低溫甲醇洗工藝系統分析及改進

溫 溯

（賽鼎工程有限公司，山西太原 030000）

1 低溫甲醇洗簡介

我國富煤而石油與天然氣相對匱乏，煤炭在中國一次能源中的比例占70%。特別是傳統的煤炭開采及加工利用方法已經對經濟發展與生態環境產生了嚴重影響，當今發展潔凈能源及循環經濟已經成為經濟和社會可持續發展的重要保障，提高煤炭利用率減少溫室氣體排放和環境污染是現實的選擇。低溫甲醇洗工藝是一種高選擇性、高凈化度、低能耗的氣體凈化方法，以其獨特的凈化優勢，在以煤、油渣為原料的大型化工裝置中廣泛應用，成為大型煤化工項目的首選凈化工藝。

本文闡述了賽鼎工程有限公司自主研發的低溫甲醇洗工藝在項目中的應用及改進情況。低溫甲醇洗是基于物理吸收的氣體凈化方法。該方法是用甲醇同時脫除H2S、CO2和各種有機硫，HCN、C2H2、C3及C4以上的氣態烴、水蒸氣等，可以達到很高的凈化度。氣體中的總硫可脫至＜0.1×10-6（φ），二氧化碳可脫至（10～20）×10-6（φ）。

2 低溫甲醇洗工藝配置改進

低溫甲醇洗工藝有幾種不同的流程配置，主要有賽鼎、魯奇、林德和大連理工。林德和大連理工的流程適用于氣流床氣化方法，二者的流程配置有很多相似的地方；賽鼎和魯奇流程是為固定床氣化所配置的，因氣化的氣體成分比較復雜，故流程也較復雜。幾年來，我公司通過對多套引進裝置的消化吸收，建立了相關的數據庫，依據多年的設計經驗，擁有了自己獨立的設計技術。

某煤制天然氣項目A 和B 采用的低溫甲醇洗工藝技術均為我公司自主知識產權。本文對這兩個項目低溫甲醇洗工藝進行分析并在工藝上進行完善和改進。方案一：煤制天然氣項目A 為原設計流程方案二：煤制天然氣項目B 為改進流程

2.1 煤氣冷卻系統改進

兩個流程對比：A 項目粗煤氣冷卻系統是以一個纏繞式換熱器為主，配置一個常規換熱器及兩個氨冷器，另有兩個粗煤氣分離器。冷卻系統采用一個纏繞式換熱器，是用凈化氣、來自CO2閃蒸塔Ⅰ段和H2S 濃縮塔Ⅰ段的閃蒸氣和粗煤氣進行換熱，把粗煤氣從8℃冷卻到-15℃。

B 項目經過改進調整為兩個纏繞式換熱器、一個氨冷器和一個粗煤氣分離器。并且是把粗煤氣分成兩股，分別用凈化氣、來自CO2閃蒸塔Ⅱ段的CO2氣、H2S 濃縮塔Ⅰ段的閃蒸氣和H2S 濃縮塔Ⅱ段的CO2氣進行換熱，把粗煤氣從40℃冷卻到-16℃。

換熱情況一覽表如表1所示。常規立式換熱器為凈化氣與粗煤氣換熱，把粗煤氣從40℃冷卻到23℃。

從表1可以看出，冷源變為四股，原來CO2閃蒸塔Ⅰ段的閃蒸氣不再進入纏繞式換熱器進行換熱，這股氣其實是由CO2閃蒸塔Ⅰ段先進入4塔Ⅰ段，通過洗滌進一步脫除CO2后進入纏繞式換熱器。這股氣除了含有少量CO2外，還含有CH4、CO、H2等有效成分，其在提供冷量后進入燃料氣壓縮機，可以將有效氣體成分回收，以降低項目生產成本。另外增加了從CO2閃蒸塔Ⅱ段來的CO2，和H2S 濃縮塔Ⅱ段來的CO2氣這兩股氣的冷量可對粗煤氣進行冷卻，從而減少一個氨冷器和一個分離器，利用系統內部冷量的合理利用以達到粗煤氣冷卻的目的，減少了額外冷量消耗。

