對NHD脫碳工藝的優化和創新

劉 佳，王素珍，郝啟剛

(1.上海電氣國控環球工程有限公司，山西 太原 030000；2.準格爾旗市場監督管理局，內蒙古 鄂爾多斯 010399)

在山西晉豐煤化工有限公司(以下簡稱晉豐公司)“36·52”項目一期工程生產18萬t/a總氨、26萬t/a尿素工程設計中，采用NHD工藝脫除CO2氣體。NHD(多聚乙二醇二甲醚混合物)具有沸點高、冰點低、蒸氣壓低、揮發損失小的特點，對酸性氣體吸收能力高、熱化學穩定性好、不起泡、降解低、無副反應，對碳鋼設備無腐蝕、對人體生物環境無毒。其工藝投資少，溶液吸收能力大，故溶液循環量小，低壓下能保證凈化氣中CO2含量≤0.2%，能耗低，是一種很好的脫除CO2的工藝方法，在該項目中得到應用。

該工藝為國內自主開發，與國外selexol工藝相近，經開車運行后發現仍有工藝和設備需進行優化和創新，使該工藝更趨于合理和先進。

1 工藝流程

該工藝壓力為1.9MPa、溫度為40℃的變換氣經流體換熱器換熱，變換氣降至10℃后進入脫碳塔，與NHD溶液在0～-5℃逆流接觸吸收變換氣中的CO2，凈化氣中CO2≤0.2%，回收冷量后送下工序；液體經兩級閃蒸降壓后，經富液泵泵送至氣提塔與風機加壓的空氣逆流接觸，使NHD溶液達到再生，循環使用。NHD脫碳工藝見圖1。

圖1 NHD脫碳工藝注：1-流體換熱器；2-脫碳塔；3-高壓閃蒸槽；4-高閃分離器 5-低壓閃蒸槽；6-低閃分離器；7-富液泵；8-氣提塔；9-貧液泵；10-氨冷器；11-空氣鼓風機；12-換熱器；13-解析分離器；14-空氣分離器。

2 工藝創新

2.1 增設能量回收透平工藝

吸收CO2后的NHD富液從1.9MPa降壓至0.6MPa，進入高壓閃蒸槽，降壓過程中的壓力沒有得到合理的利用，在減壓中需經調節閥阻力達到減壓的目的，調節閥流通截面積小，易造成調節閥芯沖刷腐蝕、振動和壓力較難控制等問題。

一般情況下，規模較小的裝置都不回收此項壓力能，原因是回收能量小，設備葉輪直徑小，制造較困難。晉豐公司項目是國內第一套大型化采用國內NHD脫碳工藝的項目，NHD溶液循環量為900m3/h，壓力為1.9MPa，溫度為0℃，溶液循環量較大，壓差為1.3MPa，這些工藝條件在脫碳泵上增設渦輪機是可以實現的。

由電機驅動的脫碳泵來輸送NHD溶液，電機功率560kW，將渦輪機通過離合器安裝在驅動電機軸的另一側，液體高速進入渦輪機旋轉，當轉速與電機轉速相同時，離合器自動合上與電機運轉，這樣減小了電機功率，達到了節能降耗的目的。

2.2 取消富液泵、增設綜合塔

吸收工藝是加壓吸收、減壓再生，在過程中根據不同的物性在液體中溶解度不同和工藝需要不同的閃蒸，部分分離出不同的氣體。NHD脫碳工藝采用兩級閃蒸，即高壓閃蒸和低壓閃蒸，高壓閃蒸槽操作壓力為0.6MPa，閃蒸氣體主要為H2、N2、CO2等氣體，進入變壓吸附得以回收H2返回系統；低壓閃蒸槽操作壓力為10kPa，閃蒸氣體為≥96%的CO2氣體，用于尿素生產的原料氣；最后經NHD富液泵送至氣提塔，空氣氣提再生后NHD循環使用。此工藝中設有富液泵Q=450m3/h、Δh=70m、電機功率為150kW，兩開一備。取消該富液泵可減少2×150kW的用電量。

高壓閃蒸槽操作壓力為0.6MPa，低壓閃蒸槽操作壓力為0.01MPa，氣提塔高度為50m，根據上述壓力，三者中有一定的壓差，有壓差可以實現設備間的位差。NHD液體密度約1.022，基本和水相當，從0.6MPa的高壓閃蒸槽可直接送至高位的低壓閃蒸槽，提高高壓閃蒸槽+25m處，低壓閃蒸槽放在氣體塔上，液體入口高度為+60m，兩者位差約為35m，而高閃槽和低閃槽的壓差余量為0.6MPa-0.01MPa-(35×1.022/10×0.101)=0.228MPa，在可保證各種操作工況下，NHD富液提升至高位的低壓閃蒸槽，同時從安全生產角度考慮，高閃液體出口調節閥在停電、事故停車和儀表空氣斷氣情況下，調節閥執行機構選用氣開型，遇到上述情況調節閥可關閉。

