劉欣慧(大唐國(guó)際克什克騰煤制天然氣有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 赤峰 025350)

0 引言

低溫甲醇洗裝置在滿負(fù)荷運(yùn)行期間，二氧化碳排放氣中有效氣組分甲烷含量平均大于2%。按照兩個(gè)單元設(shè)計(jì)氣量22.8 萬(wàn)Nm3/h 計(jì)算，排入大氣的CH4含量高達(dá)4 560 Nm3/h，造成有效氣體嚴(yán)重浪費(fèi)，目前通過工藝手段調(diào)整無(wú)法整體降低排放氣中的CH4含量。

根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，排放氣中攜帶的CH4主要是在K001、K002 塔甲醇吸收粗煤氣中的CH4后，在K003I、K004I 未全部閃蒸出來，無(wú)法通過循環(huán)壓縮機(jī)回收至系統(tǒng)，只能通過排放至大氣。且從歷次分析數(shù)據(jù)來看，K003II 中攜帶的CH4含量最高，因此需要對(duì)K003I 至K003II 流程進(jìn)行增加閃蒸改造，通過壓縮機(jī)(利舊煤鎖氣壓縮機(jī))回收閃蒸氣以有效降低整體排放氣中的CH4含量。

遵循亨利定律可知，氣體的分壓越大，其在溶液中的溶解度也就越大。所以，增加壓力有利于吸收。反之，降低壓力有利于解吸。

因此通過降低壓力來確保甲醇中溶解的CH4回收至系統(tǒng)內(nèi)，因此擬通過增加一臺(tái)閃蒸罐及壓縮機(jī)，將K003I 的甲醇在0.4 MPa 下進(jìn)行閃蒸，閃蒸氣體進(jìn)行回收，來降低排放氣中的CH4含量。

1 進(jìn)行改造的系統(tǒng)或設(shè)備情況

1.1 系統(tǒng)或設(shè)備簡(jiǎn)述

低溫甲醇洗吸收系統(tǒng)主要將粗煤氣中的油、HCN、CO2、H2S 等進(jìn)行洗滌吸收，粗煤氣經(jīng)過硫化氫吸收塔和二氧化碳吸收塔洗滌吸收后，制得符合設(shè)計(jì)指標(biāo)的凈化氣。富甲醇溶液主要通過減壓閃蒸、氣提、加熱再生方式解析出氣體，其中含有低濃度H2S的排放氣經(jīng)過水洗脫醇后，送至排放筒排放[3]。

在二氧化碳閃蒸塔K003Ι 閃蒸段，大部分有用氣體(CO、H2、CH4)在1.1 MPa 壓力下閃蒸出來，用半貧甲醇吸收液進(jìn)行吸收，閃蒸氣中的大量CO2被重新吸收。被吸收之后的閃蒸氣通過燃料氣壓縮機(jī)V001 加壓至3.6 MPa 后回到粗煤氣分離器F001 氣相出口返回粗煤氣系統(tǒng)。K003Ι 底部富含CO2的甲醇通過K003II 減壓閃蒸以及K003 Ⅲ減壓、氮?dú)鈿馓?，CO2氣體最終完全被解析出來，未在K003I閃蒸的有效組分如：CH4、CO、H2等氣體與閃蒸出的CO2氣體，通過K006 塔水洗后排放至大氣。

1.2 技術(shù)狀況及參數(shù)

(1)K003I 一段閃蒸氣設(shè)計(jì)流量：3 742 Nm3/h，溫度-47 ℃，壓力1.1 MPa；H2S 濃縮塔一段閃蒸氣設(shè)計(jì)流量：1 227 Nm3/h，溫度-53 ℃，壓力1.1 MPa。

(2)K003II 閃蒸氣設(shè)計(jì)流量：38 021 Nm3/h，溫度-48.8 ℃，壓力0.2 MPa。

(3)燃料氣壓縮機(jī)數(shù)據(jù)：排氣壓力：3.895 MPa，最大允許工作壓力：4.285 MPa，最大允許排氣溫度：150 ℃，排氣量：5 916 Nm3/h。

