摘要：在原有低温甲醇洗工艺流程成功模拟的基础上，针对原流程中所存在的能量损耗较大的问题，提出相应的优化设计措施，并对优化后的新流程利用PＲOII软件重新进行模拟计算。通过与原流程关键流股参数及系统能耗数值的对比分析，阐明优化后工艺流程模拟计算的数据可靠性和相应的节能效果。
关键词：低温甲醇洗优化模拟冷量
在低温甲醇洗工艺中，除自身冷量需要回收外，还需外界补充－40℃的冷量。甲醇吸收CO2等酸性气体是放热过程，酸性气体从甲醇中解析是吸收过程。因此，为了降低装置能耗，最大化地回收冷量，低温甲醇洗流程的工艺优化至关重要。
一、低温甲醇洗原流程的能耗分析
低温甲醇洗原工艺流程见《低温甲醇洗工艺过程流程模拟》。整个系统冷量的来源主要有几个方面:①水冷器:克劳斯气冷却器、循环甲醇冷却器及压缩机水冷器等，都是以循环水为介质降低酸性气体、循环甲醇的温度及动设备运行带来的热量;②深冷器:丙烯深冷器是通过液态丙烯蒸发制冷，来降低酸性气吸收的放热量，是低温甲醇洗冷量最重要的来源;③含硫/无硫甲醇降压闪蒸:甲醇经过洗涤原料气中的杂质后，进H2S浓缩塔和热再生塔再生利用。降压闪蒸会将甲醇中的冷量释放，而当闪蒸效果变差，再生时系统温度就会升高。因此降压闪蒸过程所释放冷量是低温甲醇洗冷量的另一个主要来源。
分析原低温甲醇洗工艺流程，发现流程中多处物流降温操作采取的是深冷器降温，深冷器降温的工作原理是利用外部冷源(丙烯)对系统中的流股进行降温，需要不断地输入－40℃的低温丙烯，才能使系统温度保持低温。而与此同时，有部分低温产品气或者液相产品没有参与到换热过程中，而是回流到吸收塔中从而大幅降低了换热效率，造成较大的冷量耗损。
通过流程分析，原低温甲醇洗流程中存在的
主要问题:①甲醇主洗塔下段抽出的无硫甲醇经换热和贫甲醇深冷器降温至－36℃后再减压至1200kPa(A)后在循环气闪蒸罐I中进行气液分离，分离气体后的半贫液甲醇再减压至205kPa(A)，温度进一步降低至－59.8℃进入H2S浓缩塔顶部减压罐。但这股低温的半贫液甲醇(不含H2S)可以直接重新参与到甲醇主洗塔的传热传质，从而达到冷量的优化利用的目的;②进入循环气压缩机前的循环气闪蒸罐II中闪蒸的气体量较大，气体中含有一定量的有效气H2和CO，但绝大部分为CO2，摩尔分率为65.3mol%。如果能够采取其它方法降低进循环压缩机气体中的CO2含量，可极大地降低循环压缩的功耗;③循环气压缩机进口的气体温度较低，为－33.96℃，可在冷区找到合适的流股回收这部分冷量。
总之，原流程由于冷流股的利用率较低，过多使用深冷器中－40℃丙烯对系统进行降温，是系统能耗较大的主要原因之一，所以在流程优化中最大程度的回收低温区的冷量是解决原流程能耗较大的一个重要方法。
二、低温甲醇洗流程模拟优化
优化后的低温甲醇洗流程见图1。
图1优化后的低温甲醇洗工艺流程
为改善原低温甲醇洗装置冷量消耗较大的问题，保证工艺气指标正常的同时，优化工艺流程以降低系统冷量，通过对原流程冷量消耗来源的分析，找出了该流程中存在的主要问题，提出了如下的优化原流程的措施:
(1)降低无硫甲醇闪蒸压力，循环气闪蒸罐I的压力由原来的1200kPa(A)降压至900kPa(A)闪蒸。并在循环气闪蒸罐II后增加循环气洗涤塔，从H2S浓缩塔底抽出一股甲醇溶液去洗涤闪蒸后的循环气，使气体中的大量CO2重新溶解于甲醇中，可有效降低循环气气体量，并增加H2和CO的回收率。
