無(wú)油螺桿壓縮機(jī)在煤制乙二醇低壓排放氣回收的研究與應(yīng)用

馬文靜，徐延學(xué)，周 權(quán)，崔周波

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 21100)

無(wú)油螺桿壓縮機(jī)同時(shí)擁有速度式與容積式壓縮機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，具備氣流脈動(dòng)小、運(yùn)行可靠、耐臟、適應(yīng)性強(qiáng)、易損件少和維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。無(wú)油螺桿壓縮機(jī)分為噴液式和干式，噴液式無(wú)油螺桿壓縮機(jī)最大的特點(diǎn)是可通過(guò)噴液控制排氣溫度，被廣泛應(yīng)用于化工、煤礦、動(dòng)力、冶金、環(huán)保、機(jī)械等行業(yè)【1】。本文主要針對(duì)無(wú)油螺桿壓縮機(jī)在煤制乙二醇排放氣回收中的應(yīng)用進(jìn)行研究，提出并解決其關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

1 煤制乙二醇排放氣壓縮機(jī)的工藝

我國(guó)乙二醇工業(yè)發(fā)展呈迅速上升趨勢(shì)，產(chǎn)能由2009年的270萬(wàn)t增長(zhǎng)到2019年的1 307萬(wàn)t?；谖覈?guó)“油少煤多”的能源國(guó)情，近年來(lái)，草酸酯法煤制乙二醇工藝生產(chǎn)技術(shù)在國(guó)內(nèi)得到了迅速發(fā)展【2】。

1.1 草酸酯法制乙二醇工藝特點(diǎn)

在煤制乙二醇方法里面，草酸二甲酯法技術(shù)較為成熟且具備工業(yè)應(yīng)用的條件。圖1是草酸二甲酯法煤制乙二醇的流程。由圖1可見(jiàn)，在酯化工段中，亞硝酸甲酯(MN)由NO、O2和甲醇合成；MN進(jìn)入羰化工段，與CO反應(yīng)生成草酸二甲酯(DMO)和碳酸二甲酯(DMC)；DMO進(jìn)入下游工段加氫制得乙二醇(EG)【3】。DMC是具有高附加值的副產(chǎn)物， 經(jīng)過(guò)初步分離后仍存在于一股低壓排放氣中， 需要將其升壓后送入吸收塔， 用甲醇溶劑來(lái)吸收其中的DMC。

1.2 排放氣工況特點(diǎn)

國(guó)內(nèi)某工廠乙二醇裝置的低壓排放氣主要由MN、甲醇和DMC組成，其具體成分如表1所示。擬采用噴液式無(wú)油螺桿壓縮機(jī)對(duì)其進(jìn)行壓縮升壓，入口狀態(tài)為0.002 MPa(表)/45 ℃，當(dāng)?shù)卮髿鈮杭s為0.086 MPa(絕)。入口狀態(tài)下， 絕熱指數(shù)為1.19， 分子量為51.4。為滿足下游吸收塔的工藝要求， 規(guī)定排氣壓力為0.25 MPa(表)。根據(jù)SRK狀態(tài)方程【4】， 排放氣的露點(diǎn)溫度與壓力關(guān)系如圖2所示， 在出口壓力下， 氣露點(diǎn)溫度為80 ℃。

表1 乙二醇不凝氣組成

圖2 低壓排放氣露點(diǎn)溫度與壓力的關(guān)系

值得注意的是，組分中含有65.7%的亞硝酸甲酯(MN)，而MN在常溫常壓下易燃易爆、有毒、有害，其爆炸極限為4.7%～100%；同時(shí)，MN受熱時(shí)極易分解，根據(jù)文獻(xiàn)【5-6】，MN在140 ℃開(kāi)始分解放熱， 其熱分解是有高度危險(xiǎn)性的強(qiáng)發(fā)熱反應(yīng)， 一般至少需將其溫度控制在110 ℃以下。 若采用單級(jí)干式壓縮， 在0.25 MPa(表)的排氣壓力下溫度將達(dá)到137 ℃， 故采用單級(jí)噴液式壓縮。

1.3 壓縮機(jī)流程

由于排放氣排氣壓力下露點(diǎn)溫度為80 ℃，溫度過(guò)低時(shí)排放氣將產(chǎn)生大量凝液并作為廢液處理，因此，為保證回收率，適合采用“先分后冷”的流程。圖3是乙二醇排放氣壓縮機(jī)流程。

由圖3可見(jiàn)，從上游來(lái)的排放氣進(jìn)入壓縮機(jī)，壓縮至0.025 MPa(表)后進(jìn)入氣液分離器，升壓后的排放氣一部分作為循環(huán)氣，冷卻后回到壓縮機(jī)入口，其余部分進(jìn)入下游裝置。氣液分離器底部凝液經(jīng)冷卻器冷卻后作為循環(huán)噴液返回壓縮機(jī)入口，當(dāng)分離器內(nèi)凝液過(guò)高時(shí)，需將部分凝液排出。補(bǔ)液口除了開(kāi)車(chē)時(shí)補(bǔ)液用，正常運(yùn)行時(shí)也由此噴液補(bǔ)液。

