无油螺杆压缩机在煤制乙二醇低压排放气回收的研究与应用

马文静，徐延学，周 权，崔周波

(中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海 21100)

无油螺杆压缩机同时拥有速度式与容积式压缩机的优点，具备气流脉动小、运行可靠、耐脏、适应性强、易损件少和维护简单等特点。无油螺杆压缩机分为喷液式和干式，喷液式无油螺杆压缩机最大的特点是可通过喷液控制排气温度，被广泛应用于化工、煤矿、动力、冶金、环保、机械等行业【1】。本文主要针对无油螺杆压缩机在煤制乙二醇排放气回收中的应用进行研究，提出并解决其关键技术问题。

1 煤制乙二醇排放气压缩机的工艺

我国乙二醇工业发展呈迅速上升趋势，产能由2009年的270万t增长到2019年的1 307万t。基于我国“油少煤多”的能源国情，近年来，草酸酯法煤制乙二醇工艺生产技术在国内得到了迅速发展【2】。

1.1 草酸酯法制乙二醇工艺特点

在煤制乙二醇方法里面，草酸二甲酯法技术较为成熟且具备工业应用的条件。图1是草酸二甲酯法煤制乙二醇的流程。由图1可见，在酯化工段中，亚硝酸甲酯(MN)由NO、O2和甲醇合成；MN进入羰化工段，与CO反应生成草酸二甲酯(DMO)和碳酸二甲酯(DMC)；DMO进入下游工段加氢制得乙二醇(EG)【3】。DMC是具有高附加值的副产物， 经过初步分离后仍存在于一股低压排放气中， 需要将其升压后送入吸收塔， 用甲醇溶剂来吸收其中的DMC。

1.2 排放气工况特点

国内某工厂乙二醇装置的低压排放气主要由MN、甲醇和DMC组成，其具体成分如表1所示。拟采用喷液式无油螺杆压缩机对其进行压缩升压，入口状态为0.002 MPa(表)/45 ℃，当地大气压约为0.086 MPa(绝)。入口状态下， 绝热指数为1.19， 分子量为51.4。为满足下游吸收塔的工艺要求， 规定排气压力为0.25 MPa(表)。根据SRK状态方程【4】， 排放气的露点温度与压力关系如图2所示， 在出口压力下， 气露点温度为80 ℃。

表1 乙二醇不凝气组成

图2 低压排放气露点温度与压力的关系

值得注意的是，组分中含有65.7%的亚硝酸甲酯(MN)，而MN在常温常压下易燃易爆、有毒、有害，其爆炸极限为4.7%～100%；同时，MN受热时极易分解，根据文献【5-6】，MN在140 ℃开始分解放热， 其热分解是有高度危险性的强发热反应， 一般至少需将其温度控制在110 ℃以下。 若采用单级干式压缩， 在0.25 MPa(表)的排气压力下温度将达到137 ℃， 故采用单级喷液式压缩。

1.3 压缩机流程

由于排放气排气压力下露点温度为80 ℃，温度过低时排放气将产生大量凝液并作为废液处理，因此，为保证回收率，适合采用“先分后冷”的流程。图3是乙二醇排放气压缩机流程。

由图3可见，从上游来的排放气进入压缩机，压缩至0.025 MPa(表)后进入气液分离器，升压后的排放气一部分作为循环气，冷却后回到压缩机入口，其余部分进入下游装置。气液分离器底部凝液经冷却器冷却后作为循环喷液返回压缩机入口，当分离器内凝液过高时，需将部分凝液排出。补液口除了开车时补液用，正常运行时也由此喷液补液。

图3 低压排放气压缩机流程

2 煤制乙二醇排放气压缩机的关键技术

2.1 无油螺杆压缩机的选型

根据该排放气设计要求，无油螺杆压缩机选型参数如表2所示。排放气实际状态气量为19 m3/min，选用转子直径为255 mm的机型。由于排放气中含有MN等有毒有害物质，不允许泄漏到空气中，故采用迷宫密封+双端面机械密封的组合形式，并设置压缩机出入口导压平衡腔。由于该机型转子轴端直径较小(50～65 mm)，故采用滚动轴承。

表2 压缩机参数

2.2 喷液介质的选择

用于工艺气升压的无油喷液螺杆压缩机的喷液介质，一般选用工艺气所含组分液体或对后续工艺无影响的其他液体。排放气若引入其他介质，会增大下游分离难度，因此喷液介质最好选择排放气所含可凝组分的液体——MN、DMC或甲醇。其中，MN具有较大的毒性，应尽量避免使用。DMC无毒且挥发性较低，但是其汽化潜热和比热容均较低，会导致喷液用量大、下游分离负荷大的问题。而甲醇价格便宜易得，汽化潜热与比热容均较高，且为下游吸收塔的吸收溶剂，故采用甲醇作为喷液介质为佳。

2.3 补液量、循环喷液量与排气温度的关系

根据螺杆压缩机的热力性质计算原理【7】，结合化工过程模拟软件进行核算分析，将质量流量为1 964 kg/h、入口状态为0.002 MPa(表)/45 ℃的排放气压缩至0.25 MPa(表)，在保证分离器排液量降至最低的情况下，压缩机排气温度与喷液量的关系如图4所示。

