MDEA脫碳裝置優(yōu)化改造流程

馬文亮

(云南解化清潔能源開(kāi)發(fā)有限公司解化化工分公司，云南 開(kāi)遠(yuǎn) 661600)

合成氨生產(chǎn)過(guò)程中，當(dāng)需要脫除的二氧化碳的溫度較高時(shí)，為了更好地利用原料氣攜帶的熱量，根據(jù)原料氣組分及雜質(zhì)情況可采用熱法吸收工藝。常用的熱法吸收工藝有本菲爾熱鉀堿吸收和MDEA吸收[1]。

本菲爾熱鉀堿于20世紀(jì)50年代由美國(guó)碳聯(lián)公司開(kāi)發(fā)應(yīng)用，采用碳酸鉀水溶液加活化劑DEA作為吸收劑，在較高溫度下吸收是為了增加碳酸氫鉀的溶解度，并可用較濃的碳酸鉀溶液來(lái)提高吸收能力。脫碳系統(tǒng)采用苯菲爾催化熱鉀堿時(shí)，苯菲爾溶液對(duì)設(shè)備有強(qiáng)烈的腐蝕性[2]。 60年代發(fā)現(xiàn)，碳酸鉀溶液中添加某些活化劑，可以加速CO2的吸收速度。同時(shí)采用加入某些緩蝕劑(如V2O5)的方法來(lái)降低設(shè)備的腐蝕速率。該法在操作上的一個(gè)重要的問(wèn)題是溶液一旦起泡，吸收塔和再生塔阻力明顯增加，嚴(yán)重時(shí)則發(fā)生攔液、泛塔等事故。該工藝流程簡(jiǎn)單，但脫碳凈化度較低(一般凈化氣中CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.3%～0.5%)，溶液循環(huán)量大，溶液循環(huán)電耗高，再生熱耗高，溶液水汽共存區(qū)域容易產(chǎn)生結(jié)晶影響裝置長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行[3]。

MDEA脫碳工藝于20世紀(jì)70年代由德國(guó)巴斯夫開(kāi)發(fā)。80年代末，國(guó)內(nèi)以南化院為代表的相關(guān)研究單位消化吸收了國(guó)外技術(shù)，并開(kāi)發(fā)了添加不同活化劑的MDEA(醇胺)脫碳工藝。例如，MDEA+DEA、MDEA+DIPA或MDEA+復(fù)合型活化劑(DEA+DIPA)等。通過(guò)多年生產(chǎn)實(shí)踐表明，MDEA脫碳法凈化度高(0.1%以內(nèi))，熱能耗低，腐蝕性小，溶液穩(wěn)定，不降解，流程簡(jiǎn)單，氫氮?dú)馊芙鈸p失少，吸收壓力范圍廣[4]。

1 公司裝置現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

1.1 脫碳裝置現(xiàn)狀

云南解化清潔能源開(kāi)發(fā)有限公司解化化工分公司合成氨采用魯奇固定加壓氣化工藝，該氣化過(guò)程煤氣含有甲烷組分，通過(guò)液氮洗裝置和PSA裝置分離后產(chǎn)生富甲烷氣體。富甲烷氣通過(guò)甲烷轉(zhuǎn)化裝置轉(zhuǎn)化為一氧化碳、氫氣和二氧化碳，通過(guò)中變裝置和低變裝置將一氧化碳轉(zhuǎn)化成氫氣。因變換氣溫度高達(dá) 220 ℃，原設(shè)計(jì)為更好地利用變換氣攜帶熱量，采取熱法脫碳工藝。公司目前有3套并聯(lián)運(yùn)行的脫碳裝置，其中2套為本菲爾—熱鉀堿脫碳裝置(618和大塔裝置)，一套為MDEA脫碳裝置。各裝置處理能力見(jiàn)表1。

表1 公司三套熱法脫碳的處理能力

1.2 現(xiàn)有脫碳裝置存在的問(wèn)題

618、大塔脫碳裝置采用傳統(tǒng)本菲爾—熱鉀堿脫碳工藝，受技術(shù)限制脫碳效果較差，凈化氣中CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.3%～0.4%，增加了后續(xù)甲烷化的負(fù)荷及氨合成中惰性氣體的數(shù)量，影響后工序的運(yùn)行。

