低温甲醇洗系统甲醇水分离塔及尾气洗涤塔操作优化

王 涛

[恒力石化(大连)炼化有限公司，辽宁 大连 116318]

0 引 言

某煤制氢联产醋酸装置低温甲醇洗系统采用林德工艺包七塔流程(含甲醇洗涤塔Ⅰ、甲醇洗涤塔Ⅱ、H2S浓缩塔、热再生塔、甲醇水分离塔、氮气气提塔、尾气洗涤塔)，设置2个独立的系列，单系列低温甲醇洗系统处理原料气量约550 km3/h(标态，下同)，2套低温甲醇洗系统工艺流程基本相同，其操作条件也大致相同。低温甲醇洗系统主要包括低温高压吸收、中压闪蒸、气提浓缩、甲醇热再生、甲醇水分离及尾气洗涤回收等单元，各单元的有效配合保证了系统的稳定、优质运行。其中，甲醇水分离塔、尾气洗涤塔的运行状态直接决定着废水、废气能否实现达标排放。该低温甲醇洗系统甲醇水分离塔及尾气洗涤塔自投产以来暴露出一些问题，后提出并实施了甲醇水分离塔增设多变量控制器、尾气洗涤塔优化操作后，收到了较好的效果。以下对有关情况作一介绍。

1 甲醇水分离塔及尾气洗涤塔系统流程概述

来自甲醇热再生塔塔釜的一股101.4 ℃贫甲醇由甲醇水分离塔回流泵加压至0.90 MPa并经甲醇过滤器过滤后，一部分贫甲醇经调节阀减压后返回贫甲醇过滤器出口管道(返回甲醇收集槽)，一部分经调节阀进入回流冷却器Ⅰ壳程，还有一部分经调节阀进入回流冷却器Ⅱ壳程，换热降温至约70 ℃，经回流冷却器冷却后的这两股贫甲醇一起送入甲醇水分离塔顶部。250 ℃、1.0 MPa低压蒸汽经调节阀减温减压后形成的241.18 ℃、0.49 MPa低低压蒸汽与界区外来的高压锅炉水经调节阀减压后(41.8 ℃、0.49 MPa)一起进入甲醇水分离塔再沸器，为含水甲醇加热提供热源，实现甲醇与水的精馏分离，再沸器冷凝液通过冷凝液泵送至冷凝液管网，甲醇水分离塔顶部的甲醇蒸气则进入甲醇热再生塔。原料气分离罐Ⅰ底部来的甲醇水溶液经回流冷却器Ⅰ管程与壳程贫甲醇进行换热，预热后经调节阀降压后进入CO2闪蒸罐，原料气分离罐Ⅱ来的甲醇水溶液经回流冷却器Ⅱ管程与壳程贫甲醇进行换热，预热后经调节阀降压后也进入CO2闪蒸罐，CO2闪蒸罐闪蒸出的气相(闪蒸气)经调节阀减压后送H2S浓缩塔底部，CO2闪蒸罐底部液相经调节阀后送甲醇水分离塔中部；甲醇水分离塔塔釜的含醇污水则经废水冷却器和废水/水换热器降温后送至污水处理系统处理达标后排放。进入甲醇水分离塔的贫甲醇流量视循环甲醇含水量进行调整，循环甲醇含水量高时适当加大进甲醇水分离塔的贫甲醇流量，以使循环甲醇含水量尽快降至设计值。

H2S浓缩塔塔顶尾气(主要含有CO2、N2、CO等)回收冷量后进入尾气洗涤塔，尾气洗涤塔塔顶洗涤液为来自界区外的脱盐水，洗涤后塔底的废水由尾气水洗泵加压并经废水/水换热器换热后进入甲醇水分离塔中部，尾气洗涤塔塔顶尾气(H2S含量≤3.7 kg/h、甲醇含量≤35 mg/m3)则通过180 m高的烟囱排入大气。

2 甲醇水分离塔系统增设多变量控制器

2.1 问题分析

甲醇水分离塔的主要作用是控制低温甲醇洗系统循环甲醇中的水含量，若循环甲醇水含量增加或不能被有效控制，系统内水累积过多，会造成贫甲醇吸收酸性气的能力大幅下降，直接影响系统负荷、净化气指标以及系统的稳定运行；甲醇含水量增加时，溶液密度增大，会增加系统动力消耗，且在H2S存在的环境下低温甲醇洗系统的设备及管道腐蚀也会加剧，缩短设备及管道的使用寿命，且腐蚀物会造成设备和管道堵塞，严重时会导致系统减至半负荷运行，生产成本及安全隐患均会随之增加。

