低溫甲醇洗工藝流程優化

蔣曉偉 汪 旭 劉 莎 潘海敏 付 強 孫 愷

北京石油化工工程有限公司西安分公司 西安 710075 陜西延長石油延安能源化工有限責任公司 榆林 71900

設 計技 術

低溫甲醇洗工藝流程優化

蔣曉偉*汪 旭 劉 莎 潘海敏 付 強 孫 愷

北京石油化工工程有限公司西安分公司 西安 710075 陜西延長石油延安能源化工有限責任公司 榆林 71900

冷量消耗及電耗是衡量低溫甲醇洗裝置能耗的重要指標。本文應用低溫甲醇洗模擬程序對工藝流程進行優化調整。在確保技術可靠、操作穩定的基礎上，在滿足凈化氣的工藝指標、克勞斯氣體的生產要求和尾氣排放標準的前提下，優化后的低溫甲醇洗流程具有有效氣回收率高、運行費用低、克勞斯氣體中H2S濃度高、節能環保等諸多優點，可為今后低溫甲醇洗流程優化提供參考。

低溫甲醇洗 優化 模擬 冷量

近年來，發展煤化工已經成為推動國家經濟發展與保障國家能源安全的一個長遠戰略方向。煤化工中煤氣化制備合成氣是至關重要的工藝，合成氣中CO2、H2S、COS等酸性氣體凈化工藝在保證下游裝置正常平穩運行中占據非常重要的地位。低溫甲醇洗技術是利用低溫甲醇作為溶劑，脫除CO2、H2S、COS 等酸性氣體的一種氣體凈化方法。由于具有優異的酸性氣體選擇性、吸收性以及運行穩定性等特點，已在煤化工領域得到廣泛的應用[1～5]。

在低溫甲醇洗工藝中，除自身冷量需要回收外，還需外界補充-40℃的冷量。甲醇吸收CO2等酸性氣體是放熱過程，酸性氣體從甲醇中解析是吸收過程。因此，為了降低裝置能耗，最大化地回收冷量，低溫甲醇洗流程的工藝優化至關重要。

在原有低溫甲醇洗工藝流程成功模擬的基礎上，針對原流程中所存在的能量損耗較大的問題，提出相應的優化設計措施，并對優化后的新流程利用PROII軟件重新進行模擬計算。通過與原流程關鍵流股參數及系統能耗數值的對比分析，闡明優化后工藝流程模擬計算的數據可靠性和相應的節能效果。

1 低溫甲醇洗原流程的能耗分析

低溫甲醇洗原工藝流程見《低溫甲醇洗工藝過程流程模擬》。整個系統冷量的來源主要有幾個方面：① 水冷器：克勞斯氣冷卻器、循環甲醇冷卻器及壓縮機水冷器等，都是以循環水為介質降低酸性氣體、循環甲醇的溫度及動設備運行帶來的熱量；② 深冷器：丙烯深冷器是通過液態丙烯蒸發制冷，來降低酸性氣吸收的放熱量，是低溫甲醇洗冷量最重要的來源；③ 含硫/無硫甲醇降壓閃蒸：甲醇經過洗滌原料氣中的雜質后，進H2S濃縮塔和熱再生塔再生利用。降壓閃蒸會將甲醇中的冷量釋放，而當閃蒸效果變差，再生時系統溫度就會升高。因此降壓閃蒸過程所釋放冷量是低溫甲醇洗冷量的另一個主要來源。

分析原低溫甲醇洗工藝流程，發現流程中多處物流降溫操作采取的是深冷器降溫，深冷器降溫的工作原理是利用外部冷源(丙烯)對系統中的流股進行降溫，需要不斷地輸入-40℃的低溫丙烯，才能使系統溫度保持低溫。而與此同時，有部分低溫產品氣或者液相產品沒有參與到換熱過程中，而是回流到吸收塔中從而大幅降低了換熱效率，造成較大的冷量耗損。

通過流程分析，原低溫甲醇洗流程中存在的主要問題：① 甲醇主洗塔下段抽出的無硫甲醇經換熱和貧甲醇深冷器降溫至-36℃后再減壓至1200kPa(A)后在循環氣閃蒸罐I中進行氣液分離，分離氣體后的半貧液甲醇再減壓至205kPa(A)，溫度進一步降低至-59.8℃進入H2S濃縮塔頂部減壓罐。但這股低溫的半貧液甲醇(不含H2S)可以直接重新參與到甲醇主洗塔的傳熱傳質，從而達到冷量的優化利用的目的；② 進入循環氣壓縮機前的循環氣閃蒸罐II中閃蒸的氣體量較大，氣體中含有一定量的有效氣H2和CO，但絕大部分為CO2，摩爾分率為65.3mol%。如果能夠采取其它方法降低進循環壓縮機氣體中的CO2含量，可極大地降低循環壓縮的功耗；③ 循環氣壓縮機進口的氣體溫度較低，為-33.96℃，可在冷區找到合適的流股回收這部分冷量。

