馬文亮

(云南解化清潔能源開發(fā)有限公司解化化工分公司，云南 開遠(yuǎn) 661600)

合成氨生產(chǎn)過程中，當(dāng)需要脫除的二氧化碳的溫度較高時(shí)，為了更好地利用原料氣攜帶的熱量，根據(jù)原料氣組分及雜質(zhì)情況可采用熱法吸收工藝。常用的熱法吸收工藝有本菲爾熱鉀堿吸收和MDEA吸收[1]。

本菲爾熱鉀堿于20世紀(jì)50年代由美國(guó)碳聯(lián)公司開發(fā)應(yīng)用，采用碳酸鉀水溶液加活化劑DEA作為吸收劑，在較高溫度下吸收是為了增加碳酸氫鉀的溶解度，并可用較濃的碳酸鉀溶液來提高吸收能力。脫碳系統(tǒng)采用苯菲爾催化熱鉀堿時(shí)，苯菲爾溶液對(duì)設(shè)備有強(qiáng)烈的腐蝕性[2]。 60年代發(fā)現(xiàn)，碳酸鉀溶液中添加某些活化劑，可以加速CO2的吸收速度。同時(shí)采用加入某些緩蝕劑(如V2O5)的方法來降低設(shè)備的腐蝕速率。該法在操作上的一個(gè)重要的問題是溶液一旦起泡，吸收塔和再生塔阻力明顯增加，嚴(yán)重時(shí)則發(fā)生攔液、泛塔等事故。該工藝流程簡(jiǎn)單，但脫碳凈化度較低(一般凈化氣中CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.3%～0.5%)，溶液循環(huán)量大，溶液循環(huán)電耗高，再生熱耗高，溶液水汽共存區(qū)域容易產(chǎn)生結(jié)晶影響裝置長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行[3]。

MDEA脫碳工藝于20世紀(jì)70年代由德國(guó)巴斯夫開發(fā)。80年代末，國(guó)內(nèi)以南化院為代表的相關(guān)研究單位消化吸收了國(guó)外技術(shù)，并開發(fā)了添加不同活化劑的MDEA(醇胺)脫碳工藝。例如，MDEA+DEA、MDEA+DIPA或MDEA+復(fù)合型活化劑(DEA+DIPA)等。通過多年生產(chǎn)實(shí)踐表明，MDEA脫碳法凈化度高(0.1%以內(nèi))，熱能耗低，腐蝕性小，溶液穩(wěn)定，不降解，流程簡(jiǎn)單，氫氮?dú)馊芙鈸p失少，吸收壓力范圍廣[4]。

1 公司裝置現(xiàn)狀及存在的問題

1.1 脫碳裝置現(xiàn)狀

云南解化清潔能源開發(fā)有限公司解化化工分公司合成氨采用魯奇固定加壓氣化工藝，該氣化過程煤氣含有甲烷組分，通過液氮洗裝置和PSA裝置分離后產(chǎn)生富甲烷氣體。富甲烷氣通過甲烷轉(zhuǎn)化裝置轉(zhuǎn)化為一氧化碳、氫氣和二氧化碳，通過中變裝置和低變裝置將一氧化碳轉(zhuǎn)化成氫氣。因變換氣溫度高達(dá) 220 ℃，原設(shè)計(jì)為更好地利用變換氣攜帶熱量，采取熱法脫碳工藝。公司目前有3套并聯(lián)運(yùn)行的脫碳裝置，其中2套為本菲爾—熱鉀堿脫碳裝置(618和大塔裝置)，一套為MDEA脫碳裝置。各裝置處理能力見表1。

表1 公司三套熱法脫碳的處理能力

1.2 現(xiàn)有脫碳裝置存在的問題

618、大塔脫碳裝置采用傳統(tǒng)本菲爾—熱鉀堿脫碳工藝，受技術(shù)限制脫碳效果較差，凈化氣中CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.3%～0.4%，增加了后續(xù)甲烷化的負(fù)荷及氨合成中惰性氣體的數(shù)量，影響后工序的運(yùn)行。

