劉 暢，李繁榮，詹 信，安 帥

（中國五環(huán)工程有限公司，湖北武漢 430223）

低溫甲醇洗工藝（Rectisol）采用低溫甲醇作為溶劑脫除酸性氣體，對CO2、H2S和COS的吸收有很高的選擇性，對H2、CO等組分溶解極少。低溫甲醇洗工藝廣泛應(yīng)用在國內(nèi)外合成氨、氣體凈化等裝置。當(dāng)前普遍采用丙烯制冷或氨制冷工藝，提供低溫甲醇洗所需冷量?；拿簹饩C合利用項目中，原料氣中CO2分壓較低，甲醇循環(huán)量和氣提氮氣量較大，設(shè)備尺寸和能耗受制冷溫位影響，需要系統(tǒng)權(quán)衡制冷溫度和制冷介質(zhì)。

1 低溫甲醇洗工藝過程與冷量平衡

低溫甲醇洗工藝中，含CO2的富甲醇降壓閃蒸氣提再生時，CO2解吸的制冷效應(yīng)使得系統(tǒng)達到該工藝的最低溫度。該低溫冷量被回收用于冷卻甲醇吸收劑。低溫甲醇溫度越低，CO2吸收率越高，就有利于獲得更低的系統(tǒng)溫度。系統(tǒng)的最低溫度受原料氣CO2濃度、甲醇循環(huán)量、解析初始溫度等因素影響，需要統(tǒng)籌考慮。

液態(tài)丙烯或者液氨制冷劑通過蒸發(fā)變成-40℃左右低溫氣體，所提供冷量主要用于平衡酸性氣吸收階段放出的熱量。通常在吸收階段，用內(nèi)部流股或者制冷劑蒸發(fā)制冷帶走吸收酸性氣產(chǎn)生的溶解熱。

焦爐煤氣是指用幾種煙煤配制成煉焦用煤，在煉焦爐中經(jīng)過高溫干餾后，在產(chǎn)出焦炭和焦油產(chǎn)品的同時所產(chǎn)生的一種可燃性氣體。由于可燃成分多，屬于高熱值煤氣或荒煤氣。長期以來，荒煤氣多用于燃燒發(fā)電或直接燃燒放空，其資源的有效利用一直是行業(yè)難題?；拿簹庵泻琀2和CO含量較高，分離提取后可用于合成氨、乙二醇等項目。荒煤氣的凈化工藝要考慮煤氣特點，最大程度節(jié)省投資、降低能耗，選取合適的凈化工藝。

本文以某荒煤氣能源綜合利用制乙二醇/合成氨為例，探討荒煤氣凈化環(huán)節(jié)中低溫甲醇洗工藝制冷方式的選擇。

2 工藝流程模擬

荒煤氣是混合物，其產(chǎn)率和組成因煉焦用煤質(zhì)和焦化過程條件不同而有所差異，本項目荒煤氣經(jīng)轉(zhuǎn)化和CO變換后組成，如表1所示，變換氣氣量為221 612m3/h，壓力2.25MPa（G）；未變換氣氣量為210 302m3/h，壓力2.35MPa（G）。

表1 原料氣組成

由表1可知，變換氣和未變換氣中CO2含量較低，總硫含量也較低。因此凈化工藝要求吸收能力強，溶劑循環(huán)量小，并且對硫有較高的選擇性和脫除率。先不考慮換熱網(wǎng)絡(luò)，利用Aspen plus軟件，熱力學(xué)方程選用PC-SAFT，吸收塔基于rate-based計算，建立裝置的全流程穩(wěn)態(tài)模型，研究洗滌塔吸收酸性氣過程中溶解熱及冷源匹配問題。如圖1所示。

