低温甲醇洗工艺设计优化及节能探讨

王家祥

（天华化工机械及自动化研究设计院有限公司，甘肃 兰州 730060）

煤制合成氨装置是以煤为原料，采用煤气化技术生产合成气，再经过变换将CO转化为H2，经过脱硫脱碳，脱除其中的硫和CO2后分离出其中的富氢气，富氢气经液氮洗配氮后合成生产氨。作为合成氨装置的重要单元，脱硫脱碳的主要目的：（1）脱除原料气中的H2S及少量有机硫；（2）脱除CO2。脱硫脱碳单元主要有3种工艺：低温甲醇洗工艺、NHD和MDEA工艺。因低温甲醇洗工艺技术成熟，在工业上拥有很好的应用业绩，被广泛应用于国内外合成NH3净化装置中。

本文主要基于低温甲醇洗工艺，提出一些在工程设计中可以优化的措施，及目前存在的节能问题的解决方案，希望对从事相关工程的技术人员在实际生产中能有所帮助。

1 工程设计中可以优化的措施

1.1 氨冷器气氨出口带液问题

常规氨冷器设计中液氨进口（N3）与气氨出口（N4）位于同一位置上，虽然在气相出口设置了防冲板（图1），但项目现场反馈气氨管线带液严重。各氨冷器的气氨汇至总管后，气氨总管底部汇集的液氨处理是一个问题，此外该设计严重影响了换热器的换热效率。

图1 常规氨冷器的设计Fig.1 Design of conventional ammonia cooler

改进措施 所有氨冷器在设计时增设底部集液包，液氨进口从筒体两侧分别进入，增大筒体分离空间，保证氨冷器的冷却效果和出口气氨不带液（图2）。同时，在管道设计时，氨冷器的气氨出口管线不要弯头与设备配对法兰直连，两者之间增加一段直管（长度≥500mm为宜）进一步分离液氨，减少气氨总管的液氨量。此外，在氨冷器筒体底部增设集液包，可以增大液相储存空间，以分离液氨中的杂质。

图2 改进氨冷器的设计Fig.2 Improved design of ammonia cooler

1.2 泵和液力透平的选型

对于40万t·a-1合成氨的低温甲醇洗单元，贫甲醇泵和半贫甲醇泵一般选用多级离心泵。1#～4#甲醇液泵选用离心泵，污甲醇泵选用液下离心泵。热再生塔底泵、热再生塔回流泵、尾气水洗塔底泵、中压洗涤甲醇液泵电机功率均不超过50kW，这4组泵除了可以选用常规的离心泵外，还可以选用屏蔽泵（见表1）。

表1 低温甲醇洗泵设备选型及操作条件（半贫液流程）Tab.1 Example of rectisol process pump list（Semi-lean solution process）

1.2.1 离心泵、屏蔽泵的比较 相对于离心泵，选择屏蔽泵的优势在于[1]：（1）屏蔽泵结构上没有动密封，只在泵的外壳处有静密封，因此，可以做到完全无泄漏，特别适合输送甲醇、洗涤水等介质；（2）运转平稳，噪声低，不需加润滑油；（3）结构紧凑占地少，维修费用低；（4）使用范围广。

鉴于屏蔽泵的上述优点，在装置用地紧张的情况下，这4组泵优先选用屏蔽泵，设备布置紧凑、运行效果好且节省管道投资。

1.2.2 液力透平泵的两种配置方式 低温甲醇洗工艺，在高压吸收到中压闪蒸之间可采用液力透平回收液体减压能量，可回收电功或机械能，具有显著的经济效益。

低温甲醇洗工艺在低温、高压下，从洗涤塔脱硫段出来的含硫甲醇富液经换热、降温再减压后，在中压闪蒸塔A段闪蒸出溶解的H2、CO及少量CO2、H2S等气体。同样，从洗涤塔脱碳段出来的不含硫甲醇液经换热、降温再减压后，在中压闪蒸塔B段闪蒸出溶解的H2、CO气及少量CO2等气体。这两股液体的减压可采用液力透平泵，目前，液力透平泵有两种配置方式，（1）将压力能通过液力透平叶轮转换为机械能带动甲醇循环泵做功，该配置方式要求甲醇输送泵和液力透平的水力特性（扬程-流量特性曲线和轴功率-流量特性曲线）必须匹配良好[2]，否则，机组不能安全稳定运行；（2）将压力能通过液力透平叶轮转换为机械能，电机与液力透平之间安装超速离合器，再将机械能通过电机转换为电能外送，这样的优势是即使在没有足够能量驱动液力透平的情况下，也能保证泵和辅助驱动装置的稳定运行。