系统运行初期，因甲醇水分离塔灵敏板温度控制相对较低——设计参考指标为108 ℃、实际运行指标为(108±3)℃，废水中甲醇含量达4%(要求废水中甲醇含量<100 mg/L)，造成甲醇损耗大，平均损耗量在600 kg/h以上，而设计甲醇损耗量仅为55 kg/h。其后，将甲醇水分离塔灵敏板温度提高至(125±3)℃，但受进料与加热蒸汽流量及温度的影响，当灵敏板温度大幅波动时，甲醇水分离塔脱水效果差，系统中甲醇水含量>2%(设计指标为甲醇水含量<0.5%)。正常生产中，系统100%负荷下，贫甲醇流量为395 t/h，循环甲醇中水含量偏高时，甲醇吸收酸性气的能力明显下降，为保证净化气指标合格，只能通过增大贫甲醇循环量来维持系统的运行，但贫甲醇循环量增大后，系统需求的冷量增加，造成冷冻系统负荷增加，冷冻系统汽轮机3.6 MPa过热蒸汽耗量增大，形成恶性循环；此外，在系统负荷需要继续提升时，为保证净化气指标合格，只能额外增加甲醇循环量，受贫甲醇泵额定流量的限制，在外送贫甲醇流量不足以控制净化气指标合格时，只能通过减负荷来维持系统运行。

循环甲醇中水含量高，低温甲醇洗系统腐蚀明显增大，主要体现在各过滤器压差上涨。低温甲醇洗系统中贫甲醇泵、半贫甲醇泵及富甲醇泵入口过滤器滤网均为40目，可有效阻拦一些大的颗粒杂物，其他细微颗粒的过滤更多依靠的是甲醇粗滤器、贫甲醇过滤器、甲醇过滤器，系统中这三类过滤器均设置2台(一开一备)。生产过程中，随着甲醇溶液的不断循环和过滤，细小杂质附着在滤芯外表面孔隙上，过滤器压差会逐渐上涨，当其压差达到报警值(一般为100 kPa)时，系统阻力会显著增大，此时需及时将在运的过滤器切换至备用过滤器。而在循环甲醇中水含量高且甲醇循环量偏大时，贫甲醇过滤器和甲醇过滤器压差上涨加快、运行周期明显缩短，若贫甲醇过滤器压差高于150 kPa而未及时切换，会造成热再生塔内的甲醇不能依靠压差送至甲醇收集槽，时间长了会因甲醇收集槽液位低低触发联锁停贫甲醇泵，最终造成系统切气停车。此外，系统内腐蚀物增多，往往会出现过滤器刚切换完、备用过滤器还未清洗彻底，在运过滤器已出现压差高报警，不得不再次进行切换，而因备用过滤器清洗不彻底，其运行时间更短，会出现2台过滤器压差均高报警而影响甲醇正常循环的问题，最终只能减负荷以维持系统生产。总之，甲醇水分离塔未能有效操控，循环甲醇中水含量不能控制在正常范围内，直接或间接地引发了上述各种问题。

2.2 优化措施

针对上述问题，分析认为，影响甲醇水分离塔运行的变量主要有2股进料的流量和2股进料换热后温差的变化，以及热源蒸汽流量及温度的变化，上述变量无论哪个发生变化均会引起甲醇水分离塔温度的变化，若操作调整不及时会直接影响甲醇水分离塔的正常运行；同时，影响操作的变量为多变量，其调整手段需全面考虑，若不整合控制方案，必然会增大操作人员的工作量，在条件反馈滞后的情况下，由于影响因素多，单一的操作调整反而会出现越调整越不稳定的状况。进行整体分析与讨论后，决定以稳定甲醇水分离塔温度、降低蒸汽消耗、控制废水中甲醇含量并保证甲醇水分离塔气相不夹带多余水蒸气的目的来建立控制结构并增设多变量控制器。

控制结构设计的主要思路为，为降低低压蒸汽温度变化带来的影响，以低压蒸汽温度为前馈，蒸汽阀位为操作手段，并控制甲醇水分离塔灵敏板及中上部温度，以达到提前干预的目的，尽可能实现甲醇水分离塔温度的稳定控制；同时，两路贫甲醇在满足其换热后温差约束的前提下，通过其流量辅助控制甲醇水分离塔温度。选择热源蒸汽温度为前馈变量，甲醇水分离塔灵敏板及塔温为被控变量，相应地可调整操作变量为甲醇进料流量和蒸汽流量。此模型建立后，分析一段时间内采集的生产数据，当期望被控变量甲醇水分离塔灵敏板温度稳定(即斜率为0)时，前馈变量蒸汽温度上升1 ℃，对被控变量甲醇水分离塔灵敏板温度的影响斜率为0.012 1；操作变量进料流量变化1个单位时，对被控变量甲醇水分离塔灵敏板温度的影响斜率为-0.004 66；操作变量蒸汽流量变化1个单位时，对被控变量甲醇水分离塔灵敏板温度的影响斜率为0.012 1，斜率值越大表示其影响程度越深。例如，系统运行过程中，当前馈变量反馈蒸汽温度上升1 ℃时，此时对被控变量甲醇水分离塔灵敏板温度的影响斜率为0.012 1，灵敏板温度与设定值出现偏差，为保证甲醇水分离塔灵敏板温度不变(斜率为0)，3个可操作变量按照预先设定的功能相互配合自动完成操作调整，以保持灵敏板温度不出现偏差。另一种情况是，系统未检测到影响条件，但灵敏板温度发生了改变，斜率出现了偏离，为及时纠偏，3个可操作变量可按照各自的影响结果相互配合自动完成操作调整，以保持灵敏板温度不变。总之，多变量控制器可以自动完成对甲醇水分离塔温度的控制，既可保证塔温的稳定及偏离时的及时调整，又可减少操作人员监盘频繁调整的工作量。