2 MDEA脫碳裝置流程優(yōu)化及Aspen模擬分析

2.1 裝置流程優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

MDEA脫碳裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)思路如下：

1)為充分利用變換氣的熱量，新增了1臺(tái)廢鍋、1臺(tái)汽提再生塔變換氣煮沸器，3臺(tái)變換氣冷卻器。

2)為充分利用半貧液的熱量，新增了1臺(tái)半貧富液換熱器(板式換熱器)。

3)為充分利用工藝介質(zhì)的低位熱，新增了7臺(tái)高效表面蒸發(fā)式空冷器(噴淋+空冷的方式)，用工藝?yán)淠簛韲娏芾鋮s。由于水汽蒸發(fā)，冷凝液得到提濃。

4)大幅降低半貧液的吸收溫度(由 104 ℃ 降低至 55 ℃)，提高了半貧液的吸收能力，從而降低了貧液的循環(huán)量，使再生所需熱量大幅降低，用變換氣所含熱量就足夠。

2.2 裝置優(yōu)化流程配置

流程配置見圖1。低變后的變換氣匯集后，進(jìn)入新增廢鍋管程。取消原激冷水淬冷降溫方法，廢鍋副產(chǎn) 0.6 MPa 低壓蒸汽。將變換氣溫度由 223 ℃ 預(yù)計(jì)降至 165 ℃。變換氣出廢鍋后分為2股，分別為汽提塔再沸器和常壓解析塔再沸器提供熱源后溫度降低至 115 ℃，之后與出吸收塔釜富液在原料氣換熱器V101/102/103中換熱，進(jìn)一步為MDEA系統(tǒng)提供熱量，然后進(jìn)入原料空冷器V104/105/106被濕空氣預(yù)計(jì)冷卻至 40 ℃，進(jìn)入氣液分離器進(jìn)行氣液分離，分離后的變換氣進(jìn)入吸收塔。在吸收塔中與胺液進(jìn)行熱質(zhì)交換，貧胺液由吸收塔頂噴淋，半貧液由中部噴淋，經(jīng)過與胺液的熱質(zhì)交換后，原料氣中的CO2被胺液吸收脫除，脫除CO2的氣體為凈化氣，由吸收塔頂采出，之后分2股，經(jīng)水冷器降溫至 40 ℃，經(jīng)氣液分離后送至下游。凈化氣中CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)約 1000 mg/kg。吸收CO2后的胺液為富液，由吸收塔釜采出。

吸收塔釜采出的富液首先與來自常壓解析塔采出的部分半貧液換熱升溫，之后與變換氣進(jìn)行換熱升溫，然后進(jìn)入常壓閃蒸罐V103降壓閃蒸。閃蒸后富液經(jīng)泵增壓后進(jìn)入貧富液換熱器E113與汽提塔釜出來的貧液換熱后送入常壓解析塔頂部，閃蒸氣出的CO2氣體經(jīng)空冷器E116冷卻送出界區(qū)。

常壓解析塔氣相進(jìn)料為汽提再生塔塔頂?shù)臍怏w，由下部進(jìn)塔。另外，常壓解析塔塔釜設(shè)置一臺(tái)再沸器，由變換氣提供熱源，將富液初步汽提解析。經(jīng)初步汽提后的富液變?yōu)榘胴氁河伤沙?，半貧液分成兩股：一股?jīng)半貧液泵增壓后，經(jīng)半貧富液換熱器E113、半貧液空冷器E114冷卻后，送入吸收塔；另外一股半貧液經(jīng)泵加壓送入汽提再生塔，進(jìn)一步再生，最終變?yōu)樨氁河稍偕沙?，貧液?jīng)貧液泵增壓后，逐級(jí)經(jīng)貧富液換熱器E121和貧液空冷器E120冷卻后送入吸收塔頂。

考慮到廠區(qū)內(nèi)循環(huán)水水質(zhì)較差，被冷卻介質(zhì)在 70 ℃ 以上時(shí)，結(jié)垢嚴(yán)重，影響裝置正常運(yùn)行[5]。本方案考慮了采用空冷+加噴淋蒸發(fā)式冷卻方案。

本裝置充分利用原料氣自身熱量，正常運(yùn)行中無需額外消耗蒸汽，從而最大程度的降低了能耗。

2.3 裝置優(yōu)化流程配置全流程模擬分析

為預(yù)判流程工藝設(shè)計(jì)的可行性，采取化工流程模擬分析軟件Aspen plus進(jìn)行分析。為了判斷Aspen plus程模擬分析的可靠性，已使用Aspen plus對(duì)現(xiàn)狀MDEA流程進(jìn)了流程模擬，模擬結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行的情況進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，具有較高的符合性。