对于第二种配置方式，目前可以选用一体化透平能量回收发电机组，将含硫甲醇、不含硫甲醇的压力能合并回收，优点是机组占地面积小、发电量大、液力透平的维修不影响泵的运转。需要注意的是含硫甲醇、不含硫甲醇之间需要喷入隔离液，一般取自半贫甲醇泵的出口，其压力要高于透平入口压力0.2MPa。

1.3 原料气冷却器（绕管式换热器）的设计要点

近年来，因下游产品的多样化，合成氨项目的总工艺流程配置相对复杂，低温甲醇洗的工况也越来越多。以E-01原料气冷却器（绕管式换热器）为例，目前该换热器管程最多达到6股流。但项目运行时并不一定同时开所有工况，比如，外送净化气去PSA制氢装置，在PSA制氢装置不开的情况下，E-01原料气冷却器中的该股流道的换热管变成了死区，降低了换热效率。此时，在无制氢工况下在进E-01原料气冷却器前将合成气分配到制氢通道，换热后再回到合成气通道，从而保证原料气冷却器换热管无死区且稳定运行。同理，管程中不同压力的高压CO2管线和低压CO2管线间也可以相互分配。

对于大型的绕管式换热器，在做设备基础时也需要注意一些问题。图3为在混凝土梁梁侧预留埋件，绕管式换热器的设备支撑钢梁焊接在梁侧埋板，导致支撑钢梁的受力转移到埋件与钢梁的焊接处，运行一段时间后会出现钢梁与埋件撕裂，又要重新加固，存在安全隐患。

图3 常规绕管式换热器的设备基础Fig.3 Equipment foundation of conventional wound tube heat exchanger

图4为改进的设备基础做法，在混凝土梁梁顶预留埋件，绕管式换热器的设备支撑钢梁焊接在梁顶埋板，保证支撑钢梁的受力为混凝土梁的竖直方向，从而规避了图3存在的问题。

图4 改进后绕管式换热器的设备基础Fig.4 Improvement of equipment foundation of coiled tube heat exchanger

1.4 管廊设计中注意要点

1.4.1 火炬总管出界区与外管总管的标高问题 当脱硫脱碳单元的热火炬总管标高高于外管的火炬总管时，此时单元内的火炬总管按照最小坡度0.5%坡向外管的火炬总管；但当脱硫脱碳单元的热火炬总管标高低于外管的火炬总管时，此时单元内的火炬总管需设置分液装置，目前，主要有两种配置方式：（1）设置火炬气分液罐，将火炬管里的凝液分离出来密闭回收[3]；（2）在火炬总管出界区处设计集液包，通过集液包分离出凝液后密闭回收。

1.4.2 气氨总管出界区与外管的标高问题 当脱硫脱碳单元的气氨总管标高高于外管的气氨总管时，此时单元内的气氨总管按照最小坡度0.5%坡向外管的气氨总管；但当脱硫脱碳单元的气氨总管标高低于外管的气氨总管时，特别是各气氨管线带液汇集到单元内的气氨总管时，需要处理气氨总管中的凝液（液态氨）。目前，处理方式主要有两种：（1）将凝液排入氨冷器集油罐的入口管线，再经低压蒸汽通过盘管将集油罐的排出氨蒸发后回到气氨管线，这种情况用于凝液量较少的情况；（2）将凝液以步步低的型式流入某氨冷器的入口管线液位调节阀后，重复利用该液氨的冷量，这种情况用于凝液量较多的情况。结合1.1节所述氨冷器气氨出口带液问题，氨冷器和配管设计一定要最大限度控制气氨的带液问题。

1.5 再沸器蒸汽凝液的处理

热再生塔再沸器、甲醇/水分离塔再沸器分别选用低压、中压蒸汽作为热侧壳程输入物流，蒸汽凝液从壳程底部流出。目前，蒸汽凝液的处理方式有两种：（1）利用疏水阀在连续运行的再沸器中疏水，疏水阀作为一种经常动作的阀门，较容易损坏。阀门一旦不能自动开启，凝水不能及时排出蒸汽管道之外，将会对主蒸汽管道中的蒸汽质量产生较大影响，继而影响再沸器的效果；（2）采用蒸汽分水罐，即将再沸器产生的蒸汽凝液排入蒸汽分水罐，分水罐的气相顶部出口与进再沸器的蒸汽管线联通，分水罐的底部凝液口由罐体本身的液位调节来控制出口流量。目前，因第二种方案流量稳定、可靠性高，选用的比较多，但此方案也存在一个问题，就是中压蒸汽凝液和低压蒸汽凝液的送出，一般来讲，外管中有中压蒸汽凝液和低压蒸汽凝液的管网时，两者可分别送出界区。若外管中只有低压蒸汽凝液，设计中要将中压蒸汽凝液通过液位调节阀减压后送入低压蒸汽分水罐。但应注意：中压蒸汽凝液通过液位调节阀减压后变成了蒸汽和水的两相流，管道可能会振动，所以在管道布置时，中压蒸汽凝液的液位调节阀组要尽量靠近低压蒸汽分水罐，以避免和减轻管线的振动。

