低溫甲醇洗工藝系統(tǒng)分析及改進(jìn)

溫 溯

（賽鼎工程有限公司，山西太原 030000）

1 低溫甲醇洗簡(jiǎn)介

我國富煤而石油與天然氣相對(duì)匱乏，煤炭在中國一次能源中的比例占70%。特別是傳統(tǒng)的煤炭開采及加工利用方法已經(jīng)對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重影響，當(dāng)今發(fā)展?jié)崈裟茉醇把h(huán)經(jīng)濟(jì)已經(jīng)成為經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要保障，提高煤炭利用率減少溫室氣體排放和環(huán)境污染是現(xiàn)實(shí)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(dú)特的凈化優(yōu)勢(shì)，在以煤、油渣為原料的大型化工裝置中廣泛應(yīng)用，成為大型煤化工項(xiàng)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(fā)的低溫甲醇洗工藝在項(xiàng)目中的應(yīng)用及改進(jìn)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(shí)脫除H2S、CO2和各種有機(jī)硫，HCN、C2H2、C3及C4以上的氣態(tài)烴、水蒸氣等，可以達(dá)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(jìn)

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(fù)雜，故流程也較復(fù)雜。幾年來，我公司通過對(duì)多套引進(jìn)裝置的消化吸收，建立了相關(guān)的數(shù)據(jù)庫，依據(jù)多年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，擁有了自己獨(dú)立的設(shè)計(jì)技術(shù)。

某煤制天然氣項(xiàng)目A 和B 采用的低溫甲醇洗工藝技術(shù)均為我公司自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。本文對(duì)這兩個(gè)項(xiàng)目低溫甲醇洗工藝進(jìn)行分析并在工藝上進(jìn)行完善和改進(jìn)。方案一：煤制天然氣項(xiàng)目A 為原設(shè)計(jì)流程方案二：煤制天然氣項(xiàng)目B 為改進(jìn)流程

2.1 煤氣冷卻系統(tǒng)改進(jìn)

兩個(gè)流程對(duì)比：A 項(xiàng)目粗煤氣冷卻系統(tǒng)是以一個(gè)纏繞式換熱器為主，配置一個(gè)常規(guī)換熱器及兩個(gè)氨冷器，另有兩個(gè)粗煤氣分離器。冷卻系統(tǒng)采用一個(gè)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(jìn)行換熱，把粗煤氣從8℃冷卻到-15℃。

B 項(xiàng)目經(jīng)過改進(jìn)調(diào)整為兩個(gè)纏繞式換熱器、一個(gè)氨冷器和一個(gè)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(jìn)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(guī)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?yōu)樗墓桑瓉鞢O2閃蒸塔Ⅰ段的閃蒸氣不再進(jìn)入纏繞式換熱器進(jìn)行換熱，這股氣其實(shí)是由CO2閃蒸塔Ⅰ段先進(jìn)入4塔Ⅰ段，通過洗滌進(jìn)一步脫除CO2后進(jìn)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(jìn)入燃料氣壓縮機(jī)，可以將有效氣體成分回收，以降低項(xiàng)目生產(chǎn)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(duì)粗煤氣進(jìn)行冷卻，從而減少一個(gè)氨冷器和一個(gè)分離器，利用系統(tǒng)內(nèi)部冷量的合理利用以達(dá)到粗煤氣冷卻的目的，減少了額外冷量消耗。

改進(jìn)后優(yōu)點(diǎn)：減少了一個(gè)氨冷器節(jié)約冷量約7.074×106kJ/h和一個(gè)分離器的布置，給兩個(gè)纏繞式換熱器的布置提供有利空間，換熱器規(guī)格同時(shí)變小，利于設(shè)備的布置和管道布置。將CO2閃蒸塔Ⅰ段閃蒸氣先進(jìn)入H2S 濃縮塔Ⅰ段，通過洗滌進(jìn)一步脫除CO2，可對(duì)燃料氣進(jìn)行進(jìn)一步的凈化，使去往燃料氣管網(wǎng)的氣體中有效成分的含量更高。重新調(diào)配了氣氣換熱器系統(tǒng)，采用繞管換熱器，縮小了換熱溫差，有效節(jié)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(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)排放氣管線結(jié)霜現(xiàn)象。