2 投資的目的、意義和必要性

2.1 提高人身、設(shè)備和系統(tǒng)的安全性

前期裝置滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)凈化氣硫含量會(huì)出現(xiàn)超出設(shè)計(jì)指標(biāo)(200×10-3mg/L)的情況，其原因可能是因?yàn)槎趸嘉账敎囟雀哂谒胁繙囟?，造成有機(jī)硫噻吩脫出效果下降。凈化氣總硫高將會(huì)影響下游甲烷化裝置催化劑的使用壽命。由于甲醇的溫度越低，吸收效果越好，若將二氧化碳吸收塔塔頂洗滌用貧甲醇溫度降低，可以有效減少凈化氣硫含量，延長(zhǎng)甲烷化裝置催化劑的使用壽命。在保持相同的吸收效果下，系統(tǒng)循環(huán)量也會(huì)相應(yīng)減少，同時(shí)降低裝置的能耗[1]。

在低溫甲醇洗AB 單元分別增設(shè)了一臺(tái)貧甲醇/半貧甲醇換熱器(51/52-W101)，將進(jìn)入CO2吸收塔(51/52-K002)前的貧甲醇/ 半貧甲醇進(jìn)行換熱，降低二氧化塔吸收塔(51/52-K002)頂操作溫度，提高貧甲醇脫硫效果，減少洗滌甲醇流量，降低裝置生產(chǎn)成本。

原設(shè)計(jì)中燃料氣壓縮機(jī)入口分液罐設(shè)計(jì)壓力為1.1 MPa，設(shè)計(jì)壓力偏低，為了保證裝置安全，在實(shí)際運(yùn)行中二氧化碳解析塔K003 Ⅰ段和硫化氫濃縮塔K004 Ⅰ段壓力操作壓力在1.0 ～1.1 MPa 之間，富碳甲醇中的甲烷在K003 Ⅰ閃蒸不徹底，進(jìn)而在二氧化碳解析塔K003 Ⅱ段和硫化氫濃縮塔K004 Ⅱ段閃蒸，造成排放氣中甲烷超標(biāo)。計(jì)劃新增加一臺(tái)閃蒸罐及壓縮機(jī)，將K003I 的液相富碳甲醇在0.4～0.5 MPa 閃蒸，閃蒸氣通過壓縮機(jī)回收至低溫甲醇洗系統(tǒng)，回收排放氣中甲烷。

2.2 節(jié)能降耗、提高經(jīng)濟(jì)性

根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)，新增加閃蒸罐壓力在0.4～0.5 MPa，其閃蒸的氣量在24 211～38 261 Nm3/h(兩個(gè)單元總量)，需要采用壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮再返回系統(tǒng)，二氧化碳排放氣中甲烷含量可以控制在0.95%～1.06%之間，可以有效減少甲烷排放，增加天然氣產(chǎn)量。

本次設(shè)計(jì)技改項(xiàng)目，可穩(wěn)定系統(tǒng)工藝指標(biāo)，延長(zhǎng)甲烷化催化劑使用壽命，回收二氧化碳排放氣中的甲烷，減少有效氣體浪費(fèi)，提高天然氣產(chǎn)品產(chǎn)量，不改變?cè)醒b置的生產(chǎn)規(guī)模。

3 工藝技術(shù)方案的選擇

為了優(yōu)化低溫甲醇洗裝置排放氣指標(biāo)，通過改造工藝運(yùn)行條件，降低裝置消耗，盡可能回收排放氣中CH4，經(jīng)過多方整體綜合研判，相關(guān)人員進(jìn)行技術(shù)交流討論，最終決定通過增加富CH4氣回收系統(tǒng)對(duì)排放氣中CH4進(jìn)行回收增效[2]。

4 工藝技術(shù)方案對(duì)比分析

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，目前K003II 中的CH4含量最高(7%左右)，若將該股CH4回收，可以大幅度降低排放氣中的CH4含量。目前有幾種改造模式[1]：

方案一：將二氧化碳閃蒸塔K003 Ⅰ段閃蒸后的無(wú)硫富甲醇液送入新增的閃蒸罐B101，在0.4 MPa 壓力進(jìn)行閃蒸，閃蒸氣進(jìn)入新增壓縮機(jī)V102 進(jìn)行壓縮，增壓后的氣體送入硫化氫吸收塔K001，回收閃蒸氣中甲烷，以有效降低二氧化碳排放氣中CH4的含量。B101 閃蒸后的甲醇溶液進(jìn)入K003 Ⅱ段，繼續(xù)進(jìn)行減壓閃蒸，維持甲醇循環(huán)。為了減少動(dòng)設(shè)備投資，新增設(shè)的B101 應(yīng)布置在2#框架上以保證溶液依靠壓力輸送。為了保證新增壓縮機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行需要在進(jìn)、出口增設(shè)換熱器W102。根據(jù)以上流程計(jì)算出新增閃蒸罐氣體流量約為38 261 Nm3/h(兩個(gè)單元總量)，0.4 MPa 壓力下閃蒸氣體組成，二氧化碳排放氣中CH4含量＜0.95%(按設(shè)計(jì)滿負(fù)荷計(jì)算)。

