对NHD脱碳工艺的优化和创新

刘 佳，王素珍，郝启刚

(1.上海电气国控环球工程有限公司，山西 太原 030000；2.准格尔旗市场监督管理局，内蒙古 鄂尔多斯 010399)

在山西晋丰煤化工有限公司(以下简称晋丰公司)“36·52”项目一期工程生产18万t/a总氨、26万t/a尿素工程设计中，采用NHD工艺脱除CO2气体。NHD(多聚乙二醇二甲醚混合物)具有沸点高、冰点低、蒸气压低、挥发损失小的特点，对酸性气体吸收能力高、热化学稳定性好、不起泡、降解低、无副反应，对碳钢设备无腐蚀、对人体生物环境无毒。其工艺投资少，溶液吸收能力大，故溶液循环量小，低压下能保证净化气中CO2含量≤0.2%，能耗低，是一种很好的脱除CO2的工艺方法，在该项目中得到应用。

该工艺为国内自主开发，与国外selexol工艺相近，经开车运行后发现仍有工艺和设备需进行优化和创新，使该工艺更趋于合理和先进。

1 工艺流程

该工艺压力为1.9MPa、温度为40℃的变换气经流体换热器换热，变换气降至10℃后进入脱碳塔，与NHD溶液在0～-5℃逆流接触吸收变换气中的CO2，净化气中CO2≤0.2%，回收冷量后送下工序；液体经两级闪蒸降压后，经富液泵泵送至气提塔与风机加压的空气逆流接触，使NHD溶液达到再生，循环使用。NHD脱碳工艺见图1。

图1 NHD脱碳工艺注：1-流体换热器；2-脱碳塔；3-高压闪蒸槽；4-高闪分离器 5-低压闪蒸槽；6-低闪分离器；7-富液泵；8-气提塔；9-贫液泵；10-氨冷器；11-空气鼓风机；12-换热器；13-解析分离器；14-空气分离器。

2 工艺创新

2.1 增设能量回收透平工艺

吸收CO2后的NHD富液从1.9MPa降压至0.6MPa，进入高压闪蒸槽，降压过程中的压力没有得到合理的利用，在减压中需经调节阀阻力达到减压的目的，调节阀流通截面积小，易造成调节阀芯冲刷腐蚀、振动和压力较难控制等问题。

一般情况下，规模较小的装置都不回收此项压力能，原因是回收能量小，设备叶轮直径小，制造较困难。晋丰公司项目是国内第一套大型化采用国内NHD脱碳工艺的项目，NHD溶液循环量为900m3/h，压力为1.9MPa，温度为0℃，溶液循环量较大，压差为1.3MPa，这些工艺条件在脱碳泵上增设涡轮机是可以实现的。

由电机驱动的脱碳泵来输送NHD溶液，电机功率560kW，将涡轮机通过离合器安装在驱动电机轴的另一侧，液体高速进入涡轮机旋转，当转速与电机转速相同时，离合器自动合上与电机运转，这样减小了电机功率，达到了节能降耗的目的。

2.2 取消富液泵、增设综合塔

吸收工艺是加压吸收、减压再生，在过程中根据不同的物性在液体中溶解度不同和工艺需要不同的闪蒸，部分分离出不同的气体。NHD脱碳工艺采用两级闪蒸，即高压闪蒸和低压闪蒸，高压闪蒸槽操作压力为0.6MPa，闪蒸气体主要为H2、N2、CO2等气体，进入变压吸附得以回收H2返回系统；低压闪蒸槽操作压力为10kPa，闪蒸气体为≥96%的CO2气体，用于尿素生产的原料气；最后经NHD富液泵送至气提塔，空气气提再生后NHD循环使用。此工艺中设有富液泵Q=450m3/h、Δh=70m、电机功率为150kW，两开一备。取消该富液泵可减少2×150kW的用电量。

高压闪蒸槽操作压力为0.6MPa，低压闪蒸槽操作压力为0.01MPa，气提塔高度为50m，根据上述压力，三者中有一定的压差，有压差可以实现设备间的位差。NHD液体密度约1.022，基本和水相当，从0.6MPa的高压闪蒸槽可直接送至高位的低压闪蒸槽，提高高压闪蒸槽+25m处，低压闪蒸槽放在气体塔上，液体入口高度为+60m，两者位差约为35m，而高闪槽和低闪槽的压差余量为0.6MPa-0.01MPa-(35×1.022/10×0.101)=0.228MPa，在可保证各种操作工况下，NHD富液提升至高位的低压闪蒸槽，同时从安全生产角度考虑，高闪液体出口调节阀在停电、事故停车和仪表空气断气情况下，调节阀执行机构选用气开型，遇到上述情况调节阀可关闭。