(2)在H2S浓缩塔顶增加一个减压罐，在循环气闪蒸罐I中闪蒸后的无硫甲醇液体减压至190kPa(A)后去减压罐，其中一部分减压后的无硫甲醇(半贫甲醇)通过减压罐底泵返回甲醇主洗塔上部，另一部分去H2S浓缩塔顶部，在保证净化气中CO2不超标的前提下，可明显减少原流程中的贫甲醇循环量，达到降低冷量和减少高温区热再生系统负荷的双重效果。
(3)增加一个汽提N2与循环气压缩机进口循环气的换热器。原流程中循环气压缩机入口的气体温度较低可与进N2汽提塔底部的较高温度的N2换热，可回收部分冷量。
三、优化前后能耗对比
1、关键物流数据
选择600kt/a煤制甲醇装置对应的低温甲醇洗高硫工况进行分析，制冷介质为液氨，年操作时间为8000h。利用PＲO/II软件对优化后的低温甲醇洗流程进行模拟计算，得到的主要流股的物流数据见表1。
由表1可见，优化的低温甲醇洗工艺仍能满足净化气的工艺指标、克劳斯气体的生产要求和尾气排放的标准。经优化后的工艺可直接从无硫中压甲醇富液中分离得到摩尔分率大于99mol%的高纯度CO2产品。该产品可再经过提纯、压缩液化得到的液态二氧化碳产品做为油田驱油剂，可降低CO2排放量，有利于保护环境。
由于无硫甲醇在更低压力下闪蒸，并通过富甲醇对循环气的洗涤，可回收循环气中更多的有效气(H2+CO)，提高整个系统有效气的回收率，由表1可知，优化后的有效气回收率较原流程提高了0.1%。
此外，优化前克劳斯气体中H2S含量为67.34mol%，优化后H2S含量可提高至73.74mol%，克劳斯气体中较高的H2S含量有利于下游硫回收装置的平稳运行，提高其硫回收率，降低操作成本等优点。
表1优化后主要流股数据
由表2可知，优化后的低温甲醇洗流程中进入主洗塔CO2吸收段的贫甲醇流量小于优化前的流程，用一股更低温度的半贫甲醇作为CO2吸收段的吸收溶剂，增强了主洗塔对CO2的吸收效果，优化后的流程中贫甲醇循环量较原流程降低了22.5%。
2）电耗对比
优化前后的低温甲醇洗流程中主要耗电设备的电量消耗对比见表3。电耗主要用于甲醇循环输送和循环气压缩。从表3中可以看到，原低温甲醇洗工艺的电量为1908kW，但经过优化后的工艺流程电耗增大至2201kW，增加了293kW。这是由于所有吸收酸性气的富甲醇都需经闪蒸回收有效气，优化后的工艺流程中富甲醇的循环量大，并且闪蒸压力更低，导致闪蒸出的循环气量也大，因此，循环气压缩机的电耗也相应增加。此外，优化后的工艺流程中贫甲醇泵、富甲醇泵I、富甲醇泵II和富甲醇泵IV的耗电量小于原流程，但由于多了1股半贫甲醇作为主洗塔脱碳段的吸收溶剂，多了1组半贫甲醇泵，且该泵与贫甲醇泵类似，所以泵的总电量消耗稍大于原工艺流程。
表3优化前后电量对比
由表4可知，优化后的流程中低压蒸汽消耗量较原流程降低了13.3%。由于低压蒸汽的消耗量主要取决于进入甲醇热再生系统的甲醇量，优化后的流程较原流程由于贫甲醇循环量小，故其甲醇热再生系统所需的低压蒸汽量也相应较少。
结束语
循环甲醇温度高低对H2S吸收效果影响重大，运行中造成循环甲醇温度升高的原因有多种。本文通过对某低温甲醇洗装置H2S超标时工况进行分析总结出循环甲醇温度升高的主要原因并采取相应措施，避免了因循环甲醇温度升高造成净化气H2S超标的情况。
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论文作者:姜山
论文发表刊物:《防护工程》2017年第15期
论文发表时间:2017/10/24
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