本次MDEA裝置優(yōu)化流程，通過Aspen plus程模擬情況如圖2。

根據(jù)Aspen plus全流程建模模擬優(yōu)化結(jié)果，MDEA經(jīng)過本次工藝流程優(yōu)化后，系統(tǒng)壓力 1.6 MPa，出口凈化氣中CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 1000 mg/kg，處理能力最大可達(dá) 95000 m3/h，可滿足全部轉(zhuǎn)化氣的脫碳能力。同時(shí)，蒸汽用量由現(xiàn) 29 t 減少至 0 t/h，廢鍋副產(chǎn) 0.6 MPa 低壓蒸汽 6 t/h 并入外網(wǎng)。

3 MDEA裝置關(guān)鍵設(shè)備核算

公司MDEA裝置采用國(guó)內(nèi)南化研究院工藝包，原化工部第二化學(xué)工程設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)，屬于國(guó)內(nèi)較早期工程項(xiàng)目建設(shè)裝置。在對(duì)MDEA裝置關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行能力計(jì)算分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，裝置在塔器設(shè)備選型時(shí)有一定的設(shè)計(jì)余量，為裝置的技術(shù)優(yōu)化擴(kuò)能提供了基礎(chǔ)條件。

通過工藝流程優(yōu)化及Aspen plus模擬分析，預(yù)測(cè)MDEA裝置最大可處理凈化氣為 95000 m3/h。針對(duì)現(xiàn)有MDEA裝置關(guān)鍵設(shè)備吸收塔、常壓塔及汽提塔進(jìn)行最大負(fù)荷核算。

3.1 吸收塔核算

MDEA裝置吸收塔為立式，規(guī)格為Ф2200/3400×47615 mm，填料形式250Y，填料總高 28 m，對(duì)吸收塔進(jìn)行了水力學(xué)校核。水力學(xué)校核情況如圖3、圖4。

由核算可知，按照原塔體尺寸及初步的填料方案，吸收塔的塔填料的泛點(diǎn)率在合適區(qū)域，運(yùn)行參數(shù)遠(yuǎn)離泛點(diǎn)率曲線，水力學(xué)核算可以滿足要求。

3.2 汽提再生塔核算

MDEA裝置汽提再生塔為立式，規(guī)格為Ф2200×32100 mm，填料形式為250Y，填料總高 14 m，對(duì)再生塔進(jìn)行了水力學(xué)校核。水力學(xué)校核情況如圖5、圖6。

通過水力學(xué)核算可知，目前再生塔的運(yùn)行參數(shù)已經(jīng)接近上限，不宜再提高負(fù)荷。

3.3 裝置常壓塔核算

MDEA裝置常壓塔為立式，規(guī)格Ф2200/3800×31050 mm，填料為增強(qiáng)型聚丙烯階梯環(huán)Ф50×25×1.5，填料總高 12 m，水力學(xué)校核如圖7。

由核算可知，常壓塔的塔填料的泛點(diǎn)率在合適區(qū)域，運(yùn)行參數(shù)遠(yuǎn)離泛點(diǎn)率曲線，水力學(xué)核算可以滿足要求。

4 結(jié)語

通過Aspen plus對(duì)MDEA脫碳裝置優(yōu)化節(jié)能改造全流程模擬，并對(duì)MDEA裝置塔器進(jìn)行水力學(xué)校核，分析研究得出改造是可行的，節(jié)能效果明顯。

改造后運(yùn)行1套MDEA裝置即可滿足脫碳系統(tǒng)要求，可停618和大塔脫碳裝置。

改造后用變換氣的熱能，主要為其中的蒸汽潛熱作為MDEA溶液再生的熱源，不僅可以節(jié)省大量的蒸汽，還可以在低變出口新增一臺(tái)低壓蒸汽廢鍋，同時(shí)能外供約 0.6 MPa 飽和低壓蒸汽，預(yù)期總計(jì)可以節(jié)約 35 t/h 的 0.6 MPa 蒸汽。

改造后凈化氣中二氧化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低到 1000 mg/kg 以下，送到甲烷化裝置的凈化氣可減少 180 m3/h 的二氧化碳?xì)怏w，甲烷化減少氫氣消耗 720 m3/h，并大幅減少合成氣惰性組分甲烷的含量。每年減少的氫氣消耗可多產(chǎn)合成氨約 2400 t。另外，由于甲烷含量降低，可提高合成氨的合成效率。