周從文（遼寧大唐國(guó)際阜新煤制天然氣有限責(zé)任公司，遼寧 阜新 123000）

低溫甲醇洗尾氣處理工藝中廢熱回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)探討

周從文（遼寧大唐國(guó)際阜新煤制天然氣有限責(zé)任公司，遼寧 阜新 123000）

對(duì)低溫甲醇洗尾氣處理工藝中廢熱回收系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)及設(shè)備選型進(jìn)行分析，確定適合本項(xiàng)目的產(chǎn)汽壓力和溫度，選擇了適合本系統(tǒng)的廢熱鍋爐類型，并對(duì)此展開討論，以期為在該類項(xiàng)目的具體設(shè)計(jì)和選型方面提供參考。

廢熱回收;廢熱鍋爐;低溫甲醇洗

甲醇洗工藝是利用甲醇在低溫條件下對(duì)CO2、H2S、COS等酸性氣體溶解度大的物理特性，從而以甲醇為吸收劑，脫除工藝氣中的酸性氣體的工藝[1]。該工藝現(xiàn)已在煤氣天然氣、合成氨、甲醇、煤制油等諸多領(lǐng)域得以應(yīng)用[2]。在低溫甲醇洗工藝流程中，其排放的尾氣內(nèi)含有較高的低硫揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs），如若直接排放不僅造成了極大的資源浪費(fèi)，還會(huì)帶來很大的環(huán)保壓力，故需配置后續(xù)的尾氣處理裝置。目前主流的尾氣處理工藝，出口溫度在800～1000℃，采用相應(yīng)的廢熱回收系統(tǒng)對(duì)該熱能進(jìn)行回收，產(chǎn)生中壓或高壓過熱蒸汽，供廠內(nèi)動(dòng)力用或其他用途，是比較理想的選擇。

本文就大唐阜新煤制天然氣項(xiàng)目中甲醇洗尾氣處理中廢熱回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)展開探討。

1 工藝設(shè)計(jì)

1.1 入口工藝參數(shù)

本項(xiàng)目通過蓄熱式氧化器裝置（以下簡(jiǎn)稱RTO），采用蓄熱燃燒法凈化處理甲醇洗尾氣。經(jīng)RTO處理后的甲醇洗尾氣參數(shù)如下：

表1 RTO出口甲醇洗尾氣參數(shù)

1.2 所產(chǎn)蒸汽壓力選擇

選擇合適的蒸汽壓力，需綜合考慮廠內(nèi)蒸汽需求、投資成本、工藝氣參數(shù)和裝置可靠性等各方面的因素。中低壓蒸汽，一般只能用作工藝用汽或熱源，難以用作動(dòng)力或發(fā)電；提高蒸汽的參數(shù)后（溫度和壓力），可使所產(chǎn)的蒸汽首先作為本廠的動(dòng)力應(yīng)用，之后再用作工藝用汽或供熱，從而使能源能夠更合理有效的利用。但提高參數(shù)，會(huì)增加裝置的設(shè)計(jì)難度，并增加設(shè)備和閥門的投資成本。因此一般對(duì)規(guī)模較小的裝置，往往選擇中低壓蒸汽參數(shù)；規(guī)模較大時(shí)，則多選用中高壓蒸汽參數(shù)。

本項(xiàng)目甲醇洗尾氣量較大，熱品位較高，廠內(nèi)有蒸汽動(dòng)力需求；裝置運(yùn)行環(huán)境苛刻，裝置設(shè)計(jì)有一定的設(shè)計(jì)難度，但在硫回收、合成氨等運(yùn)行環(huán)境相似的項(xiàng)目或更苛刻的項(xiàng)目中有成功應(yīng)用先例。故綜合考慮以上因素后，擬采用中高壓蒸汽參數(shù)，要求該廢熱回收裝置產(chǎn)9.5Mpa（G），535℃的過熱蒸汽。

1.3 工藝流程設(shè)計(jì)

通過用proII工藝軟件對(duì)該廢熱回收系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，初步設(shè)計(jì)該廢熱回收系統(tǒng)的工藝流程?？紤]到經(jīng)RTO裝置燃燒凈化后的甲醇尾氣溫度高達(dá)880～1000℃，設(shè)計(jì)制造在該溫度下工作的蒸汽過熱器難度大于在該溫度工作的廢熱鍋爐，故設(shè)置兩個(gè)廢熱鍋爐，工藝氣先經(jīng)過一級(jí)廢熱鍋爐，初次降溫后再經(jīng)過蒸汽過熱器，工藝氣通過從蒸汽過熱器后再進(jìn)入二級(jí)廢熱鍋爐。

