焦?fàn)t煤氣液化預(yù)處理裝置試車及改進(jìn)

郝全忠，蔣 莉，彭名生

(四川哈深冷天然氣工程有限公司，成都610045)

七臺(tái)河三聚隆鵬焦?fàn)t煤氣制液化天然氣(LNG)項(xiàng)目是由三聚創(chuàng)潔科技發(fā)展有限公司與七臺(tái)河隆鵬煤炭發(fā)展有限公司共同出資建設(shè)的。它是對(duì)隆鵬煤炭發(fā)展有限公司原有的焦?fàn)t煤氣制甲醇裝置進(jìn)行改造，并利用富余焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)液化甲烷(LNG)，以達(dá)到合理利用焦?fàn)t煤氣的目的。

1 焦?fàn)t煤氣及設(shè)計(jì)指標(biāo)

1.1 原料的組份和條件

進(jìn)入預(yù)處理系統(tǒng)的原料組成、工藝指標(biāo)見表1。

表1 原料組成和工藝指標(biāo)Tab.1 Raw material composition and process indicators

其他雜質(zhì)中，汞的質(zhì)量濃度為10 μg/m3，苯、萘和焦油的質(zhì)量濃度含量分別為3 g/m3、50 mg/m3、100 mg/m3。

1.2 預(yù)處理后的焦?fàn)t煤氣

焦?fàn)t煤氣經(jīng)過(guò)預(yù)處理系統(tǒng)后，要求達(dá)到的設(shè)計(jì)指標(biāo)見表2。

表2 預(yù)處理后的焦?fàn)t煤氣設(shè)計(jì)指標(biāo)Tab.2 COG design specifications after pretreatment

1.3 設(shè)計(jì)工況下的生產(chǎn)規(guī)模

原料氣處理量，為40 000 m3/h;LNG產(chǎn)量(出冷箱產(chǎn)量)，為8 960 m3/h;年開工時(shí)間，為8 000 h;操作彈性50% ～105%。

2 預(yù)處理工藝流程

焦?fàn)t煤氣成分比較復(fù)雜，其中的CO2、重?zé)N以及所含的飽和水在低溫環(huán)境下會(huì)凍堵板翅式換熱器，而汞會(huì)腐蝕鋁質(zhì)的換熱器及管路。

為了保證后續(xù)的液化工序能正常進(jìn)行，并得到合格的液化天然氣，必須對(duì)焦?fàn)t煤氣進(jìn)行凈化處理，以脫除其中的CO2、H2O、重?zé)N、汞等有害物質(zhì)。根據(jù)需要脫出的物質(zhì)情況，預(yù)處理分為:脫碳(二氧化碳)工序，脫汞工序，脫水、脫重?zé)N工序。

2.1 脫碳工序

脫碳工序以活性MDEA為吸收劑，采用一段吸收、一段再生流程脫除焦?fàn)t煤氣中酸性氣體(二氧化碳)。含有 CO2的焦?fàn)t煤氣(1.8～2.0MPa，20℃)從吸收塔下部進(jìn)入，自下而上通過(guò)吸收塔。再生后的胺溶液(貧液，2.1～2.3 MPa，50℃，140 m3/h)從CO2吸收塔上部進(jìn)入，自上而下通過(guò)吸收塔。逆向流動(dòng)的胺溶液和焦?fàn)t煤氣在吸收塔內(nèi)充分接觸，氣體中的CO2被吸收進(jìn)入液相;未被吸收的組份從吸收塔頂部引出，進(jìn)入吸收塔頂冷卻器，溫度將降至～40℃，然后進(jìn)吸收塔頂氣液分離器，最后出氣液分離器的氣體送脫汞塔，冷凝液去富胺閃蒸罐。吸收CO2的胺溶液(稱富液，～60℃)，經(jīng)減壓閥、閃蒸罐后與再生塔底部流出的胺溶液(貧液，114～120℃)在貧富液換熱器換熱(升溫至90～99℃)，然后去CO2再生塔上部。在再生塔進(jìn)行汽提再生，直至貧液的貧液度達(dá)到指標(biāo)。