2 MDEA脫碳裝置流程優(yōu)化及Aspen模擬分析

2.1 裝置流程優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

MDEA脫碳裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)思路如下：

1)為充分利用變換氣的熱量，新增了1臺(tái)廢鍋、1臺(tái)汽提再生塔變換氣煮沸器，3臺(tái)變換氣冷卻器。

2)為充分利用半貧液的熱量，新增了1臺(tái)半貧富液換熱器(板式換熱器)。

3)為充分利用工藝介質(zhì)的低位熱，新增了7臺(tái)高效表面蒸發(fā)式空冷器(噴淋+空冷的方式)，用工藝?yán)淠簛?lái)噴淋冷卻。由于水汽蒸發(fā)，冷凝液得到提濃。

4)大幅降低半貧液的吸收溫度(由 104 ℃ 降低至 55 ℃)，提高了半貧液的吸收能力，從而降低了貧液的循環(huán)量，使再生所需熱量大幅降低，用變換氣所含熱量就足夠。

2.2 裝置優(yōu)化流程配置

流程配置見(jiàn)圖1。低變后的變換氣匯集后，進(jìn)入新增廢鍋管程。取消原激冷水淬冷降溫方法，廢鍋副產(chǎn) 0.6 MPa 低壓蒸汽。將變換氣溫度由 223 ℃ 預(yù)計(jì)降至 165 ℃。變換氣出廢鍋后分為2股，分別為汽提塔再沸器和常壓解析塔再沸器提供熱源后溫度降低至 115 ℃，之后與出吸收塔釜富液在原料氣換熱器V101/102/103中換熱，進(jìn)一步為MDEA系統(tǒng)提供熱量，然后進(jìn)入原料空冷器V104/105/106被濕空氣預(yù)計(jì)冷卻至 40 ℃，進(jìn)入氣液分離器進(jìn)行氣液分離，分離后的變換氣進(jìn)入吸收塔。在吸收塔中與胺液進(jìn)行熱質(zhì)交換，貧胺液由吸收塔頂噴淋，半貧液由中部噴淋，經(jīng)過(guò)與胺液的熱質(zhì)交換后，原料氣中的CO2被胺液吸收脫除，脫除CO2的氣體為凈化氣，由吸收塔頂采出，之后分2股，經(jīng)水冷器降溫至 40 ℃，經(jīng)氣液分離后送至下游。凈化氣中CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)約 1000 mg/kg。吸收CO2后的胺液為富液，由吸收塔釜采出。

吸收塔釜采出的富液首先與來(lái)自常壓解析塔采出的部分半貧液換熱升溫，之后與變換氣進(jìn)行換熱升溫，然后進(jìn)入常壓閃蒸罐V103降壓閃蒸。閃蒸后富液經(jīng)泵增壓后進(jìn)入貧富液換熱器E113與汽提塔釜出來(lái)的貧液換熱后送入常壓解析塔頂部，閃蒸氣出的CO2氣體經(jīng)空冷器E116冷卻送出界區(qū)。

常壓解析塔氣相進(jìn)料為汽提再生塔塔頂?shù)臍怏w，由下部進(jìn)塔。另外，常壓解析塔塔釜設(shè)置一臺(tái)再沸器，由變換氣提供熱源，將富液初步汽提解析。經(jīng)初步汽提后的富液變?yōu)榘胴氁河伤沙?，半貧液分成兩股：一股?jīng)半貧液泵增壓后，經(jīng)半貧富液換熱器E113、半貧液空冷器E114冷卻后，送入吸收塔；另外一股半貧液經(jīng)泵加壓送入汽提再生塔，進(jìn)一步再生，最終變?yōu)樨氁河稍偕沙?，貧液?jīng)貧液泵增壓后，逐級(jí)經(jīng)貧富液換熱器E121和貧液空冷器E120冷卻后送入吸收塔頂。

考慮到廠區(qū)內(nèi)循環(huán)水水質(zhì)較差，被冷卻介質(zhì)在 70 ℃ 以上時(shí)，結(jié)垢嚴(yán)重，影響裝置正常運(yùn)行[5]。本方案考慮了采用空冷+加噴淋蒸發(fā)式冷卻方案。

本裝置充分利用原料氣自身熱量，正常運(yùn)行中無(wú)需額外消耗蒸汽，從而最大程度的降低了能耗。

2.3 裝置優(yōu)化流程配置全流程模擬分析

為預(yù)判流程工藝設(shè)計(jì)的可行性，采取化工流程模擬分析軟件Aspen plus進(jìn)行分析。為了判斷Aspen plus程模擬分析的可靠性，已使用Aspen plus對(duì)現(xiàn)狀MDEA流程進(jìn)了流程模擬，模擬結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行的情況進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，具有較高的符合性。