其具體流程如下：經(jīng)RTO裝置燃燒凈化后的甲醇尾氣，進(jìn)入一級(jí)廢熱鍋爐，進(jìn)行熱量交換降溫至570℃～620℃并副產(chǎn)9.5Mpa的飽和蒸汽；甲醇尾氣隨后進(jìn)入蒸汽過熱器，降溫至425℃～475℃并將蒸汽過熱；之后，甲醇尾氣進(jìn)入二級(jí)廢熱鍋爐降溫至300℃～350℃并副產(chǎn)9.5Mpa的飽和蒸汽；而后甲醇尾氣進(jìn)入給水預(yù)熱器，將鍋爐給水預(yù)熱至200～240℃；甲醇尾氣最后通過給水預(yù)熱器出口進(jìn)入下一工藝流程。一級(jí)廢鍋和二級(jí)廢鍋通過產(chǎn)生的飽和蒸汽經(jīng)過汽包進(jìn)行汽水分離后，通過飽和蒸汽總管進(jìn)入蒸汽過熱器，將飽和蒸汽過熱至～535℃的過熱蒸汽。（見圖1）

2 廢熱回收設(shè)備的設(shè)計(jì)

2.1 廢熱鍋爐選型

比對(duì)相似工況的廢熱回收系統(tǒng)，該裝置有兩種廢熱鍋爐型式可供選擇，即水管式廢熱鍋爐和火管式廢熱鍋爐[3]。

可用于該裝置的水管式廢熱鍋爐的蒸發(fā)受熱面為蛇管管束，飽和汽水在蛇管管束管內(nèi)，高溫工藝氣在管間。蛇管管束通過上下集箱與汽包相連，水循環(huán)采用強(qiáng)制循環(huán)[4]。該結(jié)構(gòu)和電廠鍋爐比較相似，可在殼體上設(shè)置工藝氣引出復(fù)線，用以實(shí)現(xiàn)工藝氣出口溫度的調(diào)節(jié)。

可用于該裝置的火管式廢熱鍋爐工藝結(jié)構(gòu)上類似于管殼式換熱器，工藝氣走管程，飽和汽水走殼程。汽水混合物通過上升、下降管與汽包相連，水循環(huán)采用自然循環(huán)。換熱管管束中間可設(shè)置一中心管，配中心調(diào)節(jié)閥，以實(shí)現(xiàn)工藝氣出口溫度調(diào)節(jié)，可不另設(shè)置工藝復(fù)線[5]。

圖1 廢熱回收系統(tǒng)流程圖

經(jīng)反復(fù)比較，推薦使用火管式廢熱鍋爐，理由如下：

(1)設(shè)備運(yùn)行更穩(wěn)定

傳統(tǒng)的火管式廢熱鍋爐僅適用于管殼程溫差應(yīng)力較小，工藝氣溫度較低的工況，因?yàn)榫薮蟮臏夭顟?yīng)力會(huì)給設(shè)計(jì)制造帶來困難，而水管式廢熱鍋爐則不存在這方面的問題。但隨著撓性薄管板技術(shù)的推廣應(yīng)用，火管式廢熱鍋爐已經(jīng)適用于大型化設(shè)備；同時(shí)，國(guó)內(nèi)有專業(yè)研究廢熱鍋爐的研究設(shè)計(jì)單位，已完成多領(lǐng)域的大型撓性薄管板廢熱鍋爐國(guó)產(chǎn)化項(xiàng)目。國(guó)內(nèi)的撓性薄管板技術(shù)完全可解決本項(xiàng)目火管式廢熱鍋爐管殼間溫差應(yīng)力和管板熱應(yīng)力的問題，設(shè)計(jì)制造的設(shè)備能夠安全、可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行。

水管式廢熱鍋爐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝氣難以均勻分配，故難免存在氣體滯留區(qū)。氣體在滯留區(qū)容易發(fā)生露點(diǎn)腐蝕[6]，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)Q熱管因腐蝕而壞損（本項(xiàng)目的甲醇洗尾氣氣體組分存在二氧化碳露點(diǎn)腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)）；而在火管式廢熱鍋爐中，氣體通道簡(jiǎn)單，工藝氣易均勻分布，不會(huì)形成滯留區(qū)，避免了換熱管發(fā)生露點(diǎn)腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)投資少，節(jié)約空間