出再生塔的貧液，經(jīng)過(guò)貧富液換熱器、貧液緩沖罐、升壓泵、貧液冷卻器后，貧液被冷卻到40～50℃，再經(jīng)貧液泵進(jìn)入吸收塔上部。

再生塔頂部出口氣體，經(jīng)二氧化碳冷卻器，進(jìn)入二氧化碳?xì)庖悍蛛x器。出氣液分離器的氣體就地放空或去預(yù)壓縮單元，冷凝液回流至再生塔。

再沸器的熱源由低壓飽和蒸汽(0.5MPa，170℃)提供。經(jīng)過(guò)脫碳處理的焦?fàn)t煤氣中CO2實(shí)際含量小于10 mL/m3。

脫碳工序的流程見圖1所示。

圖1 脫碳工序流程示意圖Fig.1 Flow diagram of decarbonization process

2.2 脫汞工序

來(lái)自脫碳單元的焦?fàn)t煤氣(1.8～2.0 MPa，20℃)，首先進(jìn)入脫汞塔進(jìn)行脫汞。脫汞前，焦?fàn)t煤氣汞含量為10 μg/m3，凈化后含量小于0.01 μg/m3。脫汞后，先經(jīng)過(guò)高精度過(guò)濾器，去除從塔內(nèi)帶出的粉塵等雜物，然后進(jìn)入溴化鋰預(yù)冷系統(tǒng)冷卻，溫度降至7℃，最后進(jìn)入脫水、脫重?zé)N工序的吸附塔A/B/C。

2.3 脫水脫重?zé)N工序

脫汞后的焦?fàn)t煤氣(1.8～2.0 MPa，7℃)進(jìn)入吸附塔A/B/C，脫除焦?fàn)t煤氣中含有的水分、苯(及其他重?zé)N)、萘、焦油等。焦?fàn)t煤氣從吸附塔頂部進(jìn)入，通過(guò)分子篩及活性炭復(fù)合床層吸附脫除水分及重組分，然后從吸附塔底部出來(lái)。吸附后，在φ(H2O)≤1 mL/m3、w(重?zé)N)≤70 mg/kg后，進(jìn)入焦?fàn)t煤氣液化單元。

吸附單元采用3塔等壓再生方案。在給定的吸附周期內(nèi)，一臺(tái)處于吸附狀態(tài)，用來(lái)脫除焦?fàn)t煤氣中的水分及重組分;第二臺(tái)處于加熱狀態(tài)，用來(lái)脫除吸附在床層中的水分及重組分;第三臺(tái)處于冷卻狀態(tài)。再生氣來(lái)自冷箱的高壓富氫氣(1.7～1.9 MPa，7℃)。再生氣首先進(jìn)入加熱結(jié)束的塔進(jìn)行冷吹，之后進(jìn)入再生氣加熱器加熱(蒸汽加熱)到220～240℃。熱的、干燥的氣體從下而上通過(guò)再生狀態(tài)(加熱)的吸附塔，解吸分子篩中的水和重組分。從再生狀態(tài)(加熱)的吸附塔出來(lái)的再生氣，進(jìn)入再生氣冷卻器連續(xù)冷卻，冷卻后的常溫氣體供用戶使用。

再生氣加熱器熱源，采用蒸汽加熱器(過(guò)熱蒸汽，1.2 MPa，270℃)。每臺(tái)吸附塔的完整循環(huán)周期為24 h:吸附狀態(tài)8 h，加熱狀態(tài)8 h，冷卻狀態(tài)8 h。焦?fàn)t煤氣出吸附塔后，設(shè)置高精度過(guò)濾器，去除從塔內(nèi)帶出的粉塵等雜物。