本次MDEA裝置優(yōu)化流程，通過(guò)Aspen plus程模擬情況如圖2。

根據(jù)Aspen plus全流程建模模擬優(yōu)化結(jié)果，MDEA經(jīng)過(guò)本次工藝流程優(yōu)化后，系統(tǒng)壓力 1.6 MPa，出口凈化氣中CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 1000 mg/kg，處理能力最大可達(dá) 95000 m3/h，可滿足全部轉(zhuǎn)化氣的脫碳能力。同時(shí)，蒸汽用量由現(xiàn) 29 t 減少至 0 t/h，廢鍋副產(chǎn) 0.6 MPa 低壓蒸汽 6 t/h 并入外網(wǎng)。

3 MDEA裝置關(guān)鍵設(shè)備核算

公司MDEA裝置采用國(guó)內(nèi)南化研究院工藝包，原化工部第二化學(xué)工程設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)，屬于國(guó)內(nèi)較早期工程項(xiàng)目建設(shè)裝置。在對(duì)MDEA裝置關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行能力計(jì)算分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，裝置在塔器設(shè)備選型時(shí)有一定的設(shè)計(jì)余量，為裝置的技術(shù)優(yōu)化擴(kuò)能提供了基礎(chǔ)條件。

通過(guò)工藝流程優(yōu)化及Aspen plus模擬分析，預(yù)測(cè)MDEA裝置最大可處理凈化氣為 95000 m3/h。針對(duì)現(xiàn)有MDEA裝置關(guān)鍵設(shè)備吸收塔、常壓塔及汽提塔進(jìn)行最大負(fù)荷核算。

3.1 吸收塔核算

MDEA裝置吸收塔為立式，規(guī)格為Ф2200/3400×47615 mm，填料形式250Y，填料總高 28 m，對(duì)吸收塔進(jìn)行了水力學(xué)校核。水力學(xué)校核情況如圖3、圖4。

由核算可知，按照原塔體尺寸及初步的填料方案，吸收塔的塔填料的泛點(diǎn)率在合適區(qū)域，運(yùn)行參數(shù)遠(yuǎn)離泛點(diǎn)率曲線，水力學(xué)核算可以滿足要求。

3.2 汽提再生塔核算

MDEA裝置汽提再生塔為立式，規(guī)格為Ф2200×32100 mm，填料形式為250Y，填料總高 14 m，對(duì)再生塔進(jìn)行了水力學(xué)校核。水力學(xué)校核情況如圖5、圖6。

通過(guò)水力學(xué)核算可知，目前再生塔的運(yùn)行參數(shù)已經(jīng)接近上限，不宜再提高負(fù)荷。

3.3 裝置常壓塔核算

MDEA裝置常壓塔為立式，規(guī)格Ф2200/3800×31050 mm，填料為增強(qiáng)型聚丙烯階梯環(huán)Ф50×25×1.5，填料總高 12 m，水力學(xué)校核如圖7。

由核算可知，常壓塔的塔填料的泛點(diǎn)率在合適區(qū)域，運(yùn)行參數(shù)遠(yuǎn)離泛點(diǎn)率曲線，水力學(xué)核算可以滿足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)Aspen plus對(duì)MDEA脫碳裝置優(yōu)化節(jié)能改造全流程模擬，并對(duì)MDEA裝置塔器進(jìn)行水力學(xué)校核，分析研究得出改造是可行的，節(jié)能效果明顯。

改造后運(yùn)行1套MDEA裝置即可滿足脫碳系統(tǒng)要求，可停618和大塔脫碳裝置。

改造后用變換氣的熱能，主要為其中的蒸汽潛熱作為MDEA溶液再生的熱源，不僅可以節(jié)省大量的蒸汽，還可以在低變出口新增一臺(tái)低壓蒸汽廢鍋，同時(shí)能外供約 0.6 MPa 飽和低壓蒸汽，預(yù)期總計(jì)可以節(jié)約 35 t/h 的 0.6 MPa 蒸汽。

改造后凈化氣中二氧化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低到 1000 mg/kg 以下，送到甲烷化裝置的凈化氣可減少 180 m3/h 的二氧化碳?xì)怏w，甲烷化減少氫氣消耗 720 m3/h，并大幅減少合成氣惰性組分甲烷的含量。每年減少的氫氣消耗可多產(chǎn)合成氨約 2400 t。另外，由于甲烷含量降低，可提高合成氨的合成效率。