1.6 尾气吸附槽和尾气水洗塔的集成

低温甲醇洗装置要连续排放大量的尾气，其主要成分为CO2、N2和少量水分，微量组分为甲醇、OCS、H2S等有毒、有害物质，在原料气输入组成波动、装置开停车等情况下，存在有害物质超标排放的情况，严重影响装置周边环境。吴胜军[4]等人开发的一种尾气处理装置，将气液分离装置、尾气水洗塔、与水洗塔相连通的吸附塔集成为一个装置，通过洗涤装置除去尾气中夹带的甲醇，再通过气液分离装置去除尾气中的水分，最后，经吸附装置除去尾气中夹带的微量的有害物质H2S、OCS及甲醇等，使得处理后的尾气满足排放标准。该做法整体占地面积小，集成设备内部结构较为简单，成本降低，有效节省投资。

2 节能措施

2.1 热再生区的能量回收

目前，国内、外低温甲醇洗工艺随着开车运行经验越来越丰富，在实践中不断地改革和完善，其换热网络已经十分完善，但根据不同工厂装置和流程的具体情况，在溶剂热再生部分，大量的能量消耗限制了该装置的经济效益，所以热再生区仍有可优化的空间。（1）塔顶酸性气需经水冷器、气气换热器和氨冷器（冷却方式可以组合）冷却至常温，再通过H2S气体分离罐分离后去硫回收单元。（2）低温甲醇洗工艺中，主要由热再生塔和水分离塔的再沸器消耗热量，而塔釜再沸器需要低压蒸汽的能量输入才能驱动热再生系统的进行，并且再沸器管程出口的甲醇蒸汽只占循环甲醇量的约20%。这部分蒸汽、循环水的消耗量是脱硫脱碳装置的能量消耗大户，因此，将塔顶酸性气的热量和塔釜消耗的热量结合到一起进行换热网络的优化，是今后研究的一个课题。

2.2 最大限度的利用CO2

在“双碳”背景的影响下，更大限度的利用碳资源已成为行业内的共识，大连理工大学自主研发的节能型低温甲醇洗工艺能产出高压CO2（压力≥0.55MPa（G）），若开车运行良好，今后脱硫脱碳主项选择CO2冷凝工艺将会成为一种趋势。

目前，高压CO2冷凝流程已用于实际项目（在建），以40万t·a-1的合成氨为例，高压CO2冷凝流程不仅使CO2流量（100%工况）≥60000Nm3·h-1（正常）高于同规模的常规流程项目（52000Nm3·h-1），同时，能产出压力≥0.13MPa（G）、压力≥0.03MPa（G）、压力≥0.55MPa（G）3种规格的气体，满足了净化工段的不同需求，在内部节能方面也有更大的优势（-40℃下的外部冷量节省约600kW）。外部节能方面，特别是压力≥0.55MPa（G）的CO2气体用于煤气化装置的输煤CO2压缩机，使输煤CO2压缩机的压缩比显著减小，压缩机投资和节能效果明显。

3 结论

低温甲醇洗工艺是煤制合成氨装置中主要的气体净化工段。为了保证该工艺安稳长满的运行，本文在工艺工程设计中提出可以优化的措施，主要包括：改进氨冷器的设计；泵选型的优化；液力透平泵两种配置方式的比选；原料气冷却器在不同工况下物流通道的分配及设备支撑方案的优化；管廊设计中注意火炬总管、气氨总管与外管总管的标高问题；再沸器蒸汽凝液的两种处理方式和工程设计时注意的要点；尾气吸附槽和尾气水洗塔的集成的优势等。

化工工艺的节能降耗技术对于化工企业发展具有重要的意义。本文对低温甲醇洗工艺的节能措施进行了探讨，提出将塔顶酸性气的热量和塔釜消耗的热量结合在一起进行换热网络的优化；介绍了大连理工大学自主研发的节能型低温甲醇洗高压CO2冷凝流程的优势，提出在"双碳"背景的影响下，该流程内部冷量和外部压缩机做功的节能将是未来低温甲醇洗工艺的发展方向。