總之，原流程由于冷流股的利用率較低，過多使用深冷器中-40℃丙烯對系統進行降溫，是系統能耗較大的主要原因之一，所以在流程優化中最大程度的回收低溫區的冷量是解決原流程能耗較大的一個重要方法。

2 低溫甲醇洗流程模擬優化

優化后的低溫甲醇洗流程見圖1。

圖1 優化后的低溫甲醇洗工藝流程

為改善原低溫甲醇洗裝置冷量消耗較大的問題，保證工藝氣指標正常的同時，優化工藝流程以降低系統冷量，通過對原流程冷量消耗來源的分析，找出了該流程中存在的主要問題，提出了如下的優化原流程的措施：

(1) 降低無硫甲醇閃蒸壓力，循環氣閃蒸罐I的壓力由原來的1200kPa(A)降壓至900kPa(A)閃蒸。并在循環氣閃蒸罐II后增加循環氣洗滌塔，從H2S濃縮塔底抽出一股甲醇溶液去洗滌閃蒸后的循環氣，使氣體中的大量CO2重新溶解于甲醇中，可有效降低循環氣氣體量，并增加H2和CO的回收率。

(2)在H2S濃縮塔頂增加一個減壓罐，在循環氣閃蒸罐I中閃蒸后的無硫甲醇液體減壓至190kPa(A)后去減壓罐，其中一部分減壓后的無硫甲醇(半貧甲醇)通過減壓罐底泵返回甲醇主洗塔上部，另一部分去H2S濃縮塔頂部，在保證凈化氣中CO2不超標的前提下，可明顯減少原流程中的貧甲醇循環量，達到降低冷量和減少高溫區熱再生系統負荷的雙重效果。

(3)增加一個汽提N2與循環氣壓縮機進口循環氣的換熱器。原流程中循環氣壓縮機入口的氣體溫度較低可與進N2汽提塔底部的較高溫度的N2換熱，可回收部分冷量。

3 優化前后能耗對比

3.1 關鍵物流數據

選擇600kt/a煤制甲醇裝置對應的低溫甲醇洗高硫工況進行分析，制冷介質為丙烯，年操作時間為8000h。利用PRO/II軟件對優化后的低溫甲醇洗流程進行模擬計算，得到的主要流股的物流數據見表1。

由表1可見，優化的低溫甲醇洗工藝仍能滿足凈化氣的工藝指標、克勞斯氣體的生產要求和尾氣排放的標準。經優化后的工藝可直接從無硫中壓甲醇富液中分離得到摩爾分率大于99mol%的高純度CO2產品。該產品可再經過提純、壓縮液化得到的液態二氧化碳產品做為油田驅油劑，可降低CO2排放量，有利于保護環境。

由于無硫甲醇在更低壓力下閃蒸，并通過富甲醇對循環氣的洗滌，可回收循環氣中更多的有效氣(H2+CO)，提高整個系統有效氣的回收率，由表1可知，優化后的有效氣回收率較原流程提高了0.1%。

此外，優化前克勞斯氣體中H2S含量為67.34mol%，優化后H2S含量可提高至73.74mol%，克勞斯氣體中較高的H2S含量有利于下游硫回收裝置的平穩運行，提高其硫回收率，降低操作成本等優點。

表1 優化后主要流股數據

3.2 關鍵工藝參數對比

3.2.1 甲醇循環量

優化前后的低溫甲醇洗流程中甲醇循環量對比見表2。

表2 優化前后甲醇循環量對比 (t/h)

由表2可知，優化后的低溫甲醇洗流程中進入主洗塔CO2吸收段的貧甲醇流量小于優化前的流程，用一股更低溫度的半貧甲醇作為CO2吸收段的吸收溶劑，增強了主洗塔對CO2的吸收效果，優化后的流程中貧甲醇循環量較原流程降低了22.5%。