上述工艺的实现需改变高压闪蒸槽和低压闪蒸槽的结构型式，一直沿用的卧式闪蒸槽，槽内无任何增大闪蒸面积的措施，仅为液体表面闪蒸气体；改为立式结构后，内部装填3m的海尔环填料，增大了闪蒸比表面积，使闪蒸更为彻底，降低了溶液的残碳量，提高了脱碳塔净化气中CO2气体的净化度。

综合考虑各种因素，实施中设计了两个综合塔。1#综合塔为高压闪蒸槽、解析气分离器、空气分离器、高闪气分离器“四合一”设备；2#综合塔为低压闪蒸槽、气体塔“二合一”设备。创新后NHD脱碳工艺见图2。

图2 创新后NHD脱碳工艺注：1-高压闪蒸槽；2-高闪分离器；3-低压闪蒸槽；4-低闪分离器；5-汽提塔；6-贫液泵；7-空气引风机；8-换热器；9-调节阀；10-解析分离器；11-空气分离器；12-水封。

2.3 气体鼓风改为气体引风

NHD脱碳是一个低温操作工艺，任何外界输入原料气、空气等物质直接影响制冷系统的耗能，原工艺中气体风机采用鼓风工艺，由于受空气环境温度、压缩空气的压缩热影响，虽经换热，温度仍然较高，带入系统的水含量较多，降低了溶液的吸收能力，使净化气中CO2指标难以控制。同时正压解析也使气提塔中CO2分压提高，不利于解析，造成NHD溶液中残碳量提高。

从上述分析中，提出将鼓风改为引风，降低CO2分压，减少进入系统的水含量，变气提塔为负压再生，同时减少了引风机的风量约1/3，从而保证各项工艺指标的实现。

气提鼓风改为气体引风，系统中都是负压操作，需解决空气温度降低带来凝液的排放、克服大气腿才能连续排放，为此需提高分离器的布置，于前面方案一并考虑解决排凝液工艺。

3 设备优化

3.1 三流体换热器

一直沿用板式换热器作为变换气与净化气、CO2气的换热，由于1.9MPa的变换气与1kPa的CO2气体换热，两者压差较大，而板式换热器板厚仅为0.4mm，承压能力较差，国内许多企业发生爆炸，引发安全事故和生产停车。同时板式换热器效率较高，但气体流通截面积较小，系统阻力较大。

系统阻力和板式换热器爆炸是影响生产的原因，阻力大应增加流体截面积，防爆应提高设备的承压能力，板式已不适合这种工况。为此，选择其他换热器——波纹管换热器，同时增大换热管间距和折流板间距，通过提高流通截面积来解决。

3.2 氨冷器型式

沿用的立式氨冷器，其主要问题是氨走管程，液氨蒸发显热没有很好利用，NHD溶液走壳程，NHD溶液循环量大，造成入口换热管冲刷腐蚀。

实际中，采用了卧式氨冷器，交换两种换热介质的走向，问题得以解决，也回收了氨蒸发的显热，效果更好(见图3)。

图3 优化后氨冷器型式

3.3 脱水加热器

脱水加热器采用内置式浸没加热，效率低，加热蒸汽损耗大。实施中将浸没式加热器改为外置强制循环加热，效果很好。

4 项目节能

4.1 节电

(1)取消富液泵，鼓风机引为引风机，可节电。

富液泵：2×150×85%=255kW·h/h

(2)引风机减少风量，由原风机450kW减为380kW。

每小时节电量：450-380=70kW·h

(3)能量回收机节电：功率因数取85%，能量回收机效率取80%。

(4)吨氨节电：按小时25t氨计算：

(255+70+377)/25=28.08kW·h/t

4.2 鼓风改引风、氨冷立式改卧式

NHD吨氨耗冷41.8万kJ/t，全系统升温4℃，通过两项措施，循环系统温度降至3.4℃，降低0.6℃。

吨氨节能：41.8/4×(4-3.4)=6.27万kJ/t

优化和创新设计技术在NHD脱碳工艺中的应用为国内首次，通过晋丰公司的实际运行，得到了很好的验证。装置一次开车成功，无安全事故发生，降低了NHD脱碳的消耗，是一次成功的创新设计。随着技术的发展，NHD还应在变换气预冷、降低氨冷气入口温度等方面去创新。