圖1 工藝流程模擬

當(dāng)設(shè)計工況的模擬結(jié)果與設(shè)計值接近時，可認為模型可用。本文重點對吸收塔的模擬值與設(shè)計值進行對比。

表2 變換氣洗滌塔模擬值與設(shè)計值的對比

從表2的對比結(jié)果可以看到，各組分的摩爾分數(shù)基本吻合，溫度也較為吻合。因此認為該流程模擬可以較為準確的描述工藝，可用于工藝優(yōu)化研究。

通過Aspen模擬計算，變換氣洗滌塔（從上往下依次為A～D）A和B段間富甲醇溫度為-40～-41℃，考慮生產(chǎn)運行波動，變換氣洗滌塔A和B段間富甲醇冷卻用冷源溫位建議在-42～-45℃，移走酸性氣吸收階段放出的熱量。

3 制冷方式和溫位優(yōu)化

低溫甲醇洗的冷量平衡涉及自冷效應(yīng)、換熱網(wǎng)絡(luò)和功熱交換。需要結(jié)合工藝過程、換熱網(wǎng)絡(luò)和公用工程進行系統(tǒng)優(yōu)化。

夾點技術(shù)是目前應(yīng)用較為廣泛的熱集成技術(shù)，將熱力學(xué)和系統(tǒng)工程相結(jié)合，對過程系統(tǒng)的能量進行優(yōu)化配置，提高系統(tǒng)的能量利用率。利用夾點技術(shù)設(shè)計換熱網(wǎng)絡(luò)時應(yīng)遵循3個基本原則：①不應(yīng)有跨越夾點的換熱；②夾點之上不應(yīng)設(shè)置任何公用工程冷卻器；③夾點之下不應(yīng)設(shè)置任何公用工程加熱器。

提取低溫甲醇洗裝置冷熱物流數(shù)據(jù)，利用Aspen Energy Analyzer軟件建立換熱網(wǎng)絡(luò)模型。由圖2公用工程復(fù)合曲線圖可知，最小加熱公用工程為5 861kW，最小冷卻公用工程為6 932kW。低溫甲醇洗的冷卻公用工程有循環(huán)冷卻水和制冷劑。制冷劑冷源溫位越低，傳熱推動力越大，有利于降低裝置投資，但是越低品味冷源需要消耗更多的壓縮軸功，需要系統(tǒng)優(yōu)化。如表3所示。

圖2 公用工程復(fù)合曲線圖

表3 低溫甲醇洗工序冷熱物流數(shù)據(jù)

續(xù)表

常用制冷劑主要有丙烯和液氨，其中丙烯的常壓沸點是-47.4℃，氣化潛熱是815kJ/kg，液氨的常壓沸點是-33.4℃，氣化潛熱是1263kJ/kg。丙烯制冷和氨制冷的工藝原理和工藝流程基本相同，只是物性有所差別。在滿足變換氣和未變換氣洗滌效果前提下，對比液氨和丙烯不同制冷溫度對應(yīng)的冷凍站和低溫甲醇洗公用工程消耗，如表4所示。

表4 不同冷源溫位下公用工程消耗對比

-42℃液氨制冷冷源方案下公用工程消耗較高，而且如果氨蒸發(fā)溫度不能保證，運行效果就不好保證，操作上也有風(fēng)險。采用-45℃丙烯制冷冷源方案，公用工程消耗較低，丙烯壓縮機實現(xiàn)起來較為容易，業(yè)績較多，操作風(fēng)險低。另外項目現(xiàn)場無氨和丙烯制冷劑，上述制冷劑均需外購。綜合投資和公用工程消耗，采用-45℃丙烯制冷，滿足工藝冷源需求。

4 結(jié)束語

丙烯與氨制冷工藝，原理基本相同，對低溫甲醇洗的設(shè)備選型和能耗上各有特點。低溫甲醇洗制冷方式選擇，需要結(jié)合系統(tǒng)溫度需求，綜合考慮可利用的公用工程設(shè)置和冷劑的來源情況，進行能耗和投資對比，擇優(yōu)選定。