图4 压缩机排气温度与循环喷液量及甲醇补液量的关系

由图4可以发现，在第一温度区间(温度≥80 ℃)，喷液完全由甲醇补液提供，且排放气温度每降低1 ℃，第一区间喷液量只需增加约 2 kg/h。此温度区间内，分离罐内无法建立循环液位，要将温度降低，需从外界补充更多甲醇液体，排气温度的降低完全依靠补液甲醇的气化潜热。在第二温度区间(温度在78～80 ℃之间)，排气温度的降低导致凝液产生，分离罐内开始建立循环液位。此区间内排气温度的进一步降低需依靠喷液的显热，循环喷液量不断增大，甲醇补液量则持续降低。在第三温度区间(温度≤78 ℃)，外界补液量为0，排放气温度每降低1 ℃，循环喷液需增加450 kg/h，若要求温度进一步降低，则需要加大循环喷液量。

2.4 补液量与排液量的研究

补液量和排液量分别代表着输入和排出系统的液相数量，控制补液量与排液量对压缩运行中的物耗成本和操作费用有着极大的影响，且二者与排放气的排气温度息息相关。图5为将质量流量为1 964 kg/h、入口状态为0.002 MPa(表)/45 ℃的排放气压缩至0.25 MPa(表)、且喷液温度为40 ℃的情况下，压缩机排气温度与补液量及排液量的关系。

图5 压缩机排气温度与排液量及甲醇补液量的关系

由图4和图5可知，随温度的降低，补液量呈先增加后降低至0的趋势，在第一温度区间末为最大，在第二温度区间末为0。排液量在前2个温度区间一直为0，从第三温度区间开始呈增加趋势。因为随着压缩机内喷液量的增加，排放气的排气温度持续下降，压缩腔内气析出凝液的量也不断增加，当系统中气相传入液相的量大于液相传入气相的量时，多余的液相必须经分离器底部向外界排出。

2.5 排气温度与轴功率的关系

一般来说，决定螺杆压缩机轴功率的因素主要有机型效率、工艺气的分子量及绝热指数、压缩比、气体处理量、喷液量等等。对于喷液式无油螺杆压缩机，排气温度与轴功率有重要关系。图6 为将质量流量为1 964 kg/h、入口状态为0.002 MPa(表)/45 ℃的不排放气压缩至0.25 MPa(表)、且喷液温度为40 ℃的情况下，压缩机排气温度与轴功率的关系。

由图6可知：压缩机轴功率随着排气温度的降低呈整体上升趋势；在排气温度≥80 ℃的区间内，轴功率随排气温度的降低平稳小幅升高，因为喷入的甲醇补液在压缩机腔体入口处挥发成气体，增加了压缩机的实际处理气量；在排气温度<80 ℃的区间内，轴功率升高幅度较大,因为当排气温度<80 ℃时，开始需要大量循环喷液进入压缩机腔体，压缩机负荷的增加除了来自于实际处理气量的增加外，还来自于腔体内大量喷液的传输。

图6 压缩机排气温度与轴功率的关系

综上所述，第二温度区间内的78 ℃ 为最优操作温度，在此温度下，排液量和补液量均为0，且压缩机的轴功率相对较小，因此现场操作时，将操作温度控制在该温度附近是最经济的。

3 现场应用分析

国内某工厂的草酸二甲酯法乙二醇装置将无油喷液螺杆压缩机应用在排放气回收中，目前，该压缩机已实现长期稳定有效运行。表3是压缩机实际运行参数与设计值的比较。

表3 压缩机实际运行参数与设计值的比较

由表3可见，实际运行时，甲醇补液量为0，排液量为0.06 kg/h(每月排1次，每次排40 kg)。由此可以判断， 压缩机运行过程中， 排气温度61.5 ℃是实际运行状态下的最优温度。与设计条件相比，实际入口温度降低了11.3 ℃，经热力学核算，该排放气组分在0.25 MPa(表)和0.19 MPa(表)下的露点温差约为6 ℃。而实际条件下运行温度(61.5 ℃)比设计条件下最优操作温度(78 ℃)低了16.5 ℃，可以判断实际运行的最优操作温度与研究相符。

4 结语

目前，草酸二甲酯法制乙二醇技术在国内得到快速发展，排放气回收对于回收碳酸二甲酯和环保节能具有重要意义。本文对排放气无油螺杆压缩机的工艺流程进行探究，完成了无油螺杆压缩机的选型，确定了喷液介质，对喷液量、甲醇补液量、排液量、轴功率与排气温度的关系进行了研究和分析，得到设计条件下的最优操作温度。通过与实际运行装置数据进行对比，验证了研究结论的可靠性，对设备选型及现场操作具有较好的指导意义。综上所述，无油螺杆压缩机在草酸二甲酯法煤制乙二醇排放气回收中表现出良好的适用性，促进了煤制乙二醇技术的发展，也拓宽了无油螺杆压缩机的应用领域。