脫水、脫重?zé)N工序流程圖見圖2。

圖2 脫水、脫重?zé)N工序流程圖Fig.2 Process flow of dehydration and dehydrocarbonization

3 存在問(wèn)題及解決方案

該項(xiàng)目開車以來(lái)，總體運(yùn)行平穩(wěn)，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，保證了液化單元的正常工作和液化天然氣的產(chǎn)出。但也存在一些安裝和運(yùn)行的問(wèn)題。

1)開車初期，脫碳單元二氧化碳冷凝器換熱效果很差，出口溫度達(dá)到90℃以上，再生塔塔頂壓力達(dá)到90kPa，甚至更高，致使安全閥起跳。

經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn):①開車初期，由于焦?fàn)t煤氣流量一直不穩(wěn)定，造成再生塔出口酸氣以水蒸氣為主。大量的水蒸氣在二氧化碳冷凝器管路中發(fā)生相變，凝結(jié)成水且不能及時(shí)排出，導(dǎo)致冷凝器負(fù)荷不足。②現(xiàn)場(chǎng)安裝未按圖紙施工。再生塔出口主管路中心低于二氧化碳冷凝器進(jìn)口中心約3 m，未形成有效的步步低的關(guān)系，且進(jìn)口支管未采取保溫措施，導(dǎo)致進(jìn)口管路中積水，形成液柱。

針對(duì)這種情況，采取了調(diào)節(jié)再沸器進(jìn)口蒸汽量，降低塔底溫度，減少水蒸氣的蒸發(fā)。同時(shí)，采取多次迅速降低二氧化碳冷凝器壓力(至30kPa)，使塔頂和冷凝器壓差突然變大;將進(jìn)口支管中的積水逐漸帶出，慢慢使塔頂恢復(fù)到合適的壓力。

但管路安裝已經(jīng)完畢，且不易更改，不能徹底解決問(wèn)題。通過(guò)將二氧化碳冷凝器進(jìn)口支管保溫、穩(wěn)定焦?fàn)t煤氣流量以使酸氣中含有一定量CO2的辦法，可避免問(wèn)題的出現(xiàn)。

2)脫碳單元中直徑較小且含水的管路經(jīng)常凍堵。現(xiàn)場(chǎng)查看發(fā)現(xiàn)，因未按圖紙要求對(duì)含水的管路進(jìn)行伴熱施工，致使環(huán)境溫度降低后，管路內(nèi)部結(jié)冰形成凍堵。后對(duì)DN80及以下管路返工，加電伴熱并嚴(yán)格保溫。

3)原設(shè)計(jì)有缺陷。原設(shè)計(jì)未考慮上下水管的伴熱，也未考慮下部水箱的加熱，導(dǎo)致低溫環(huán)境時(shí)，上下水管凍堵。脫碳單元的二氧化碳冷凝器采用以空氣和水為介質(zhì)的復(fù)合式空冷器，空冷器只配置了一臺(tái)循環(huán)水泵。為防止空冷器在低溫環(huán)境中凍堵，系統(tǒng)停車時(shí)，水泵不能停機(jī)，一直處于開啟狀態(tài)，造成使用不便，且只配置了一臺(tái)水泵，一旦出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)不能穩(wěn)定工作。后建議備用一臺(tái)水泵或再外置一臺(tái)循環(huán)泵。

4)吸收塔到閃蒸罐管路上的調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)關(guān)不嚴(yán)。抽出閥芯后發(fā)現(xiàn)，密封面上卡了一根鐵絲，致使閥芯無(wú)法回座。

5)脫水、脫重?zé)N單元的個(gè)別快速切斷閥出現(xiàn)不能動(dòng)作。現(xiàn)場(chǎng)處理發(fā)現(xiàn)，氣缸在低溫環(huán)境下，密封材料收縮導(dǎo)致氣缸漏氣。重新加工密封材料進(jìn)行更換，即可解決了問(wèn)題。