主要流股的物流數(shù)據(jù)見表1。

由表1可見，優(yōu)化的低溫甲醇洗工藝仍能滿足凈化氣的工藝指標、克勞斯氣體的生產(chǎn)要求和尾氣排放的標準。經(jīng)優(yōu)化后的工藝可直接從無硫中壓甲醇富液中分離得到摩爾分率大于99mol%的高純度CO2產(chǎn)品。該產(chǎn)品可再經(jīng)過提純、壓縮液化得到的液態(tài)二氧化碳產(chǎn)品做為油田驅油劑，可降低CO2排放量，有利于保護環(huán)境。

由于無硫甲醇在更低壓力下閃蒸，并通過富甲醇對循環(huán)氣的洗滌，可回收循環(huán)氣中更多的有效氣(H2+CO)，提高整個系統(tǒng)有效氣的回收率，由表1可知，優(yōu)化后的有效氣回收率較原流程提高了0.1%。

此外，優(yōu)化前克勞斯氣體中H2S含量為67.34mol%，優(yōu)化后H2S含量可提高至73.74mol%，克勞斯氣體中較高的H2S含量有利于下游硫回收裝置的平穩(wěn)運行，提高其硫回收率，降低操作成本等優(yōu)點。

表1 優(yōu)化后主要流股數(shù)據(jù)

3.2 關鍵工藝參數(shù)對比

3.2.1 甲醇循環(huán)量

優(yōu)化前后的低溫甲醇洗流程中甲醇循環(huán)量對比見表2。

表2 優(yōu)化前后甲醇循環(huán)量對比 (t/h)

由表2可知，優(yōu)化后的低溫甲醇洗流程中進入主洗塔CO2吸收段的貧甲醇流量小于優(yōu)化前的流程，用一股更低溫度的半貧甲醇作為CO2吸收段的吸收溶劑，增強了主洗塔對CO2的吸收效果，優(yōu)化后的流程中貧甲醇循環(huán)量較原流程降低了22.5%。

3.2.2 電耗對比

優(yōu)化前后的低溫甲醇洗流程中主要耗電設備的電量消耗對比見表3。

電耗主要用于甲醇循環(huán)輸送和循環(huán)氣壓縮。從表3中可以看到，原低溫甲醇洗工藝的電量為1908kW，但經(jīng)過優(yōu)化后的工藝流程電耗增大至2201kW，增加了293kW。這是由于所有吸收酸性氣的富甲醇都需經(jīng)閃蒸回收有效氣，優(yōu)化后的工藝流程中富甲醇的循環(huán)量大，并且閃蒸壓力更低，導致閃蒸出的循環(huán)氣量也大，因此，循環(huán)氣壓縮機的電耗也相應增加。此外，優(yōu)化后的工藝流程中貧甲醇泵、富甲醇泵I、富甲醇泵II和富甲醇泵IV的耗電量小于原流程，但由于多了1股半貧甲醇作為主洗塔脫碳段的吸收溶劑，多了1組半貧甲醇泵，且該泵與貧甲醇泵類似，所以泵的總電量消耗稍大于原工藝流程。

表3 優(yōu)化前后電量對比

3.2.3 蒸汽消耗量對比

低溫甲醇洗流程中蒸汽消耗主要用于甲醇熱再生系統(tǒng)的再沸器，其中熱再生塔塔底再沸器和甲醇-水分餾塔塔底再沸器均采用0.7MPa(G)的低壓飽和蒸汽。優(yōu)化前后的低溫甲醇洗流程中低壓蒸汽消耗量對比見表4。

表4 優(yōu)化前后工藝蒸汽消耗量對比表

由表4可知，優(yōu)化后的流程中低壓蒸汽消耗量較原流程降低了13.3%。由于低壓蒸汽的消耗量主要取決于進入甲醇熱再生系統(tǒng)的甲醇量，優(yōu)化后的流程較原流程由于貧甲醇循環(huán)量小，故其甲醇熱再生系統(tǒng)所需的低壓蒸汽量也相應較少。