改進后優點：減少了一個氨冷器節約冷量約7.074×106kJ/h和一個分離器的布置，給兩個纏繞式換熱器的布置提供有利空間，換熱器規格同時變小，利于設備的布置和管道布置。將CO2閃蒸塔Ⅰ段閃蒸氣先進入H2S 濃縮塔Ⅰ段，通過洗滌進一步脫除CO2，可對燃料氣進行進一步的凈化，使去往燃料氣管網的氣體中有效成分的含量更高。重新調配了氣氣換熱器系統，采用繞管換熱器，縮小了換熱溫差，有效節約能耗，更多回收了冷量且使排放氣溫度以較高的溫度排放，避免現場出現排放氣管線結霜現象。

2.2 CO2吸收系統改進

兩個項目對比：A 項目設計的CO2吸收塔是在塔頂精洗段噴入-42℃的甲醇貧液，無硫甲醇半貧液在主洗段頂部噴入，同時與來自精洗段的甲醇匯合。匯合后的甲醇與煤氣逆向流動，吸收CO2、H2S 和COS，由于CO2溶解熱的作用使得甲醇溫度上升。為了提高甲醇的吸收能力，從第11#塔盤將甲醇引出，用-40℃級氨蒸發將甲醇冷卻到-34℃，再經換熱器用CO2閃蒸塔Ⅱ段閃蒸液繼續冷卻到-40℃，冷卻后的甲醇返回到CO2吸收塔下段（第10#塔盤上）作為吸收液。

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B 項目的設計取消了來自CO2閃蒸塔的無硫甲醇半貧液進入CO2吸收塔主洗段的這股洗滌液，而是用熱再生塔底部熱再生后的貧甲醇從塔頂進行逐級洗滌，雖然再生甲醇的用量增大但總體上洗滌甲醇循環量減少，同時給開車狀態下系統運行的穩定性帶來了保證。從A 項目現場反饋的問題，在開車初期甲醇液循環波動大或操作人員經驗不足的情況下脫硫效果不佳，使凈化氣中H2S 含量超標。

另外A 項目流程要從CO2吸收塔底部11#塔板抽出一股吸收液經過冷卻提高吸收效率，再通過甲醇循環泵返回10#塔板。而B項目的設計是從塔頂開始用貧甲醇從高到低逐級洗滌，段間經過換熱器冷卻，減少了一臺甲醇循環泵，降低了裝置的運行成本，節約了泵房的布置空間。

改進后優點：將原來無硫甲醇半貧液和貧甲醇吸收系統改進為全部貧甲醇吸收系統，使凈化氣質量指標更加容易保證，在開車階段和操作不熟練情況下有明顯優勢，總的循環甲醇用量減少，降低CO2閃蒸塔運行負荷，縮減了塔徑。分兩段向脫碳塔內補充冷量，其中一段采用系統內的換熱來完成，充分利用了系統內的冷量，從而節約了制冷劑的消耗約4.186×106kJ/h。減少一個甲醇循環泵，降低了裝置的運行成本。

2.3 H2S濃縮系統換熱系統配置改進

兩個項目對比：A 項目的H2S 濃縮塔為三段，B 項目在滿足工藝要求的前提下設計成兩段，簡化了設備結構。A 項目的熱再生塔的H2S 富氣返回硫化氫濃縮塔3段的過程中是利用三個串聯的熱交換器（一臺水冷器串聯兩臺氣氣換熱器）將冷卻溫度從56℃降低到-28℃；B 項目的H2S 熱閃蒸氣進入H2S濃縮塔經過兩個串聯的換熱器（一臺水冷器串聯一臺氣氣換熱器）將溫度從70.5℃降低到-35℃，二者體積流量接近，減少一個換熱器，同時可以縮小換熱器的換熱器溫差，更加有利于能量的回收。

