低溫甲醇洗系統冷量優化研究及應用

文煥

（中國石化巴陵分公司，湖南岳陽 414003）

低溫甲醇洗工藝是一種成熟的氣體凈化技術，廣泛應用于大型合成氨、煤制甲醇、羰基合成、工業制氫等煤化工、石油化工領域，是利用甲醇在低溫下分步脫除工藝氣中的硫化氫及二氧化碳氣體。甲醇吸收CO2及H2S是一個放熱過程，釋放的熱量需要通過閃蒸氣及附加的氨冰機提供冷量等來維持系統冷量平衡。其冷量來源包括循環水冷卻、富甲醇低壓閃蒸解析CO2氣體產生冷量和液氨（丙烯）降壓閃蒸制冷等[1]。

巴陵分公司煤制合成氨裝置采用殼牌粉煤氣化技術，制備合格的粗煤氣，經耐硫變換，將粗煤氣中大量的一氧化碳變換除去，獲得以氫和二氧化碳為主的變換氣，送往低溫甲醇洗單元進行H2S及CO2脫除。經低溫甲醇進行吸收后合格的凈化氣一部分送往變壓吸附進行氫氣提純，一部分送往甲烷化進行含氧化合物的脫除后，與一定的氫氮氣配比后在氨合成塔生成液氨。低溫甲醇洗系統耗能占合成氨綜合能耗的15%左右[2]，盡量減少低溫甲醇洗系統耗能對實現合成氨裝置節能降耗、降低生產成本、提高裝置競爭力具有非常重要的意義。

1 低溫甲醇洗系統流程簡介

煤制合成氨裝置采用魯奇低溫甲醇洗六塔工藝。來自一氧化碳變換單元的3.0 MPa、40℃變換氣，經變換氣/凈化氣換熱器E-2201以及變換氣深冷器E-2202逐步降溫至7℃左右，進入變換氣分離罐F-2201進行氣液分離，將變換氣中自帶的飽和水進行有效分離。分離后的變換氣經變換氣/CO2/凈化氣繞管式換熱器E-2203降溫至–27.5℃以下送入硫化氫及CO2吸收塔進行分段洗滌。充分利用低溫貧甲醇的高溶解性，將變換氣中攜帶的硫化氫與CO2氣體完全吸收后送往甲烷化及變壓吸附單元進行后續處理。

飽和吸收的富甲醇及富CO2甲醇，送往H2S濃縮塔T-2203上塔及下塔，經減壓閃蒸及氣提進行CO2再生及H2S提濃。送往上塔的富甲醇經減壓閃蒸出CO2氣體，經CO2氣體分離罐F-2209進行氣液分離。分離下的甲醇，連同污甲醇罐F-2204收集的其他排放甲醇送往熱再生塔T-2204進行徹底再生。–55.3℃的低溫CO2氣體與7℃的變換氣進行完全換熱后溫度提高至4℃，少部分送往CO2產品用戶，大部分直排大氣。送往T-2203下塔的富甲醇經減壓氣提，進行H2S濃縮，同時閃蒸出大量的低溫尾氣（CO2），通過上塔的富CO2甲醇進行逆流洗滌，除去氣體中的硫化物。尾氣經出口除沫器及分離罐F-2210進行氣液分離后，–63.9℃的低溫尾氣一部分經入T-2203塔下塔的氣提氮氣回收冷量，一部分經熱再生塔產生的酸性氣回收冷量，最終兩股尾氣溫度由–63.9℃提高至–10℃左右，再次經循環水回水換熱器E-2223回收冷量后直排大氣。

變換氣經低溫甲醇吸收洗滌后，氣體出CO2吸收塔T-2202的–55℃的低溫凈化氣經變換氣兩級回收冷量后，溫度達到40℃后送往下一工序。在整個系統中主要通過甲醇的減壓閃蒸來為系統提供冷量，同時還設置了一套氨壓縮機（J-2501）系統來補充吸收過程中不夠的冷量。具體的流程見圖1。

2 低溫甲醇洗系統冷量來源

低溫甲醇洗系統中高位低溫冷量主要有減壓閃蒸的低溫CO2氣體、減壓閃蒸氣提產生的低溫尾氣、低溫凈化氣以及氨壓縮機制冷等四個來源。其中，–52℃的低溫凈化氣經過兩級冷量回收溫度提高至40℃，送往后續處理單元；–63.9℃的低溫閃蒸尾氣經氣提氮氣及酸性氣回收一部分冷量后，未回收冷量則通過循環水換熱器E-2223被循環水帶走；–55.3℃的低溫CO2氣體，經變換氣回收大部分冷量后，溫度達4℃進行外送，同時分離后的–55.3℃的低溫甲醇送往熱再生塔。

3 低溫甲醇洗系統冷量損失原因分析

1）閃蒸尾氣排放溫度偏低

圖1 低溫甲醇洗工藝流程

裝置自2006年投產后，運行過程發現H2S濃縮塔T-2203存在下塔浮閥結垢卡死、壓差大、高負荷生產時下塔出現“泛塔”、酸性氣體甲醇夾帶量大等問題，成為制約裝置高負荷運行的瓶頸。2011年11月對該塔的下塔塔盤進行整體更換改造，將浮閥塔盤改為固閥塔盤。改造后，下塔壓差減小，酸性氣體甲醇夾帶量下降。但系統尾氣流量增加，促使酸性氣/尾氣換熱器E-2214和氣提氮氣冷卻器E-2210無法完全回收尾氣的冷量，造成最終尾氣排放溫度偏低，實際排放溫度約為–20℃，最低達–30℃，而設計排放溫度為25℃。雖然通過E-2223能回收一部分冷量，但仍有大量冷量被尾氣帶走排空，一定程度上增大了輔助氨冰機J-2501的負荷；同時由于尾氣的排放溫度接近甚至低于尾氣管道材料的使用溫度下限（使用溫度下限為–20℃），存在較大的安全隱患。