低溫甲醇洗裝置設(shè)計(jì)滿負(fù)荷運(yùn)行二氧化碳排放氣量22.8 萬(wàn)Nm3/h，2020 年全年公司產(chǎn)12.58 億標(biāo)方天然氣，按天然氣折算二氧化碳排放氣負(fù)荷20.5萬(wàn)Nm3/h，2020年全年二氧化碳排放氣CH4含量平均值1.84%。若按年運(yùn)行時(shí)間8 000 h，可以減少20.5 萬(wàn)Nm3/h×(1.84-0.95)%×8 000 h/年=1459.6 萬(wàn)Nm3/年CH4排放。天然氣中CH4含量95.5%，折算增加天然氣 產(chǎn) 量1 459.6 萬(wàn)Nm3/年÷95.5%=1 528 萬(wàn)Sm3/年，若天然氣單價(jià)按1.91 元/Sm3計(jì)算，可以增加收益1 528 萬(wàn)Sm3/年×1.91 元/Sm3=2 918.48 萬(wàn)元/年。新增壓縮機(jī)電機(jī)的功率估算5 169 kW，按年運(yùn)行8 000 h 計(jì)算，每年增加電耗5 169 kW×8 000 h/年=4 135 萬(wàn)度/年，按電價(jià)0.299 元/度計(jì)算，每年電費(fèi)增加4 135 萬(wàn)度/年×0.299 元/度=1 236.37 萬(wàn)/年。

方案二：與方案一流程相同，只是將閃蒸壓力提高到0.5 MPa。計(jì)算出新增閃蒸罐氣體流量約為24 211 Nm3/h(兩個(gè)單元總量)，該方案二氧化碳排放氣中CH4含量1.15%(按設(shè)計(jì)滿負(fù)荷計(jì)算)。

按年運(yùn)行時(shí)間8 000 h，可以減少20.5 萬(wàn)Nm3/h×(1.84-1.15)%×8 000 h/年=1 131 萬(wàn)Nm3/年CH4排放。天然氣中CH4含量95.5%，折算增加天然氣產(chǎn)量1 131 萬(wàn)Nm3/年÷95.5%=1 184 萬(wàn)Sm3/年，若天然氣單價(jià)按1.91 元/Nm3計(jì)算，可以增加收益1 184 萬(wàn)Sm3/年×1.91 元/Sm3=2 261.44 萬(wàn) 元/年。新 增 壓 縮 機(jī) 電 機(jī) 的功率估算2 856 kW，按年運(yùn)行8 000 h 計(jì)算，每年增加 電 耗2 856 kW×8 000 h/年=2 284 萬(wàn) 度/年，按 電價(jià)0.299 元/度計(jì)算，每年電費(fèi)增加2 284 萬(wàn)度/年×0.299 元/度=682.92 萬(wàn)元/年。

方案三：改造流程和閃蒸壓力與方案二相同，因現(xiàn)有煤鎖氣壓縮閑置，考慮先對(duì)一個(gè)單元進(jìn)行改造，利用閑置煤鎖氣壓縮機(jī)，若改造效果良好再對(duì)另一個(gè)單元進(jìn)行改造。因煤鎖氣壓縮機(jī)設(shè)計(jì)入口壓力接近常壓，但新增閃蒸罐壓力為0.5 MPa，需要閃蒸氣壓力減壓降至常壓后再壓縮到3.8 MPa，做出大量無(wú)用功，導(dǎo)致消耗大于受益，不推薦此方案。

方案四：考慮先對(duì)一個(gè)單元進(jìn)行改造，流程和閃蒸壓力與方案二相同，需要增加一臺(tái)小型離心式壓縮機(jī)，估算小型壓縮機(jī)的功率約為1 600 kW，以年運(yùn)行時(shí)間8 000 h 計(jì)算，每年電費(fèi)為1 600 kW×8 000 h×0.299元/度=382.7萬(wàn)元。若改造效果良好再對(duì)另一個(gè)單元進(jìn)行相同改造。