2.2 CO2吸收系統(tǒng)改進(jìn)

兩個(gè)項(xiàng)目對(duì)比：A 項(xiàng)目設(shè)計(jì)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(shí)與來自精洗段的甲醇匯合。匯合后的甲醇與煤氣逆向流動(dòng)，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(jí)氨蒸發(fā)將甲醇冷卻到-34℃，再經(jīng)換熱器用CO2閃蒸塔Ⅱ段閃蒸液繼續(xù)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。

再說煙酒。煙酒傷身，早已是科學(xué)共識(shí)，但嗜煙酗酒的人在年輕時(shí)，總是以為煙酒的危害離自己很遠(yuǎn)，總是覺得那是危言聳聽，總是僥幸地認(rèn)為自己不會(huì)被厄運(yùn)砸到。當(dāng)有一天，躺在了醫(yī)院里、病床上，甚至車輪下，醫(yī)生說就是吸煙太多喝酒太狠了，你追悔莫及，悔不當(dāng)初。可世界上沒有后悔藥，沒有回頭路，都是單程單行票。居安的時(shí)候不信有危，有危的時(shí)候沒有了返回安的路。

B 項(xiàng)目的設(shè)計(jì)取消了來自CO2閃蒸塔的無硫甲醇半貧液進(jìn)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(jìn)行逐級(jí)洗滌，雖然再生甲醇的用量增大但總體上洗滌甲醇循環(huán)量減少，同時(shí)給開車狀態(tài)下系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性帶來了保證。從A 項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)反饋的問題，在開車初期甲醇液循環(huán)波動(dòng)大或操作人員經(jīng)驗(yàn)不足的情況下脫硫效果不佳，使凈化氣中H2S 含量超標(biāo)。

另外A 項(xiàng)目流程要從CO2吸收塔底部11#塔板抽出一股吸收液經(jīng)過冷卻提高吸收效率，再通過甲醇循環(huán)泵返回10#塔板。而B項(xiàng)目的設(shè)計(jì)是從塔頂開始用貧甲醇從高到低逐級(jí)洗滌，段間經(jīng)過換熱器冷卻，減少了一臺(tái)甲醇循環(huán)泵，降低了裝置的運(yùn)行成本，節(jié)約了泵房的布置空間。

改進(jìn)后優(yōu)點(diǎn)：將原來無硫甲醇半貧液和貧甲醇吸收系統(tǒng)改進(jìn)為全部貧甲醇吸收系統(tǒng)，使凈化氣質(zhì)量指標(biāo)更加容易保證，在開車階段和操作不熟練情況下有明顯優(yōu)勢(shì)，總的循環(huán)甲醇用量減少，降低CO2閃蒸塔運(yùn)行負(fù)荷，縮減了塔徑。分兩段向脫碳塔內(nèi)補(bǔ)充冷量，其中一段采用系統(tǒng)內(nèi)的換熱來完成，充分利用了系統(tǒng)內(nèi)的冷量，從而節(jié)約了制冷劑的消耗約4.186×106kJ/h。減少一個(gè)甲醇循環(huán)泵，降低了裝置的運(yùn)行成本。

2.3 H2S濃縮系統(tǒng)換熱系統(tǒng)配置改進(jìn)

兩個(gè)項(xiàng)目對(duì)比：A 項(xiàng)目的H2S 濃縮塔為三段，B 項(xiàng)目在滿足工藝要求的前提下設(shè)計(jì)成兩段，簡(jiǎn)化了設(shè)備結(jié)構(gòu)。A 項(xiàng)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(gè)串聯(lián)的熱交換器（一臺(tái)水冷器串聯(lián)兩臺(tái)氣氣換熱器）將冷卻溫度從56℃降低到-28℃；B 項(xiàng)目的H2S 熱閃蒸氣進(jìn)入H2S濃縮塔經(jīng)過兩個(gè)串聯(lián)的換熱器（一臺(tái)水冷器串聯(lián)一臺(tái)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(gè)換熱器，同時(shí)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(xiàng)目硫化氫濃縮塔的H2S 濃縮液經(jīng)過一臺(tái)纏繞式換熱器和5臺(tái)臥式貧富甲醇換熱器換熱后進(jìn)入熱再生塔，且該換熱器體積龐大，不易布置。B 項(xiàng)目將該換熱系統(tǒng)配置進(jìn)行修改，通過兩臺(tái)換熱器和一臺(tái)水冷器滿足換熱要求，并且在換熱過程中間增加了一臺(tái)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(jìn)行再吸收，減少兩相流的出現(xiàn)，有利于泵的選型及管道系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，從而保障了熱再生系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

