荒煤气净化环节中低温甲醇洗工艺制冷方式的选择

2021-03-15李繁荣

化工设计通讯 2021年2期

刘畅，李繁荣，詹信，安帅

（中国五环工程有限公司，湖北武汉 430223）

低温甲醇洗工艺（Rectisol）采用低温甲醇作为溶剂脱除酸性气体，对CO2、H2S和COS的吸收有很高的选择性，对H2、CO等组分溶解极少。低温甲醇洗工艺广泛应用在国内外合成氨、气体净化等装置。当前普遍采用丙烯制冷或氨制冷工艺，提供低温甲醇洗所需冷量。荒煤气综合利用项目中，原料气中CO2分压较低，甲醇循环量和气提氮气量较大，设备尺寸和能耗受制冷温位影响，需要系统权衡制冷温度和制冷介质。

1 低温甲醇洗工艺过程与冷量平衡

低温甲醇洗工艺中，含CO2的富甲醇降压闪蒸气提再生时，CO2解吸的制冷效应使得系统达到该工艺的最低温度。该低温冷量被回收用于冷却甲醇吸收剂。低温甲醇温度越低，CO2吸收率越高，就有利于获得更低的系统温度。系统的最低温度受原料气CO2浓度、甲醇循环量、解析初始温度等因素影响，需要统筹考虑。

液态丙烯或者液氨制冷剂通过蒸发变成-40℃左右低温气体，所提供冷量主要用于平衡酸性气吸收阶段放出的热量。通常在吸收阶段，用内部流股或者制冷剂蒸发制冷带走吸收酸性气产生的溶解热。

焦炉煤气是指用几种烟煤配制成炼焦用煤，在炼焦炉中经过高温干馏后，在产出焦炭和焦油产品的同时所产生的一种可燃性气体。由于可燃成分多，属于高热值煤气或荒煤气。长期以来，荒煤气多用于燃烧发电或直接燃烧放空，其资源的有效利用一直是行业难题。荒煤气中含H2和CO含量较高，分离提取后可用于合成氨、乙二醇等项目。荒煤气的净化工艺要考虑煤气特点，最大程度节省投资、降低能耗，选取合适的净化工艺。

本文以某荒煤气能源综合利用制乙二醇/合成氨为例，探讨荒煤气净化环节中低温甲醇洗工艺制冷方式的选择。

2 工艺流程模拟

荒煤气是混合物，其产率和组成因炼焦用煤质和焦化过程条件不同而有所差异，本项目荒煤气经转化和CO变换后组成，如表1所示，变换气气量为221 612m3/h，压力2.25MPa（G）；未变换气气量为210 302m3/h，压力2.35MPa（G）。

表1 原料气组成

由表1可知，变换气和未变换气中CO2含量较低，总硫含量也较低。因此净化工艺要求吸收能力强，溶剂循环量小，并且对硫有较高的选择性和脱除率。先不考虑换热网络，利用Aspen plus软件，热力学方程选用PC-SAFT，吸收塔基于rate-based计算，建立装置的全流程稳态模型，研究洗涤塔吸收酸性气过程中溶解热及冷源匹配问题。如图1所示。

图1 工艺流程模拟

当设计工况的模拟结果与设计值接近时，可认为模型可用。本文重点对吸收塔的模拟值与设计值进行对比。

表2 变换气洗涤塔模拟值与设计值的对比

从表2的对比结果可以看到，各组分的摩尔分数基本吻合，温度也较为吻合。因此认为该流程模拟可以较为准确的描述工艺，可用于工艺优化研究。

通过Aspen模拟计算，变换气洗涤塔（从上往下依次为A～D）A和B段间富甲醇温度为-40～-41℃，考虑生产运行波动，变换气洗涤塔A和B段间富甲醇冷却用冷源温位建议在-42～-45℃，移走酸性气吸收阶段放出的热量。

3 制冷方式和温位优化

低温甲醇洗的冷量平衡涉及自冷效应、换热网络和功热交换。需要结合工艺过程、换热网络和公用工程进行系统优化。

夹点技术是目前应用较为广泛的热集成技术，将热力学和系统工程相结合，对过程系统的能量进行优化配置，提高系统的能量利用率。利用夹点技术设计换热网络时应遵循3个基本原则：①不应有跨越夹点的换热；②夹点之上不应设置任何公用工程冷却器；③夹点之下不应设置任何公用工程加热器。

提取低温甲醇洗装置冷热物流数据，利用Aspen Energy Analyzer软件建立换热网络模型。由图2公用工程复合曲线图可知，最小加热公用工程为5 861kW，最小冷却公用工程为6 932kW。低温甲醇洗的冷却公用工程有循环冷却水和制冷剂。制冷剂冷源温位越低，传热推动力越大，有利于降低装置投资，但是越低品味冷源需要消耗更多的压缩轴功，需要系统优化。如表3所示。

图2 公用工程复合曲线图

表3 低温甲醇洗工序冷热物流数据

续表

常用制冷剂主要有丙烯和液氨，其中丙烯的常压沸点是-47.4℃，气化潜热是815kJ/kg，液氨的常压沸点是-33.4℃，气化潜热是1263kJ/kg。丙烯制冷和氨制冷的工艺原理和工艺流程基本相同，只是物性有所差别。在满足变换气和未变换气洗涤效果前提下，对比液氨和丙烯不同制冷温度对应的冷冻站和低温甲醇洗公用工程消耗，如表4所示。

表4 不同冷源温位下公用工程消耗对比

-42℃液氨制冷冷源方案下公用工程消耗较高，而且如果氨蒸发温度不能保证，运行效果就不好保证，操作上也有风险。采用-45℃丙烯制冷冷源方案，公用工程消耗较低，丙烯压缩机实现起来较为容易，业绩较多，操作风险低。另外项目现场无氨和丙烯制冷剂，上述制冷剂均需外购。综合投资和公用工程消耗，采用-45℃丙烯制冷，满足工艺冷源需求。