圖3 低壓排放氣壓縮機(jī)流程

2 煤制乙二醇排放氣壓縮機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 無(wú)油螺桿壓縮機(jī)的選型

根據(jù)該排放氣設(shè)計(jì)要求，無(wú)油螺桿壓縮機(jī)選型參數(shù)如表2所示。排放氣實(shí)際狀態(tài)氣量為19 m3/min，選用轉(zhuǎn)子直徑為255 mm的機(jī)型。由于排放氣中含有MN等有毒有害物質(zhì)，不允許泄漏到空氣中，故采用迷宮密封+雙端面機(jī)械密封的組合形式，并設(shè)置壓縮機(jī)出入口導(dǎo)壓平衡腔。由于該機(jī)型轉(zhuǎn)子軸端直徑較小(50～65 mm)，故采用滾動(dòng)軸承。

表2 壓縮機(jī)參數(shù)

2.2 噴液介質(zhì)的選擇

用于工藝氣升壓的無(wú)油噴液螺桿壓縮機(jī)的噴液介質(zhì)，一般選用工藝氣所含組分液體或?qū)罄m(xù)工藝無(wú)影響的其他液體。排放氣若引入其他介質(zhì)，會(huì)增大下游分離難度，因此噴液介質(zhì)最好選擇排放氣所含可凝組分的液體——MN、DMC或甲醇。其中，MN具有較大的毒性，應(yīng)盡量避免使用。DMC無(wú)毒且揮發(fā)性較低，但是其汽化潛熱和比熱容均較低，會(huì)導(dǎo)致噴液用量大、下游分離負(fù)荷大的問(wèn)題。而甲醇價(jià)格便宜易得，汽化潛熱與比熱容均較高，且為下游吸收塔的吸收溶劑，故采用甲醇作為噴液介質(zhì)為佳。

2.3 補(bǔ)液量、循環(huán)噴液量與排氣溫度的關(guān)系

根據(jù)螺桿壓縮機(jī)的熱力性質(zhì)計(jì)算原理【7】，結(jié)合化工過(guò)程模擬軟件進(jìn)行核算分析，將質(zhì)量流量為1 964 kg/h、入口狀態(tài)為0.002 MPa(表)/45 ℃的排放氣壓縮至0.25 MPa(表)，在保證分離器排液量降至最低的情況下，壓縮機(jī)排氣溫度與噴液量的關(guān)系如圖4所示。

圖4 壓縮機(jī)排氣溫度與循環(huán)噴液量及甲醇補(bǔ)液量的關(guān)系

由圖4可以發(fā)現(xiàn)，在第一溫度區(qū)間(溫度≥80 ℃)，噴液完全由甲醇補(bǔ)液提供，且排放氣溫度每降低1 ℃，第一區(qū)間噴液量只需增加約 2 kg/h。此溫度區(qū)間內(nèi)，分離罐內(nèi)無(wú)法建立循環(huán)液位，要將溫度降低，需從外界補(bǔ)充更多甲醇液體，排氣溫度的降低完全依靠補(bǔ)液甲醇的氣化潛熱。在第二溫度區(qū)間(溫度在78～80 ℃之間)，排氣溫度的降低導(dǎo)致凝液產(chǎn)生，分離罐內(nèi)開(kāi)始建立循環(huán)液位。此區(qū)間內(nèi)排氣溫度的進(jìn)一步降低需依靠噴液的顯熱，循環(huán)噴液量不斷增大，甲醇補(bǔ)液量則持續(xù)降低。在第三溫度區(qū)間(溫度≤78 ℃)，外界補(bǔ)液量為0，排放氣溫度每降低1 ℃，循環(huán)噴液需增加450 kg/h，若要求溫度進(jìn)一步降低，則需要加大循環(huán)噴液量。

2.4 補(bǔ)液量與排液量的研究

補(bǔ)液量和排液量分別代表著輸入和排出系統(tǒng)的液相數(shù)量，控制補(bǔ)液量與排液量對(duì)壓縮運(yùn)行中的物耗成本和操作費(fèi)用有著極大的影響，且二者與排放氣的排氣溫度息息相關(guān)。圖5為將質(zhì)量流量為1 964 kg/h、入口狀態(tài)為0.002 MPa(表)/45 ℃的排放氣壓縮至0.25 MPa(表)、且噴液溫度為40 ℃的情況下，壓縮機(jī)排氣溫度與補(bǔ)液量及排液量的關(guān)系。

