NHD脫碳裝置工藝運行總結

＊朱之明 馬名杰

（1.晉能控股裝備制造集團天源山西化工有限公司 山西 048400 2.河南理工大學 河南 454150）

1.前言

山西晉煤天源化工有限公司（以下簡稱天源公司）合成氨裝置中脫碳工序采用NHD脫碳工藝，設計處理氣量107562Nm3/h，隨著系統節能挖潛和氣化升級改造后，脫碳進口氣量達到150000Nm3/h，出口工藝氣中CO2指標由0.38%達到1.8%，嚴重影響后序雙甲精制工段的安全運行。同時因凈化氣中CO2含量升高，在雙甲工段多消耗H2生成甲醇和水，浪費了生產合成氨所需要的H2。為保證生產裝置安全穩定達標運行，計劃對脫碳工段實施優化改造。

2.優化方案

(1)提高氣相運行壓力

NHD溶液吸收CO2是一個典型的物理吸收過程，當CO2在脫碳氣中分壓不高時，CO2在NHD溶液中的平衡濃度符合亨利定律[1]即：Ci=Hi·Pi。氣相中CO2分壓可以按照道爾頓分壓定律進行計算，即Pi=P·yi。提高脫碳進口氣相壓力，CO2在NHD溶液中的溶解度增大，有利于原料氣中的CO2被吸收。根據物理吸收的這一特性，制定優化方案如下：

①在日常操作中，嚴格執行工藝指標，穩定脫碳系統壓力在2.95～3.05MPa之間。

②利用大修機會對脫碳裝置進口原料氣分離器絲網、凈化氣分離器絲網、三相換熱器等靜設備進行定期檢查清洗，降低脫碳裝置的阻力[2]，提高系統壓力。

從實際運行效果看，提高吸收壓力，凈化氣出口CO2指標能有效降低。

(2)降低入口氣體溫度

由于NHD溶液吸收變脫氣中的CO2物理吸收過程，其平衡溶解度隨著操作溫度降低而升高[3]。如圖1所示。

由圖1可以看出，NHD脫碳操作溫度越低，越有利于加大CO2吸收能力，進入脫碳裝置的變脫氣溫度越低，帶入脫碳系統的熱量越少，對NHD溶液升溫影響越小。

圖1 溫度對NHD溶液吸收CO2能力影響圖

優化方案與實施效果：在脫碳塔氣體進口處增加一臺溴化鋰換熱器[4]，降低變脫氣進脫碳進口的溫度。該方案在年度檢修已經實施，實施后進口溫度由40℃降低至19℃，降溫效果明顯。

(3)降低NHD溶液溫度

基于NHD溶液在低溫下有利于吸收，并且要求溶液溫度在-2℃～-5℃，但在實際運行過程中，一方面由于冰機冷凍負荷不足，導致溶液溫度長時間在-3℃，沒有達到最佳吸收效果；另一方面氨冷器經過十幾年運行，殼側污垢較多，影響傳熱系數。

優化方案與實施效果：利用年度大修，對冰機各段水冷器進行了清洗，堵漏，提高氨壓縮機制冷能力。經過檢修后脫碳貧液溫度能夠維持在-5℃。

利用大修停車檢修機會，對脫碳氨冷器進行了化學清洗，開車前又用蒸汽進行了蒸煮。殼側大量的硫膏及雜質全部得到了清理，提高了換熱器的傳熱系數，降低了貧液溫度。優化方案實施后，脫碳貧液溫度全年基本能夠保持在-5℃。

(4)降低NHD水含量

NHD溶液在吸收、解析再生過程中同時要吸收變脫氣、氣體空氣中的水蒸汽，隨著脫碳裝置運行，NHD溶液中的水含量逐漸提高，當溶液當中水含量指標≥5%（wt）時，NHD溶液吸收CO2的能力逐步下降，脫碳出口CO2指標因NHD溶液吸收能力下降而上漲，影響脫碳裝置及后續工段的運行。天源公司在2012年就發生過因脫碳液水含量上漲而被迫減量的工藝事故[5-6]。