改進(jìn)后優(yōu)點(diǎn)：通過對(duì)進(jìn)出H2S 濃縮塔氣相和液相的換熱情況對(duì)比，在滿足工藝要求的情況下優(yōu)化了該系統(tǒng)的換熱系統(tǒng)配置，減少了換熱器配置數(shù)量的同時(shí)達(dá)到換熱要求，同時(shí)增加了甲醇溶液的中壓閃蒸槽，使?jié)饪s液體中溶解的氣體析出能返回到H2S 濃縮塔底部進(jìn)行再吸收，使系統(tǒng)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(chǎn)生管道振動(dòng)的情況，從源頭對(duì)兩相流管道振動(dòng)的情況進(jìn)行改進(jìn)，保證裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.4 全裝置公用工程消耗對(duì)比

表2 公用工程消耗對(duì)比表

3 方案比較總結(jié)

B 項(xiàng)目冷量消耗比A 項(xiàng)目減少30%。主要體現(xiàn)在下面兩個(gè)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(tǒng)的冷量。在貧液冷卻部分，采用循環(huán)水來對(duì)貧液的高溫段進(jìn)行降溫，從而降低了系統(tǒng)冷量的消耗。

2）采用的氮?dú)鈿馓岱绞皆龃罅说獨(dú)獾南模瑴p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(duì)系統(tǒng)進(jìn)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(gè)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(jìn)為再生甲醇洗滌，增加了甲醇溶液再生系統(tǒng)液體總量。低壓蒸汽用量有所增加，但沒有提高整體運(yùn)行費(fèi)用。

在設(shè)備選型和換熱系統(tǒng)配置方面，方案一和方案二均在煤氣冷卻系統(tǒng)選用了繞管式換熱器，而兩個(gè)方案纏繞式換熱器的方案換熱網(wǎng)絡(luò)不同。由于利用了纏繞式換熱器特點(diǎn)，所以精簡(jiǎn)了煤氣冷卻系統(tǒng)換熱器布置方案，實(shí)現(xiàn)布置簡(jiǎn)潔，配管方便。雖然設(shè)備投資會(huì)因此增加，但是在原料氣比較潔凈的工程中比較實(shí)用。

方案二中對(duì)原設(shè)計(jì)中設(shè)備和換熱器規(guī)格進(jìn)行了改進(jìn)，減少了2臺(tái)氨冷器、1臺(tái)分離器、3臺(tái)換熱器及1臺(tái)泵，不僅是對(duì)塔進(jìn)行了重新計(jì)算，改變塔內(nèi)結(jié)構(gòu)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(tǒng)的改造為設(shè)備運(yùn)輸制造提供有利條件，也使萃取有更好的效果，石腦油質(zhì)量提高。

通過改進(jìn)，B 項(xiàng)目低溫甲醇洗的工藝流程更加合理，換熱系統(tǒng)配置更加完善，總體上優(yōu)于A 項(xiàng)目。

4 結(jié)束語

通過對(duì)于低溫甲醇洗工藝的優(yōu)化和改進(jìn)，以及兩種方案的對(duì)比，優(yōu)化系統(tǒng)方案的換熱裝置，利用余熱答到后期加熱的目的，通過改進(jìn)使B 項(xiàng)目低溫甲醇洗的工藝流程更加合理，換熱系統(tǒng)配置更加完善，總體上優(yōu)于A 項(xiàng)目。胡在萃取過程中使用B 項(xiàng)目，能夠讓整個(gè)方案有更好的效果，提高石油質(zhì)量。