液力透平泵在低溫甲醇洗工段的應用

楊 磊，吳勝軍，李丑平

(航天長征化學工程股份有限公司蘭州分公司 甘肅蘭州 730010)

液力透平是一種能量回收設備，主要利用廢熱、廢氣、余壓等資源，將這部分壓力能轉化為機械能，輔助電機做功，從而節省電能[1]。目前，國內外大型煤基合成氨、合成甲醇等項目的變換氣凈化工段廣泛采用低溫甲醇洗工藝[2]，其特點是循環甲醇在高壓下吸收H2S和CO2氣體，在低壓下解吸H2S和CO2氣體，造成高壓富液壓力能的損失。采用液力透平泵，可以對工藝系統的余壓進行有效回收，不僅節約能源，而且可為企業創造巨大的經濟效益，應用前景十分廣闊。

1 低溫甲醇洗工藝流程

1.1 工藝流程簡介

如圖1所示，變換氣(40 ℃、3.1 MPa)經一系列換熱器降溫并分離水分后進入H2S吸收塔(T-01)，變換氣中全部H2S和部分CO2被來自CO2吸收塔(T-02)的富CO2甲醇液洗滌吸收，脫除H2S以后的變換氣進入T-02，在貧甲醇(-53 ℃、3.2 MPa)洗滌吸收下脫除所有的CO2，脫除CO2的凈化氣由T-02塔頂引出送后工段。

從T-01塔底出來的吸收了H2S和CO2的含硫甲醇富液經閥(V-01)減壓至1.0 MPa后在中壓閃蒸塔(T-03)下部閃蒸出溶解的H2及少量CO2等氣體，從T-02塔底出來的富CO2甲醇溶液經閥(V-02)減壓至1.0 MPa后在T-03上部閃蒸出溶解的H2及少量CO2等氣體，閃蒸氣經壓縮后送入原料氣中回收有效成分。從T-03下部出來的富甲醇溶液送入CO2汽提/解吸塔(T-04)，富甲醇溶液在T-04上段閃蒸出大部分溶解的CO2，塔底得到的CO2含量和溫度均較低的富H2S甲醇溶液經循環泵(P-01)加壓至1.8 MPa后送熱再生塔(T-05)。在T-05塔頂得到的H2S含量較高的酸性氣送往后工段，再生的貧甲醇經貧甲醇泵(P-02)加壓至5.3 MPa后送T-02循環使用，塔底含水甲醇廢液經處理達標后排出系統。

圖1 低溫甲醇洗工藝流程

1.2 工藝流程改進

脫硫、脫碳工段是合成氨生產裝置的主要組成部分之一，對整個合成氨裝置的經濟性有極其重要的影響[3]。由于脫硫和脫碳吸收塔通常在低溫、高壓(-50 ℃、3.1 MPa)下操作，而吸收后含有CO2和H2S的富甲醇溶液經減壓閥降壓至1.0 MPa后進入再生系統，造成了高壓富液壓力能的損失，故采用液力透平驅動泵回收系統中穩定的壓力能帶動甲醇循環泵做功，從而降低電耗，實現系統余能的回收利用。

改造以后的工藝流程如圖2所示。從T-01塔底出來的富H2S甲醇溶液通過液力透平泵，將壓力由3.0 MPa降至1.0 MPa后去T-03的下塔，這部分富余的壓力能輔助P-01電機做功，實現能量回收。同樣，從T-02塔底出來的富CO2甲醇溶液通過液力透平泵，將壓力由2.9 MPa下降至1.0 MPa后去T-03的上塔閃蒸，這部分富余的壓力能輔助P-02電機做功，實現能量回收。

2 液力透平驅動方式及性能參數

2.1 液力透平的結構和工作原理

液力透平是將液相流體中富余的能量轉換成機械能的動設備[4]，由轉子、定子、軸承體等部件組成。轉子即葉輪，是液力透平最主要的部件之一，安裝于透平軸上，設有沿圓周均勻排列的葉片。高壓液體通過葉輪時，流體沖擊葉片推動葉輪轉動，從而驅動透平軸旋轉，透平軸直接或經傳動機構帶動其他機械輸出機械功。定子部件包括透平體和透平蓋，透平蓋安裝在透平體的兩側，透平體頂部為高壓液體吸入口和低壓液體排出口。軸承體部件由滾動軸承甲部件及滾動軸承乙部件兩部分構成，安裝在透平體的兩端，用螺柱固定在托架上。液力透平通過高壓液體驅動葉輪旋轉，在高壓液體轉變為低壓液體的過程中實現余能的回收利用，具有能量回收率高、結構科學合理、制造成本低、性能穩定和節能效果顯著的特點。

圖2 改造后低溫甲醇洗工藝流程

2.2 液力透平驅動方式

目前，國內化肥企業采用液力透平驅動泵做功主要有如下2種配置方式[5]。

2.2.1 甲醇輸送泵+電機+超速離合器+液力透平

當液力透平輸出的功率不能完全達到甲醇輸送泵的功率時，常采用液力透平輔助電機做功的結構形式，如圖3所示。此種配置方式對甲醇輸送泵和液力透平的水力特性(揚程-流量特性曲線和軸功率-流量特性曲線)要求不高，電機與液力透平之間安裝超越離合器，即使在沒有足夠能量驅動液力透平的情況下，也能保證泵和輔助驅動裝置的穩定操作；同時，可使液力透平的維修不影響泵的運轉。總之，超越離合器的應用使液力透平的操作具有極大的靈活性[6]。

圖3 液力透平輔助電機做功結構形式

2.2.2 甲醇輸送泵+液力透平

如圖4所示，甲醇輸送泵和液力透平僅通過聯軸器直聯，中間不設輔助電機。此種配置方式要求甲醇輸送泵和液力透平的水力特性(揚程-流量特性曲線和軸功率-流量特性曲線)必須匹配良好，否則機組不能安全穩定運行。由于技術原因，目前國內液力透平制造企業還不能實現直聯方式，所以采用直聯機組的大中型化肥企業全部選用進口產品。此種配置方式雖然價格昂貴，但能量回收效率高，且機組可靠性好，能保證至少

圖4 液力透平直接驅動結構形式

連續運行1年。

2.3 性能參數

以600 kt/a合成氨項目中的貧甲醇泵為例，貧甲醇泵與液力透平操作參數如表1所示。

表1 貧甲醇泵與液力透平操作參數

由于低溫甲醇洗工段富甲醇溶液經液力透平回收的功率較低，如貧甲醇泵液力透平回收的功率僅191 kW，不能滿足貧甲醇泵所需的功率(1 000 kW)，所以采用電機+液力透平的驅動方式，液力透平輔助電機做功以回收富余壓力能。

3 節能分析

同樣以600 kt/a合成氨項目為例，如表2所示，采用液力透平輔助電機做功，按省功19%[7]、年操作時間7 920 h/、電價0.55元/(kW·h)計，P-01通過液力透平每年回收功率7.5×105kW，P-02通過液力透平每年回收功率1.5×106kW，年節省電費124萬元。

表2 液力透平功率回收參數

4 結語

液力透平泵應用于低溫甲醇洗工段，實現工藝系統余壓的有效回收利用，不僅節約能源，而且可降低企業運行成本。對于600 kt/a合成氨項目，年節電2.25×106kW，年節省電費124萬元左右，經濟效益十分顯著，應用前景廣闊。