優化方案與實施效果：日常運行時加強原料氣分離器和空氣分離器排水，減少帶入系統的水含量；利用大修機會對脫水系統進行改造，提高脫水系統能力，降低溶液中的水含量。目前該項目已經實施，NHD溶液中水含量保持在3.5%以下[7]。

(5)降低NHD溶液雜質含量

脫碳裝置進口氣體中含有微量的H2S，雖然NHD溶液本身沒有腐蝕性，但是隨著氣體中的H2S與碳鋼管道長時間接觸而腐蝕生成FeS，這些硫化物顆粒會長時間在溶液中存在，影響NHD溶液的純度，進而影響溶液的吸收度[8]。

優化方案與實施效果：在富液泵出口增加一臺陶瓷溶液過濾器[9]，降低溶液中的顆粒度和雜質含量，過濾后的清液返回到溶液儲槽中。該方案實施后，溶液顏色由深黑色變成透亮的淡黃色，溶液質量得到明顯改善。

(6)提高NHD溶液循環量

脫碳裝置在進口氣量一定、操作溫度、操作壓力等工藝相同的條件下，脫碳出口CO2的指標隨著液氣比增加而逐步降低液氣比對CO2的指標的影響入表1所示。

表1 氣液比大小與NHD溶液吸收CO2能力表

一個裝置一旦建成，塔徑確定、填料類型和填料高度等基本的工藝條件確定后，為了確保脫碳裝置出口CO2的指標，在日常操作中唯一可操作的就是提高裝置運行過程中的液氣比，即增加溶液循環量。

優化方案與實施效果：與泵廠家進行溝通，通過對泵的葉輪進行重新核算，增加貧液泵的打液量。同時為了應對泵流量增加后對應的電機功率超負荷的問題，增加能量回收裝置。該方案在年度檢修時已經實施，溶液循環量由1050m3/h增加到1250m3/h，同時由于改進了壓力能回收裝置，貧液泵電機功率降低了300kW·h，出口CO2指標由1.8%降低到1.2%，改造效果明顯。

(7)更換新型脫碳塔填料

對于吸收塔來講，氣液兩相在填料層進行傳熱與傳質，對工藝指標的達標運行起到了極其關鍵的作用。NHD溶液在-5℃的溫度條件下吸收CO2，氣液兩相傳質傳熱速度緩慢，因此要求填料要具備較大的比表面積來完成傳質過程。現有裝置塔內共設置5段50#階梯環填料，每段填料高度均為7m。通過水力學計算得知，增加氣量后泛點率會增加，影響裝置運行安全。

優化方案與實施效果：采用天津大學專利產品ZUPAC-B新型填料[10]，該填料的波紋由不同平面四個以薄片相交形成，側向看為兩條交錯的波紋形狀折線互相交錯。填料上的小孔通道沿著平行四邊形均勻分布，取代了常見填料上的圓形通孔，在相同體積填料的條件下，其比表面積比現有裝置內裝填的50#階梯環更大。

鑒于此種填料結構上的優點，在氣液傳質過程中，傳質效率更高；因其開孔率大，使氣液接觸通量提高，脫碳塔、氣提塔壓降較其他填料低；其比表面積大的優點，增加了氣液接觸面積，抗堵塞能力更強。

該項目利用檢修已經實施，達到了預期的目的。

3.工藝優化前后效果對比

由表2可以看出，通過提高脫碳壓力、增加溶液循環量、增加傳質面積，降低脫碳塔入口氣液相溫度、提高脫碳溶液品質等措施，最終實現脫碳出口CO2指標下降到0.93%，達到＜1%的預期目標。

表2 工藝優化前后效果對比

4.結束語

綜上所述，脫碳系統通過采取系列措施，在生產負荷保持不變或者稍有增加的情況下，有效降低了脫碳出口二氧化碳指標，進一步驗證脫碳裝置工藝優化方案可行，各項數據達到了預期指標。