方案五：與方案一流程相同，B012 閃蒸壓力控制在0.4 MPa 運(yùn)行，閃蒸氣通過壓縮機(jī)回收，為節(jié)約投資，壓縮機(jī)選用利舊煤鎖氣壓縮機(jī)。同方案一，項(xiàng)目實(shí)施后可增加天然氣產(chǎn)量1 528 萬(wàn)Sm3/年，可以增加收益2 918.48 萬(wàn)元/年。利舊壓縮機(jī)電機(jī)的功率估算4 100 kW/臺(tái)，按年運(yùn)行8 000 h 計(jì)算，每年增加電耗4 100 kW×8 000 h/ 年×2 臺(tái)=6 560 萬(wàn)度/年，按電價(jià)0.299 元/度計(jì)算，每年電費(fèi)增加6 560 萬(wàn)度/年×0.299 元/度=1 961.44 萬(wàn)/年。

5 實(shí)施工藝流程簡(jiǎn)述

增加富CH4氣回收系統(tǒng)流程，由低溫甲醇洗51/52-K003 Ⅰ段閃蒸后的無(wú)硫富甲醇，通過51/52LV-CL011 調(diào)節(jié)閥組減壓后進(jìn)新增的無(wú)硫甲醇閃蒸罐51/52-B012，閃蒸氣通過PV-CP201 調(diào)節(jié)閥控制壓力在0.3 MPa 壓力進(jìn)行閃蒸(同時(shí)壓力設(shè)計(jì)滿足0.47 MPa 閃蒸壓力運(yùn)行條件，即能夠滿足兩種工況運(yùn)行)。溫度為-39 ℃，進(jìn)入52-W025 閃蒸氣壓縮機(jī)進(jìn)出口換熱器管程與殼程氣化煤鎖氣壓縮機(jī)31-V001B壓縮回收閃蒸氣進(jìn)行換熱升溫，換熱后溫度為30 ℃，進(jìn)入氣化煤鎖氣壓縮機(jī)31-V001B 壓縮機(jī)。加壓后的閃蒸氣壓力3.68 MPa，溫度42 ℃，通過52-W025 閃蒸氣壓縮機(jī)進(jìn)出口換熱器降溫后，溫度降至-5.8 ℃，進(jìn)入W003 粗/凈煤氣換熱器殼程與粗煤氣混合。進(jìn)入新增的閃蒸罐51/52-B012 閃蒸的甲醇通過LVCL202 調(diào)節(jié)閥控制液位，進(jìn)入K003II 繼續(xù)減壓閃蒸。51/52-B012 無(wú)硫甲醇閃蒸罐安全閥放空和壓力控制PV-CP201 放空進(jìn)入K003II 閃蒸氣放空管線。

6 系統(tǒng)調(diào)試及投用操作

(1)投用前確認(rèn)新增設(shè)備、管線吹掃、水沖洗、氣密完成、氮?dú)庵脫Q合格。

(2)PV-CP201 自調(diào)閥與新增遠(yuǎn)傳壓力測(cè)點(diǎn)PICP201 自控回路設(shè)置完成并調(diào)試合格，新增遠(yuǎn)傳壓力測(cè)點(diǎn)根部閥門打開并投用。投用前確認(rèn)LV-CL202 自調(diào)閥與LICA-CL202 自控回路設(shè)置完成并調(diào)試合格。就地表計(jì)校驗(yàn)合格，確保投用。

(3) 當(dāng)確認(rèn)系統(tǒng)對(duì)新增設(shè)備、管線吹掃、水沖洗、氣密完成、氮?dú)庵脫Q合格后。甲烷回收改造項(xiàng)目系統(tǒng)氮?dú)獬鋲?，打開PV-CP201 前后切斷閥門，打開B012 氮?dú)獬鋲洪y門充壓至0.4 MPa，通過PVCP201 控制壓力。

(4) 甲烷回收利用項(xiàng)目系統(tǒng)甲醇填充，通過B012 無(wú)硫甲醇閃蒸罐進(jìn)液閥門(閥門1)緩慢給閃蒸罐建立液位，液位建立至40%左右。建立液位過程中注意主洗系統(tǒng)各塔器液位，防止液位過低導(dǎo)致系統(tǒng)波動(dòng)，可以提前適當(dāng)向主洗系統(tǒng)補(bǔ)充部分新鮮甲醇，提高各塔器液位。