從熱力學(xué)的角度分析，在火管式廢熱鍋爐中，甲醇洗尾氣的流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在水管式廢熱鍋爐中的流速，進(jìn)而使之傳熱效率遠(yuǎn)高于水管式廢熱鍋爐。相同負(fù)荷的廢熱鍋爐，火管式廢熱鍋爐的換熱面積遠(yuǎn)小于水管式廢熱鍋爐，從而節(jié)約了設(shè)備投資。

火管式廢熱鍋爐的結(jié)構(gòu)類似于管殼式換熱器，而水管式廢熱鍋爐的結(jié)構(gòu)類似于電站鍋爐；相同換熱面積的火管式廢熱鍋爐比水管式廢熱鍋爐結(jié)構(gòu)緊湊的多，設(shè)備投資也要少很多。

水管式廢熱鍋爐需采用強(qiáng)制循環(huán)，要設(shè)置循環(huán)泵；而火管式廢熱鍋爐采用自然循環(huán)不需要設(shè)置循環(huán)泵，從而減少了動(dòng)力消耗和設(shè)備投資，同時(shí)減少了操作和設(shè)備維護(hù)的工作量。

由于火管式廢熱鍋爐結(jié)構(gòu)緊湊，且所需的換熱面積小，其占地面積也遠(yuǎn)小于水管式廢熱鍋爐，可有效節(jié)約廠區(qū)空間。

(3)操作便捷

由于火管式廢熱鍋爐不需設(shè)置循環(huán)泵，故無需監(jiān)控、維護(hù)循環(huán)泵及配套的電器儀表；同時(shí)，一旦出現(xiàn)斷電，不會(huì)對(duì)廢熱鍋爐產(chǎn)生較大危害。

火管式廢熱鍋爐可在設(shè)備內(nèi)部設(shè)置中心旁路管，當(dāng)生產(chǎn)負(fù)荷發(fā)生變動(dòng)時(shí)，可很方便的調(diào)節(jié)出口溫度，使廢熱鍋爐出口工藝氣溫度保持穩(wěn)定。而水管式廢熱鍋爐如需要調(diào)節(jié)出口溫度，則必須另行設(shè)置調(diào)節(jié)復(fù)線，為高達(dá)800～1050℃的高溫甲醇洗尾氣設(shè)置調(diào)節(jié)復(fù)線，設(shè)計(jì)制造及操作難度都極大。可以認(rèn)為，難以實(shí)現(xiàn)在這個(gè)溫度下設(shè)置復(fù)線調(diào)節(jié)出口溫度，而不對(duì)出口溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，會(huì)給實(shí)際生產(chǎn)操作和后續(xù)工藝流程帶來一定的困難。

水管式廢熱鍋爐對(duì)水質(zhì)的要求高于火管式廢熱鍋爐，原因如下：在火管式廢熱鍋爐中，水中不溶性的雜質(zhì)及渣粒等，可沉積在廢熱鍋爐殼體下部，可通過間斷排污排出；而水管式廢熱鍋爐中，水中不溶性的雜質(zhì)及渣粒等物會(huì)沉積在換熱管內(nèi)；此外，換熱管上積垢后，火管式廢熱鍋爐的清洗工作比水管式廢熱鍋爐便捷。

火管式廢熱鍋爐僅在前后管箱設(shè)有耐火材料，耐火材料用量少，可減少后期維修工作量；同時(shí)，由于耐火材料用量少，爐內(nèi)蓄熱量少，開車升溫及停車降溫速度均比水管式廢熱鍋爐快，有利于縮短開停車時(shí)間。

