袁雪

（華油惠博普科技股份有限公司北京分公司，北京 100088）

二氧化碳具有在常溫下以氣態(tài)的形式呈現(xiàn)，經(jīng)加壓降溫后比較容易液化的特性，根據(jù)這一固有特性將二氧化碳原料氣冷凝液化、精餾提純等手段，可以產(chǎn)生純度達到99%以上的液態(tài)二氧化碳[1-2]。二氧化碳驅(qū)作為低滲透油田提高采收率的一項關(guān)鍵和實用技術(shù)發(fā)展迅速，油藏條件下，二氧化碳具有易流動、降粘、體積膨脹、降低界面張力的作用，在低滲透油藏開發(fā)有效補充地層能量、提高驅(qū)油效率方面表現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢[3-4]。氣體二氧化碳通過管道輸送或收集裝置送至液化提純裝置進行處理，成品液體二氧化碳可作為油田注入劑，有效地驅(qū)油和提高石油的采油率，也可作為碳捕獲后的產(chǎn)物在地層封存，減少氣體二氧化碳對環(huán)境的影響[5-6]。

本文以齊魯分公司100萬噸/年二氧化碳回收利用項目中二氧化碳液化提純裝置的模塊化設計為例，結(jié)合工藝、操作、施工等因素，對裝置工藝流程和總體布置進行了簡要的概述。對設計過程中的管道材質(zhì)及工藝閥門設計選型要點進行了分析。以模塊化及撬裝化技術(shù)應用為目標，闡述并分析了裝置內(nèi)的管道設計及其布置、保冷管架及保冷材料的設計選型要點。在滿足標準規(guī)范的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了裝置內(nèi)設備的布置，使得裝置具有較高的模塊化、撬裝化，為類似裝置的工程設計提供有益的借鑒。

1 二氧化碳液化提純裝置概述

1.1 工藝流程

如上所述，二氧化碳在常溫下以氣態(tài)的形式呈現(xiàn)，經(jīng)加壓降溫后比較容易液化。本裝置采用2.5MPa/-25℃加壓冷卻、液化二氧化碳的處理工藝，流程如圖1所示。來自上游煤制氣裝置的排放尾氣（CO2＞90mol%），首先進入壓縮單元經(jīng)增壓后，二氧化碳氣體經(jīng)溴化鋰冷卻水機組冷卻降溫，依次經(jīng)過干燥脫水、冷凝液化、精餾提純等工藝過程獲得液態(tài)CO2產(chǎn)品進入儲罐區(qū)儲存。工藝過程中二氧化碳的冷凝采用丙烯制冷裝置。

圖1 二氧化碳液化提純工藝流程

1.2 總體布置原則

二氧化碳液化提純裝置的設備布置，以撬裝化和單體布置相結(jié)合的方式為技術(shù)原則、采用三層框架平臺布置的方式為設計基礎(chǔ)。框架的地面一層主要布置塔器、立式容器、撬裝設備和泵、膨脹機與重量較大的液化器。塔器和立式容器的設備間距按照規(guī)范要求，兩塔之間的凈距不宜小于2.5m，除應滿足管道、平臺、儀表和小型設備等布置和安裝的要求外，尚應滿足操作、檢修等的需要[7]。二層框架平臺布置熱交換器與兩套撬裝設備，U型管式熱交換器在平臺一側(cè)預留出抽芯空間為原則。三層框架平臺布置塔頂冷凝器、安全閥放空閥組。裝置內(nèi)設備布置以塔器和立式設備中心線對齊、塔器和立式容器類放在裝置外側(cè)為主要原則，使其設備人孔、卸料口便于檢修并設置了檢修平臺。主要裝置設備布置如圖2所示。

圖2 模塊化提純裝置設備布置

1.3 裝置布置的特點及優(yōu)勢

通過采用模塊化集成技術(shù)，提高了裝置的撬裝化和可運輸性，有效縮短了現(xiàn)場工期。在保證合理的運輸尺寸與操作要求的情況下，最大程度采用設備撬裝化技術(shù)，形成了如分子篩閥組撬、進站緩沖罐閥組撬、再生氣電加熱器撬等設備。裝置內(nèi)的管線采取在工廠內(nèi)預制的方式，預留焊口到現(xiàn)場進行安裝，以減少現(xiàn)在的安裝工作量，縮短現(xiàn)場施工時間。

2 管道材質(zhì)的設計要點分析

2.1 管道材質(zhì)設計選型

干燥的二氧化碳氣體沒有腐蝕性，常規(guī)二氧化碳表現(xiàn)出的腐蝕性，主要是其溶于水生成碳酸而引起的電化學腐蝕所致[8-10]。本工程介質(zhì)中CO2為干氣，經(jīng)檢測氣體含水率僅100ppm，只需考慮再生氣分液罐連接管線處濕CO2腐蝕。根據(jù)業(yè)主要求，按照國標進行材料選取，采用Class系列法蘭標準[11]。管道材料選擇結(jié)果見表1：