(5) 甲烷回收利用改造項(xiàng)目系統(tǒng)投用，打開調(diào)節(jié)閥前后切斷閥門，將LV-CL202 自調(diào)閥自控投用，PV-CP201 自調(diào)閥自控投用、PI-CP201 壓力設(shè)定0.5 MPa。現(xiàn)場(chǎng)緩慢打開B012 無(wú)硫甲醇閃蒸罐出液管線至K003 Ⅱ閥門(閥門2)，直至全開；現(xiàn)場(chǎng)緩慢關(guān)閉LV-CL011 調(diào)節(jié)閥組后，改造跨線閥門(閥門3)，直至關(guān)制微限流狀態(tài)；緩慢打開進(jìn)新增的無(wú)硫甲醇閃蒸罐B012 的手閥(閥門1)，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整手閥時(shí)要緩慢、交替進(jìn)行，中控和現(xiàn)場(chǎng)溝通到位，直至將需要的開的閥門全開(閥門1.2)，需要關(guān)閉的閥門(閥門3)全部關(guān)閉。

(6) 待甲醇循環(huán)回路調(diào)整完成后，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管線無(wú)漏點(diǎn)，B012 甲醇循環(huán)液位、壓力穩(wěn)定后，需要將B012 閃蒸氣通過W025 換熱器引至氣化煤鎖氣壓縮機(jī)入口。先將煤鎖氣壓縮機(jī)出口的粗煤氣引入低溫甲醇洗AB 單元系統(tǒng)內(nèi)，在將B012 閃蒸氣通過W025 換熱器升溫后送至氣化煤鎖氣壓縮機(jī)，換熱器進(jìn)出口的氣量根據(jù)氣化煤鎖氣壓縮機(jī)入口煤氣溫度及時(shí)調(diào)整，直至PV-CP201 壓力控制閥門全關(guān)，將調(diào)節(jié)閥投用自控。

(7)煤鎖氣壓縮機(jī)出口返回的閃蒸氣根據(jù)低溫甲醇洗AB 單元FT-51/52CF201 流量顯示，通過FVCF201 調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)整。

7 主要經(jīng)驗(yàn)、存在問題及建議

7.1 系統(tǒng)正常運(yùn)行壓力調(diào)整

系統(tǒng)生產(chǎn)正常運(yùn)行，負(fù)荷穩(wěn)定。51/52B012 閃蒸氣PI-51/52CP201 操作壓力由氣化煤鎖氣壓縮機(jī)控制，壓力控制在0.3～0.47 MPa 范圍內(nèi)。當(dāng)PI-51/52CP201 壓力高于控制值，氣化煤鎖氣壓縮機(jī)無(wú)法調(diào)整時(shí)，由低溫甲醇洗AB 單元PV-CP201 調(diào)節(jié)閥進(jìn)行放空，穩(wěn)定壓力。當(dāng)PI-51/52CP201 壓力低于控制值(0.3 MPa)，聯(lián)系調(diào)度要求氣化煤鎖氣壓縮機(jī)及時(shí)調(diào)整，將壓力控制在指標(biāo)范圍內(nèi)。

7.2 系統(tǒng)異常情況壓力調(diào)整

當(dāng)出現(xiàn)大幅度減負(fù)荷時(shí)，中控人員立即聯(lián)系調(diào)度要求氣化煤鎖氣壓縮機(jī)立即調(diào)整，將PI-51/52CP201 壓力控制在指標(biāo)范圍內(nèi)。當(dāng)PI-51/52CP201 壓力持續(xù)下降低于控制值(0.3 MPa)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)人員到B 單元閃蒸氣外送界區(qū)閥門處等待，做好調(diào)整外送界區(qū)閥門的準(zhǔn)備。當(dāng)PI-51/52CP201 壓力持續(xù)下降低于控制值(0.25 MPa)時(shí)，聯(lián)系調(diào)度要求氣化煤鎖氣壓縮機(jī)緊急停機(jī)處理，低溫甲醇洗AB 單元及時(shí)調(diào)整PV-CP201 調(diào)節(jié)閥進(jìn)行放空，將壓力控制在指標(biāo)范圍內(nèi)。

8 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)裝置投用生產(chǎn)期間的整體調(diào)試，及近幾個(gè)月對(duì)裝置各性能指標(biāo)的審核，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行操作調(diào)整，設(shè)備運(yùn)行滿足工藝需求，裝置生產(chǎn)各指標(biāo)能滿足實(shí)際生產(chǎn)需要，達(dá)到設(shè)計(jì)要求和預(yù)期的生產(chǎn)要求。