(4)有相似工況業(yè)績(jī)支持

目前，一般情況下在化工裝置中優(yōu)選火管式廢熱鍋爐。目前新上的硫回收、合成氨、制氫、甲醇等裝置，均使用的是火管式廢熱鍋爐。并且，很多之前使用的水管式廢熱鍋爐硫回收、合成氨等裝置已逐漸改為了火管式廢熱鍋爐。以硫回收裝置廢熱鍋爐為例，上海京騰化工有限公司140kt/a硫磺制酸裝置2006年3月改造;無錫東沃300 kt/a硫磺制酸裝置2008年改造;云南三環(huán)200 kt/a硫磺制酸裝置2009年改造；天津硫酸廠200 kt/a硫酸裝置在2010年改造。雖然火管式廢熱鍋爐在甲醇洗尾氣廢熱回收裝置中尚未有實(shí)施先例，但火管式廢熱鍋爐在這些類似工藝環(huán)境或更苛刻的工藝環(huán)境中的使用情況可作參照，可認(rèn)為，使用火管式廢熱鍋爐是安全可靠的，可保證裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 蒸汽過熱器及給水預(yù)熱器選型

目前，蒸汽過熱器主要有兩類，一類是類似于管殼式換熱器結(jié)構(gòu)的，一類是蛇管結(jié)構(gòu)，類似工業(yè)鍋爐中省煤器結(jié)構(gòu)的。前者換熱效率更高，但目前此類的蒸汽過熱器在中高壓蒸汽過熱器領(lǐng)域應(yīng)用較少，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。后者則有成熟的使用經(jīng)驗(yàn)，因此選擇蛇管結(jié)構(gòu)的蒸汽過熱器。

低溫甲醇洗尾氣經(jīng)過給水預(yù)熱器時(shí)溫度已經(jīng)較低，工作環(huán)境已不很苛刻，水側(cè)和工藝氣側(cè)的溫差較小，管殼程之間的溫差應(yīng)力不大，選用一般的管殼式換熱器即可，選型難度不大。

3 結(jié)語

根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況，本低溫甲醇洗尾氣廢熱回收系統(tǒng)副產(chǎn)9.5Mpa（G），535℃的過熱蒸汽，以達(dá)到能源能夠更合理有效的利用。在具體設(shè)備設(shè)置方面，涉及一級(jí)廢熱鍋爐和二級(jí)廢熱鍋爐兩個(gè)廢熱鍋爐，在兩個(gè)廢熱鍋爐之間設(shè)置蒸汽過熱器，從而達(dá)到即保證蒸汽能夠過熱到指定溫度，又不給具體設(shè)計(jì)制造帶來過多的困難。

通過仔細(xì)比對(duì)和分析，可認(rèn)為傳統(tǒng)認(rèn)為的火管式廢熱鍋爐的缺點(diǎn)和使用限制已隨著撓性薄管板廢熱鍋爐技術(shù)的成熟而改變，故確定采用設(shè)備運(yùn)行更穩(wěn)定、投資更少、更節(jié)約空間、操作更便捷的火管式廢熱鍋爐；蒸汽過熱器、給水預(yù)熱器等裝置可按選常規(guī)設(shè)備，選型難度不大。

通過對(duì)該項(xiàng)目低溫甲醇洗尾氣廢熱回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)探討，以期為在該項(xiàng)目的具體設(shè)計(jì)和選型上提供參考。

[1]Comparison of purification processes of natural gas ob?tained from three different regions in the world[J].Tansel Koyun,Mehmet Kunduz,Hakan F.Oztop,Ibrahim Ucgul.Journal of Natural Gas Chemistry.2012(01).

[2]張言村等，低溫甲醇洗技術(shù)及其在煤化工中的應(yīng)用[J].長(zhǎng)沙：化工設(shè)計(jì)通訊，2016:42(5):19.

[3]古大田，方子風(fēng)等.廢熱鍋爐[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002:8-15.

[4]袁紹華，蔡武昌等.廢熱鍋爐技術(shù)問答[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008:21-26.

[5]馮殿義，李曉東等.廢熱鍋爐維修手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009:6-45.

[6]王渭清.大型硫磺制酸廢熱回收設(shè)備的設(shè)計(jì)與布置[J]南京：硫酸工業(yè)，2012(5):24～28.

the low temperature methanol washing tail gas treat?ment technology of waste heat recovery system process design and equipment selection were analyzed,and determine the suitable for producing steam pressure and temperature in the project,chose the waste heat boiler type suitable for this system,and discuss it,in order to in the specific design of the project and provide reference for the selection.

heat recovery;waste heat boiler;low temperature methanol washing

周從文（1973-），男，湖北仙桃，1996年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)安全工程專業(yè)，現(xiàn)從事煤化工技術(shù)管理和生產(chǎn)管理工作。