表1 管道材料選擇原則及結(jié)果

2.2 工藝閥門選型原則

根據(jù)工藝要求和經(jīng)濟性能要求，裝置內(nèi)起關(guān)斷作用的閥門以閘閥、蝶閥、球閥為主。

介質(zhì)設計溫度在-20～-50℃之間的閘閥、球閥，閘板和球體要求在入口段（介質(zhì)上游）設置泄壓孔，避免閥門在關(guān)閉情況下，閥腔內(nèi)介質(zhì)因升溫升壓膨脹將閥門破壞。

介質(zhì)設計溫度在-20～-50℃之間的閘閥、截止閥，設計為閥桿加長結(jié)構(gòu)。加長桿結(jié)構(gòu)最大目的就是為了減少冷損，保證填料密封及操作安全順暢，加長桿閥蓋結(jié)構(gòu)可便于保冷施工，并使填料壓蓋處于保冷層外，有利于需要時隨時緊固壓蓋螺栓，也有利于添加填料時無需破開保冷層。

3 裝置內(nèi)管道設計的要點分析

裝置內(nèi)主要以原料氣入口溫度為8℃及其他過程介質(zhì)溫度在8℃～-50℃的低溫管道、分子篩再生流程的設計溫度260℃的高溫管道，以及膨脹機和屏蔽泵附屬管道三類管道，即低溫管道、高溫管道、動設備管道。這些管道設計不同于常規(guī)的設計，都具有其相應的要求和設計特點。

3.1 低溫道設計

低溫管線彎頭處應力最大，彎頭處最易脆裂，不宜在彎頭處焊接管道支吊架。工藝閥門安裝時，低溫閥的閥桿向上安裝，低溫閥的閥桿較長，安裝閥門要留出足夠的空間。

3.2 高溫管道設計

分子篩再生流程的管道設計溫度為260℃，需結(jié)合應力分析結(jié)果調(diào)整管道柔性和選擇合理的管架類型。如：再生氣管線增加π彎、分子篩塔頂管線承重管架要附塔等。

3.3 動設備外接管道設計

膨脹機附屬管道既是動設備管道又是低溫管道，該部分應注意管道柔性和選擇合理的管架類型。如：泵進口管道匯管要有足夠的柔性彎，泵進出口管道上要有限位管架等。膨脹機附帶的高位油箱潤滑油系統(tǒng)管道設計時應注意以下幾點：1 潤滑油管道要選用不銹鋼材質(zhì)，保證管道內(nèi)壁潔凈度；2 高位油箱與機組供油總管相接管道應短而直，減少彎頭，不得出現(xiàn)U型；3 為便于潤滑油管道去污清洗及酸洗鈍化，管道應分段用法蘭連接，管道最長短不宜大于4m，每根管道彎頭數(shù)量不應多于2個。

4 保冷材料的選型及管架設計要點分析

4.1 保冷管架設計

低溫保冷管道支架采取防止產(chǎn)生“冷橋”的措施。當?shù)蜏毓艿浪椒笤O時，比較常規(guī)的做法是在管道底部墊有木塊或硬質(zhì)保冷材料塊，以免管道中冷量損失。低溫管道彎頭處應力最大，不宜在彎頭處焊接管道支吊架。管道支架類型選擇有：承重架、滑動架、導向架、限位架等，根據(jù)不同的工況進行選擇[12]。裝置中保冷管架設計以帶PIR隔冷塊的耳軸、成品PIR管托為主。

4.2 管道保冷材料的選擇

管道及設備的保冷、防結(jié)露和減震降噪材料選用丁腈橡膠發(fā)泡制品，保冷結(jié)構(gòu)采用多層的柔性橡膠保冷材料錯縫包裹形成保冷層，接縫處的粘接應采用柔性保冷材料專用膠水。結(jié)果見表2。

表2 保冷材料選擇原則及結(jié)果

5 結(jié)語

該液化提純模塊化裝置已在齊魯分公司100萬噸/年二氧化碳回收利用項目中實施，通過對工程設計過程的分析，作者認為：

1）裝置模塊化設計是中小型石油化工裝置的設計趨勢，也為未來碳中和裝置的設計提供了新的設計思路，技術(shù)及經(jīng)濟意義重大；

2）在滿足標準規(guī)范的基礎(chǔ)上，模塊化設計優(yōu)化了裝置內(nèi)設備的布置與管道走向，保障了裝置的結(jié)構(gòu)緊湊，具有較高的撬裝化；

3）管道選材需考慮濕二氧化碳環(huán)境對金屬的腐蝕，應考慮采用奧氏體不銹鋼等類型材料；

4）低溫和高溫管道的設計應結(jié)合材料的特性和介質(zhì)的特性將進行特殊的設計；

5）低溫保冷管道容易產(chǎn)生冷橋及管道脆裂等，其管道支架的選型及跨距應結(jié)合應力分析計算等重點設計。