3.2.2 電耗對比

優化前后的低溫甲醇洗流程中主要耗電設備的電量消耗對比見表3。

電耗主要用于甲醇循環輸送和循環氣壓縮。從表3中可以看到，原低溫甲醇洗工藝的電量為1908kW，但經過優化后的工藝流程電耗增大至2201kW，增加了293kW。這是由于所有吸收酸性氣的富甲醇都需經閃蒸回收有效氣，優化后的工藝流程中富甲醇的循環量大，并且閃蒸壓力更低，導致閃蒸出的循環氣量也大，因此，循環氣壓縮機的電耗也相應增加。此外，優化后的工藝流程中貧甲醇泵、富甲醇泵I、富甲醇泵II和富甲醇泵IV的耗電量小于原流程，但由于多了1股半貧甲醇作為主洗塔脫碳段的吸收溶劑，多了1組半貧甲醇泵，且該泵與貧甲醇泵類似，所以泵的總電量消耗稍大于原工藝流程。

表3 優化前后電量對比

3.2.3 蒸汽消耗量對比

低溫甲醇洗流程中蒸汽消耗主要用于甲醇熱再生系統的再沸器，其中熱再生塔塔底再沸器和甲醇-水分餾塔塔底再沸器均采用0.7MPa(G)的低壓飽和蒸汽。優化前后的低溫甲醇洗流程中低壓蒸汽消耗量對比見表4。

表4 優化前后工藝蒸汽消耗量對比表

由表4可知，優化后的流程中低壓蒸汽消耗量較原流程降低了13.3%。由于低壓蒸汽的消耗量主要取決于進入甲醇熱再生系統的甲醇量，優化后的流程較原流程由于貧甲醇循環量小，故其甲醇熱再生系統所需的低壓蒸汽量也相應較少。

3.2.4 冷量消耗對比

優化前后的低溫甲醇洗流程中冷量消耗對比見表5。

表5 優化前后冷量消耗對比

從表5中可以看到，原低溫甲醇洗工藝的冷量高達5322kW，而經過優化后的工藝流程，冷量消耗降低到4428kW，節省冷量高達16.8%左右。這是由于優化后的工藝流程使主洗塔的溫度更低，有利于提高CO2在甲醇中的溶解度，同時，由于單位質量甲醇中溶解的CO2多，使富甲醇在低壓閃蒸時可達到更低的溫度，有利于降低系統溫度，進而減少了系統中貧甲醇循環量，降低了系統的冷量消耗。

3.2.5 操作費用對比

優化前后的低溫甲醇洗流程主要操作費用對比見表6。

從表6中可見，優化后的低溫甲醇洗流程較原流程每年節省操作費用312萬元。

4 結語

(1)冷量消耗大小是衡量低溫甲醇洗裝置能耗的重要指標。低溫甲醇洗的原流程中，為了保持系統中的低溫環境，需要消耗較大的冷量。本文在對原低溫甲醇洗流程成功模擬的基礎上對其進行優化設計，提出了3個優化措施：無硫甲醇更低壓力下的閃蒸來增大制冷能力；在循環氣壓縮機進口增加一個循環氣洗滌塔，降低循環氣量，并提高有效氣回收率；增加一個汽提N2與循環氣壓縮機進口循環氣的換熱器。

表6 優化前后主要操作費用對比

注：① 冷量按電耗3125 kW，循環水消耗2240 t折算；②冷量按電耗2600 kW，循環水消耗1864 t折算。

(2)本文采用PROII 流程模擬軟件對優化后的低溫甲醇洗工藝進行全流程模擬計算，優化后的低溫甲醇洗工藝仍能滿足凈化氣的工藝指標、克勞斯氣體的生產要求和尾氣排放的標準。

(3)通過優化前后的低溫甲醇洗流程能耗對比發現：優化后的系統會比原流程節省冷量約16.8%，節省低壓蒸汽消耗量約13.3%，但優化后的流程電耗稍高于原流程。操作費用上，優化后的流程能較原流程每年節省操作費用約312萬元。此外，優化后的流程得到了一股高純度的CO2氣體，并使克勞斯氣體中H2S含量得到一定程度的提高。因此，本文提出的優化措施可以使原低溫甲醇洗流程達到節能減排的效果。

1 趙鵬飛，李水弟，王立志.低溫甲醇洗技術及其在煤化工中的應用[J].化工進展，2012，31(11)：2442-2447.

2 齊勝遠.全貧液、半貧液低溫甲醇洗工藝技術比較[J].化肥工業，2013，40(4)：56-60.

3 張海軍，趙晉，王強.低溫甲醇洗裝置冷量優化措施[J].大氮肥，2006，29(5)：313-315.

4 孟令凱.低溫甲醇洗工藝的技術優化[J].山東化工，2015，44(16)：145-147.

5 唐宏青.現代煤化工技術[M].北京：中國化學工業出版社，2009.

2016-12-09)

*蔣曉偉：高級工程師。1997年畢業于西北大學精細化工專業。從事化工工藝設計工作。聯系電話：13379297591， E-mail:jxw1762@126.com。