圖5 壓縮機(jī)排氣溫度與排液量及甲醇補(bǔ)液量的關(guān)系

由圖4和圖5可知，隨溫度的降低，補(bǔ)液量呈先增加后降低至0的趨勢(shì)，在第一溫度區(qū)間末為最大，在第二溫度區(qū)間末為0。排液量在前2個(gè)溫度區(qū)間一直為0，從第三溫度區(qū)間開(kāi)始呈增加趨勢(shì)。因?yàn)殡S著壓縮機(jī)內(nèi)噴液量的增加，排放氣的排氣溫度持續(xù)下降，壓縮腔內(nèi)氣析出凝液的量也不斷增加，當(dāng)系統(tǒng)中氣相傳入液相的量大于液相傳入氣相的量時(shí)，多余的液相必須經(jīng)分離器底部向外界排出。

2.5 排氣溫度與軸功率的關(guān)系

一般來(lái)說(shuō)，決定螺桿壓縮機(jī)軸功率的因素主要有機(jī)型效率、工藝氣的分子量及絕熱指數(shù)、壓縮比、氣體處理量、噴液量等等。對(duì)于噴液式無(wú)油螺桿壓縮機(jī)，排氣溫度與軸功率有重要關(guān)系。圖6 為將質(zhì)量流量為1 964 kg/h、入口狀態(tài)為0.002 MPa(表)/45 ℃的不排放氣壓縮至0.25 MPa(表)、且噴液溫度為40 ℃的情況下，壓縮機(jī)排氣溫度與軸功率的關(guān)系。

由圖6可知：壓縮機(jī)軸功率隨著排氣溫度的降低呈整體上升趨勢(shì)；在排氣溫度≥80 ℃的區(qū)間內(nèi)，軸功率隨排氣溫度的降低平穩(wěn)小幅升高，因?yàn)閲娙氲募状佳a(bǔ)液在壓縮機(jī)腔體入口處揮發(fā)成氣體，增加了壓縮機(jī)的實(shí)際處理氣量；在排氣溫度<80 ℃的區(qū)間內(nèi)，軸功率升高幅度較大,因?yàn)楫?dāng)排氣溫度<80 ℃時(shí)，開(kāi)始需要大量循環(huán)噴液進(jìn)入壓縮機(jī)腔體，壓縮機(jī)負(fù)荷的增加除了來(lái)自于實(shí)際處理氣量的增加外，還來(lái)自于腔體內(nèi)大量噴液的傳輸。

圖6 壓縮機(jī)排氣溫度與軸功率的關(guān)系

綜上所述，第二溫度區(qū)間內(nèi)的78 ℃ 為最優(yōu)操作溫度，在此溫度下，排液量和補(bǔ)液量均為0，且壓縮機(jī)的軸功率相對(duì)較小，因此現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)，將操作溫度控制在該溫度附近是最經(jīng)濟(jì)的。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析

國(guó)內(nèi)某工廠的草酸二甲酯法乙二醇裝置將無(wú)油噴液螺桿壓縮機(jī)應(yīng)用在排放氣回收中，目前，該壓縮機(jī)已實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定有效運(yùn)行。表3是壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)與設(shè)計(jì)值的比較。

表3 壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)與設(shè)計(jì)值的比較

由表3可見(jiàn)，實(shí)際運(yùn)行時(shí)，甲醇補(bǔ)液量為0，排液量為0.06 kg/h(每月排1次，每次排40 kg)。由此可以判斷， 壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程中， 排氣溫度61.5 ℃是實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下的最優(yōu)溫度。與設(shè)計(jì)條件相比，實(shí)際入口溫度降低了11.3 ℃，經(jīng)熱力學(xué)核算，該排放氣組分在0.25 MPa(表)和0.19 MPa(表)下的露點(diǎn)溫差約為6 ℃。而實(shí)際條件下運(yùn)行溫度(61.5 ℃)比設(shè)計(jì)條件下最優(yōu)操作溫度(78 ℃)低了16.5 ℃，可以判斷實(shí)際運(yùn)行的最優(yōu)操作溫度與研究相符。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，草酸二甲酯法制乙二醇技術(shù)在國(guó)內(nèi)得到快速發(fā)展，排放氣回收對(duì)于回收碳酸二甲酯和環(huán)保節(jié)能具有重要意義。本文對(duì)排放氣無(wú)油螺桿壓縮機(jī)的工藝流程進(jìn)行探究，完成了無(wú)油螺桿壓縮機(jī)的選型，確定了噴液介質(zhì)，對(duì)噴液量、甲醇補(bǔ)液量、排液量、軸功率與排氣溫度的關(guān)系進(jìn)行了研究和分析，得到設(shè)計(jì)條件下的最優(yōu)操作溫度。通過(guò)與實(shí)際運(yùn)行裝置數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了研究結(jié)論的可靠性，對(duì)設(shè)備選型及現(xiàn)場(chǎng)操作具有較好的指導(dǎo)意義。綜上所述，無(wú)油螺桿壓縮機(jī)在草酸二甲酯法煤制乙二醇排放氣回收中表現(xiàn)出良好的適用性，促進(jìn)了煤制乙二醇技術(shù)的發(fā)展，也拓寬了無(wú)油螺桿壓縮機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。