上述工藝的實現需改變高壓閃蒸槽和低壓閃蒸槽的結構型式，一直沿用的臥式閃蒸槽，槽內無任何增大閃蒸面積的措施，僅為液體表面閃蒸氣體；改為立式結構后，內部裝填3m的海爾環填料，增大了閃蒸比表面積，使閃蒸更為徹底，降低了溶液的殘碳量，提高了脫碳塔凈化氣中CO2氣體的凈化度。

綜合考慮各種因素，實施中設計了兩個綜合塔。1#綜合塔為高壓閃蒸槽、解析氣分離器、空氣分離器、高閃氣分離器“四合一”設備；2#綜合塔為低壓閃蒸槽、氣體塔“二合一”設備。創新后NHD脫碳工藝見圖2。

圖2 創新后NHD脫碳工藝注：1-高壓閃蒸槽；2-高閃分離器；3-低壓閃蒸槽；4-低閃分離器；5-汽提塔；6-貧液泵；7-空氣引風機；8-換熱器；9-調節閥；10-解析分離器；11-空氣分離器；12-水封。

2.3 氣體鼓風改為氣體引風

NHD脫碳是一個低溫操作工藝，任何外界輸入原料氣、空氣等物質直接影響制冷系統的耗能，原工藝中氣體風機采用鼓風工藝，由于受空氣環境溫度、壓縮空氣的壓縮熱影響，雖經換熱，溫度仍然較高，帶入系統的水含量較多，降低了溶液的吸收能力，使凈化氣中CO2指標難以控制。同時正壓解析也使氣提塔中CO2分壓提高，不利于解析，造成NHD溶液中殘碳量提高。

從上述分析中，提出將鼓風改為引風，降低CO2分壓，減少進入系統的水含量，變氣提塔為負壓再生，同時減少了引風機的風量約1/3，從而保證各項工藝指標的實現。

氣提鼓風改為氣體引風，系統中都是負壓操作，需解決空氣溫度降低帶來凝液的排放、克服大氣腿才能連續排放，為此需提高分離器的布置，于前面方案一并考慮解決排凝液工藝。

3 設備優化

3.1 三流體換熱器

一直沿用板式換熱器作為變換氣與凈化氣、CO2氣的換熱，由于1.9MPa的變換氣與1kPa的CO2氣體換熱，兩者壓差較大，而板式換熱器板厚僅為0.4mm，承壓能力較差，國內許多企業發生爆炸，引發安全事故和生產停車。同時板式換熱器效率較高，但氣體流通截面積較小，系統阻力較大。

系統阻力和板式換熱器爆炸是影響生產的原因，阻力大應增加流體截面積，防爆應提高設備的承壓能力，板式已不適合這種工況。為此，選擇其他換熱器——波紋管換熱器，同時增大換熱管間距和折流板間距，通過提高流通截面積來解決。

3.2 氨冷器型式

沿用的立式氨冷器，其主要問題是氨走管程，液氨蒸發顯熱沒有很好利用，NHD溶液走殼程，NHD溶液循環量大，造成入口換熱管沖刷腐蝕。

實際中，采用了臥式氨冷器，交換兩種換熱介質的走向，問題得以解決，也回收了氨蒸發的顯熱，效果更好(見圖3)。

圖3 優化后氨冷器型式

3.3 脫水加熱器

脫水加熱器采用內置式浸沒加熱，效率低，加熱蒸汽損耗大。實施中將浸沒式加熱器改為外置強制循環加熱，效果很好。

4 項目節能

4.1 節電

(1)取消富液泵，鼓風機引為引風機，可節電。

富液泵：2×150×85%=255kW·h/h

(2)引風機減少風量，由原風機450kW減為380kW。

每小時節電量：450-380=70kW·h

(3)能量回收機節電：功率因數取85%，能量回收機效率取80%。

(4)噸氨節電：按小時25t氨計算：

(255+70+377)/25=28.08kW·h/t

4.2 鼓風改引風、氨冷立式改臥式

NHD噸氨耗冷41.8萬kJ/t，全系統升溫4℃，通過兩項措施，循環系統溫度降至3.4℃，降低0.6℃。

噸氨節能：41.8/4×(4-3.4)=6.27萬kJ/t

優化和創新設計技術在NHD脫碳工藝中的應用為國內首次，通過晉豐公司的實際運行，得到了很好的驗證。裝置一次開車成功，無安全事故發生，降低了NHD脫碳的消耗，是一次成功的創新設計。隨著技術的發展，NHD還應在變換氣預冷、降低氨冷氣入口溫度等方面去創新。