3.2.4 冷量消耗對比

優(yōu)化前后的低溫甲醇洗流程中冷量消耗對比見表5。

表5 優(yōu)化前后冷量消耗對比

從表5中可以看到，原低溫甲醇洗工藝的冷量高達5322kW，而經(jīng)過優(yōu)化后的工藝流程，冷量消耗降低到4428kW，節(jié)省冷量高達16.8%左右。這是由于優(yōu)化后的工藝流程使主洗塔的溫度更低，有利于提高CO2在甲醇中的溶解度，同時，由于單位質量甲醇中溶解的CO2多，使富甲醇在低壓閃蒸時可達到更低的溫度，有利于降低系統(tǒng)溫度，進而減少了系統(tǒng)中貧甲醇循環(huán)量，降低了系統(tǒng)的冷量消耗。

3.2.5 操作費用對比

優(yōu)化前后的低溫甲醇洗流程主要操作費用對比見表6。

從表6中可見，優(yōu)化后的低溫甲醇洗流程較原流程每年節(jié)省操作費用312萬元。

4 結語

(1)冷量消耗大小是衡量低溫甲醇洗裝置能耗的重要指標。低溫甲醇洗的原流程中，為了保持系統(tǒng)中的低溫環(huán)境，需要消耗較大的冷量。本文在對原低溫甲醇洗流程成功模擬的基礎上對其進行優(yōu)化設計，提出了3個優(yōu)化措施：無硫甲醇更低壓力下的閃蒸來增大制冷能力；在循環(huán)氣壓縮機進口增加一個循環(huán)氣洗滌塔，降低循環(huán)氣量，并提高有效氣回收率；增加一個汽提N2與循環(huán)氣壓縮機進口循環(huán)氣的換熱器。

表6 優(yōu)化前后主要操作費用對比

注：① 冷量按電耗3125 kW，循環(huán)水消耗2240 t折算；②冷量按電耗2600 kW，循環(huán)水消耗1864 t折算。

(2)本文采用PROII 流程模擬軟件對優(yōu)化后的低溫甲醇洗工藝進行全流程模擬計算，優(yōu)化后的低溫甲醇洗工藝仍能滿足凈化氣的工藝指標、克勞斯氣體的生產(chǎn)要求和尾氣排放的標準。

(3)通過優(yōu)化前后的低溫甲醇洗流程能耗對比發(fā)現(xiàn)：優(yōu)化后的系統(tǒng)會比原流程節(jié)省冷量約16.8%，節(jié)省低壓蒸汽消耗量約13.3%，但優(yōu)化后的流程電耗稍高于原流程。操作費用上，優(yōu)化后的流程能較原流程每年節(jié)省操作費用約312萬元。此外，優(yōu)化后的流程得到了一股高純度的CO2氣體，并使克勞斯氣體中H2S含量得到一定程度的提高。因此，本文提出的優(yōu)化措施可以使原低溫甲醇洗流程達到節(jié)能減排的效果。

1 趙鵬飛，李水弟，王立志.低溫甲醇洗技術及其在煤化工中的應用[J].化工進展，2012，31(11)：2442-2447.

2 齊勝遠.全貧液、半貧液低溫甲醇洗工藝技術比較[J].化肥工業(yè)，2013，40(4)：56-60.

3 張海軍，趙晉，王強.低溫甲醇洗裝置冷量優(yōu)化措施[J].大氮肥，2006，29(5)：313-315.

4 孟令凱.低溫甲醇洗工藝的技術優(yōu)化[J].山東化工，2015，44(16)：145-147.

5 唐宏青.現(xiàn)代煤化工技術[M].北京：中國化學工業(yè)出版社，2009.

2016-12-09)

*蔣曉偉：高級工程師。1997年畢業(yè)于西北大學精細化工專業(yè)。從事化工工藝設計工作。聯(lián)系電話：13379297591， E-mail:jxw1762@126.com。