2.3 优化效果

甲醇水分离塔系统多变量控制器投用后，通过一段时间的运行调整，甲醇水分离塔热点温度明显趋于平稳：控制器投用前的2022年11月1—8日，甲醇水分离塔灵敏板温度最大值为138.4 ℃、最小值为128.7 ℃、平均值为133.4 ℃、标准方差为3.498；控制器投用后的2022年12月20—27日，甲醇水分离塔灵敏板温度最大值为134.2 ℃、最小值为130.6 ℃、平均值为132.5 ℃、标准方差为1.378，灵敏板温度标准方差降低60.6%，表明多变量控制器投用后甲醇水分离塔运行的稳定性显著提升。在保持甲醇水分离塔热点温度平稳的情况下，尝试逐步降低热点温度，既保证甲醇水分离塔气相中水含量不增加，又使废水中甲醇含量尽可能地低(甲醇含量<20×10-6)，计划将这股含醇废水用作尾气洗涤塔洗涤水，以降低尾气洗涤塔脱盐水用量。

3 尾气洗涤塔操作优化

3.1 问题分析

低温甲醇洗系统尾气洗涤塔的主要作用是利用脱盐水洗涤尾气中夹带的甲醇，控制尾气中甲醇含量<35 mg/m3(标态，下同)，达标后通过烟囱排放至大气。理论上，尾气处理量为340 t/h，大约需要脱盐水20 t/h才能保证尾气中甲醇含量<35 mg/m3。甲醇水分离塔系统多变量控制器投用及优化操作后，甲醇水分离塔底部废水中甲醇含量<20×10-6、pH在7～8，经过过滤后此废水水质较好，于是，实施技术改造，在甲醇水分离塔废水排放管上引一支管，将其引至尾气洗涤塔中部用作洗涤水，这样一来形成废水和脱盐水共同洗涤尾气的模式，以降低脱盐水用量。通过摸索与尝试，在甲醇水分离塔底部废水少量外排的情况下其余全部送至尾气洗涤塔，尾气洗涤塔脱盐水用量由原来的20 t/h降至10 t/h左右时同样可以保证尾气中甲醇含量达标。

上述举措可以保证正常工况下尾气洗涤塔的稳定运行，但在异常工况下难以保证尾气中甲醇含量合格：正常工况下低温尾气(-40 ℃、0.09 MPa)经原料气冷却器与变换气(30 ℃、5.4 MPa)进行换热，换热后尾气温度达到0 ℃以上再进入尾气洗涤塔；但当变换气突然中断或者其他情况导致经过原料气冷却器后的尾气温度低于0 ℃时，为防止低温尾气进入尾气洗涤塔后在低温环境下水结冰冻堵设备及管道而造成设备及管道超压事故的发生，按操作规程要求，经原料气冷却器换热后温度低于0 ℃的尾气是不能送入尾气洗涤塔的，此时需关闭尾气进尾气洗涤塔切断阀，打开尾气进尾气洗涤塔旁路阀，将未经洗涤的尾气直接排入大气中，不仅造成尾气夹带的甲醇未被回收，而且直接排放的尾气中甲醇含量超标会造成环境污染。

3.2 优化措施

针对异常工况下尾气可能超标排放的问题，设计之初就从源头上考虑如何保证入洗涤塔的尾气温度始终能够高于0 ℃。通过研究与核算，尝试在尾气管道上增加温度控制回路，即在尾气管道上安装蒸汽喷射装置并增设相应的温度测点，当温度测点(TI01)低于2 ℃时，手动打开0.5 MPa蒸汽流量调节阀，将蒸汽喷入尾气中以提高尾气温度，保证TI01始终高于0 ℃；也可以将温度测点(TI01)与蒸汽流量设置为“串级控制”，以实现自动控制。实践表明，尾气管道上增设蒸汽喷射装置后，可以保证任何情况下进入尾气洗涤塔的尾气温度都高于0 ℃，解决了异常工况下尾气可能超标排放的问题。

4 结束语

低温甲醇洗系统甲醇水分离塔运行效率和运行稳定性的决定性因素是塔温的控制，而尾气洗涤塔的良好运行既能保证尾气达标排放又能降低脱盐水消耗等。针对该煤制氢联产醋酸装置低温甲醇洗系统甲醇水分离塔及尾气洗涤塔设计上及运行中存在的一些问题，通过运行经验总结与综合分析，不断摸索与优化创新，实施了甲醇水分离塔整体温度控制优化(增设多变量控制器以实现“卡边”操作)、尾气洗涤塔优化操作(尾气管道上增设蒸汽喷射装置等)后，增强了系统运行的稳定性和安全性，实现了节能减排、降本增效。