2）低溫冷甲醇冷量未回收

原設計CO2氣體分離器F-2209分離出來的–55.3℃冷甲醇直接排入污甲醇罐F-2204，–55.3℃冷甲醇與系統內排放的甲醇混合后經污甲醇泵P-2207直接送入熱再生塔T-2204進行熱再生，低溫冷甲醇未經過冷量回收直接送往熱再生塔，造成該股低溫甲醇的冷量大量損失。此外，通過對回收的CO2氣體進行分析檢測發現，CO2氣體中夾帶的甲醇含量較高，最高達2 000 mg/L以上，也說明系統甲醇跑損嚴重。

3）深冷器設備內漏

變換氣深冷器E-2202在運行過程中因設備材質、設備焊接質量等因素制約[3]，存在設備內漏風險。若出現設備內漏，高壓變換氣泄漏至氨側，易引起氨冷器換熱管結晶堵塞，引起換熱效率下降，冰機流道堵塞等問題，制約裝置的高負荷安全生產。

4 優化改進措施及效果

1）增加變換氣/尾氣/CO2氣繞管式換熱器E-2204

針對T-2203有大量冷量被尾氣帶走排空的問題，利用2017年4月大檢修期間，增加一臺變換氣/尾氣/CO2氣繞管式換熱器E-2204，將H2S濃縮塔T-2203主要再吸收段減壓閃蒸出的低溫尾氣取一股與入低溫甲醇洗單元的變換氣進行一次深冷交換，與變換氣深冷器E-2202并聯，見圖2虛線部分，最終控制變換氣出口總管溫度達到7℃左右。

圖2 改造后的低溫甲醇洗工藝流程

改造后，E-2202負荷降低了約65%，尾氣外排溫度由–20℃提高至10℃左右；外排的4℃的CO2產品氣經進一步回收冷量后，最終排放溫度提高至16℃左右，回收閃蒸氣（尾氣、CO2）中的低溫冷量為1 163 kW，節約配套氨冰機J-2501中壓蒸汽消耗約2.8 t/h，達到了降低配套氨冰機J-2501負荷的目的。

2）增加低溫甲醇泵P-2210

針對–55.3℃的低溫冷甲醇未經過冷量回收直接送往熱再生塔，造成低溫甲醇的冷量大量損失的問題，增加一臺低溫甲醇泵P-2210，將分離下的冷甲醇提壓回收至T-2203下塔塔底，與貧甲醇完全換熱后，回收冷甲醇的冷量后再送至熱再生塔T-2204進行熱再生，見圖2。

改造后，P-2210正常流量以1 t/h計算，冷甲醇溫度從–55℃上升至90℃，每小時可回收約1.465 TJ的冷量，相當于氨冰機每小時降低約0.78 t的中壓蒸汽消耗。

3）更新E-2202換熱器，并對盤管材質進行升級

針對變換氣深冷器E-2202在運行過程中內盤管容易出現內漏的情況，更新一臺E-2202換熱器，并將盤管材質升級為316 L，同時2017年4月檢修增加的一臺繞管式換熱器E-2204，低負荷情況下可完全取代現有變換氣深冷器E-2202，利用–63.9℃的低溫閃蒸尾氣以及4℃的CO2氣體冷量，替代或部分替代現有氨冷器E-2202氨閃蒸制得的冷量，實現在線切出檢修，避免裝置大幅度降負荷或非計劃停工。

以上優化改進措施實施后，低溫甲醇洗系統冷量得到了有效利用，外排尾氣溫度提高至設計值，解決了設備及管線超設計溫度運行的安全隱患，實現了裝置安全穩定運行。低溫甲醇洗系統改造前后運行參數對比見表1。

表1 低溫甲醇洗系統改造前后運行參數對比

5 結論

H2S濃縮塔T-2203閃蒸尾氣排放溫度偏低、低溫甲冷甲醇未經過冷量回收直接送往熱再生塔以及變換氣深冷器在運行過程中存在的設備內漏導致煤制合成氨裝置低溫甲醇洗系統冷量損失，制約裝置高負荷安全生產。采用繞管式換熱器與現有變換氣深冷器E-2202并聯使用后，變換氣深冷器負荷降低了約65%，尾氣外排溫度由–20℃提高至10℃以上，外排CO2氣溫度由4℃提高至16℃左右，配套氨冰機中壓蒸汽消耗節約2.8 t/h。通過增加一臺冷甲醇回收泵，將甲醇提壓回收至H2S濃縮塔下塔塔底，回收冷甲醇的冷量后再送至熱再生塔進行熱再生，冷甲醇溫度從–55℃上升至90℃。新增1臺換熱器取代現有變換氣深冷器，可避免設備內漏引起的裝置降負荷或非計劃停工。