在液相方面，A 項目硫化氫濃縮塔的H2S 濃縮液經過一臺纏繞式換熱器和5臺臥式貧富甲醇換熱器換熱后進入熱再生塔，且該換熱器體積龐大，不易布置。B 項目將該換熱系統配置進行修改，通過兩臺換熱器和一臺水冷器滿足換熱要求，并且在換熱過程中間增加了一臺中間閃蒸槽，使含硫甲醇富液在升溫過程中閃蒸出的氣體返回H2S 濃縮塔進行再吸收，減少兩相流的出現，有利于泵的選型及管道系統穩定運行，從而保障了熱再生系統運行的穩定性。

改進后優點：通過對進出H2S 濃縮塔氣相和液相的換熱情況對比，在滿足工藝要求的情況下優化了該系統的換熱系統配置，減少了換熱器配置數量的同時達到換熱要求，同時增加了甲醇溶液的中壓閃蒸槽，使濃縮液體中溶解的氣體析出能返回到H2S 濃縮塔底部進行再吸收，使系統中兩相流管道（含硫甲醇溶液）在傳送過程中氣體不易解吸出，減少含硫甲醇富液管道解吸產生管道振動的情況，從源頭對兩相流管道振動的情況進行改進，保證裝置的穩定運行。

2.4 全裝置公用工程消耗對比

表2 公用工程消耗對比表

3 方案比較總結

B 項目冷量消耗比A 項目減少30%。主要體現在下面兩個方面。

1）方案二采用繞管式換熱器分別回收CO2閃蒸塔Ⅱ段和H2S 濃縮塔Ⅱ段的CO2氣體的冷量，縮短了冷端溫差，保證能夠比較充分地利用系統的冷量。在貧液冷卻部分，采用循環水來對貧液的高溫段進行降溫，從而降低了系統冷量的消耗。

2）采用的氮氣氣提方式增大了氮氣的消耗，減小了CO2析出分壓。獲得更低溫度的甲醇液，便于利用該液體對系統進行換熱冷卻，也是該裝置冷量消耗減少的重要原因。

在溶液再生方面，兩個方案的含碳液和脫硫液再生方式基本相同。方案二由于將貧甲醇洗滌液改進為再生甲醇洗滌，增加了甲醇溶液再生系統液體總量。低壓蒸汽用量有所增加，但沒有提高整體運行費用。

在設備選型和換熱系統配置方面，方案一和方案二均在煤氣冷卻系統選用了繞管式換熱器，而兩個方案纏繞式換熱器的方案換熱網絡不同。由于利用了纏繞式換熱器特點，所以精簡了煤氣冷卻系統換熱器布置方案，實現布置簡潔，配管方便。雖然設備投資會因此增加，但是在原料氣比較潔凈的工程中比較實用。

方案二中對原設計中設備和換熱器規格進行了改進，減少了2臺氨冷器、1臺分離器、3臺換熱器及1臺泵，不僅是對塔進行了重新計算，改變塔內結構形式，將浮閥塔板改為填料塔，使CO2閃蒸塔和尾氣洗滌塔的直徑大幅縮減。萃取系統的改造為設備運輸制造提供有利條件，也使萃取有更好的效果，石腦油質量提高。

通過改進，B 項目低溫甲醇洗的工藝流程更加合理，換熱系統配置更加完善，總體上優于A 項目。

4 結束語

通過對于低溫甲醇洗工藝的優化和改進，以及兩種方案的對比，優化系統方案的換熱裝置，利用余熱答到后期加熱的目的，通過改進使B 項目低溫甲醇洗的工藝流程更加合理，換熱系統配置更加完善，總體上優于A 項目。胡在萃取過程中使用B 項目，能夠讓整個方案有更好的效果，提高石油質量。