脱碳装置节能优化改造情况总结_车艳妮.pdf

氮肥与合成气 第 卷 第 期 年 月作者简介：车艳妮（），女，高级工程师，主要从事工艺技术管理工作；脱碳装置节能优化改造情况总结车艳妮，李俊达，李永发，张旭阳（山西晋丰煤化工有限责任公司，山西高平）摘 要：通过对脱碳工段工艺状况的分析研究，确定了改造思路，从溶液温度、溶液品质、填料、电机等方面进行优化改造，并充分考虑系统内能量的循环利用，最终达到了系统优化、节能降耗的目的。关键词：脱碳；溶液温度；填料；系统优化；节能降耗 中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：山西晋丰煤化工有限责任公司设计生产规模为 万 合成氨、万 尿素，联产 万 甲醇，装置按、套系统设计。合成氨装置原料气制备采用固定床常压间歇造气工艺；原料气净化由栲胶脱硫、耐硫全低温变换、变换气湿式 型脱硫串干式活性炭脱硫、聚乙二醇二甲醚（）法 脱 碳 双 甲 精 制 组 成；氨 合 成 采 用 合成工艺。尿素装置采用 汽提法合成尿素。脱碳装置工艺流程来自二次脱硫的变脱气进入干脱塔吸收气体中的硫化氢（，质量浓度 ）后，进入气体换热器管程，与壳程的净化气及二氧化碳（）气体换热降温后，经进塔气分离器进入脱碳塔。脱碳采用 法脱碳工艺，在 下脱除变脱气中的，使出工段脱碳气中的 体积分数小于 ，送往压缩四段；吸收 的 溶液经减压再生后，循环使用，并释放出 以上的 供尿素工段使用。富液从脱碳塔下部引出分 路：一路进入涡轮泵，回收静压能后进入高压闪蒸槽；另一路直接进入高压闪蒸槽，溶解的氮气（）、氢气（）被解吸出来，经高压闪蒸汽分离器回压缩机二段入口或进入变压吸附工段。高压闪蒸槽出来的 溶液进入低压闪蒸槽，此时大部分溶解的气被解吸出来，气经低压闪蒸汽分离器进入气体换热器下部壳程与变脱气换热后送往尿素工段。从低压闪蒸槽出来的 溶液依靠自重流入汽提塔，溶液自上而下与从塔底进入的汽提空气逆流接触传质换热，此时溶液中所吸收的 被汽提出来。从汽提塔下部出来的 溶液经脱碳泵加压后分 路：一路进入卧式氨冷器管程；另一路进入立式氨冷器管程，与壳程液氨换热，温度由 降到 ，进入脱碳塔自上而下与变脱气逆向接触吸收变脱气中 后由脱碳塔底部出来。由罗茨鼓风机抽引，汽提空气经空气过滤器抽入空气冷却器与汽提塔解吸气换热冷却后进入空气分离器分离掉水分，然后进入汽提塔下部自下而上与 溶液逆流接触把溶液中溶解的气体全部解吸出来，解吸气从汽提塔顶部引出，进入解吸气分离器、空气冷却器后被罗茨鼓风机引出放空。当 溶液中含水质量分数超过 时从低压闪蒸槽溶液出口管引出部分溶液经溶液过滤器进入脱水系统。脱碳装置工艺流程图见图。主要设备配置及参数脱碳塔直径为 ，高度为 ，最高使用压力为 。分五段装填聚丙烯海尔环填料，每段装填高度为 ，一、二、三、四段填料规格为 ，五段填料规格为 。低闪 汽 提 塔 直 径 为 ，高 度 为 ，低压闪蒸槽最高使用压力为，氮肥与合成气 第 卷 第 期 年 月气体换热器；进塔气分离器；脱碳塔；净化气分离器；脱碳泵；卧式氨冷器；立式氨冷器；低压闪蒸汽分离器；低压闪蒸汽汽提塔；空气冷却器；空气引风机；空气过滤器；溶液过滤器；板式换热器；脱水塔；脱水塔水冷器；溶液蒸发器；地下槽；冷凝液槽；溶液储槽；溶液泵；溶液热交换器。图 改造前脱碳装置工艺流程图汽提塔最高使用压力为 。低压闪蒸槽装聚丙烯海尔环填料，规格为 ，装填高度为 ；汽提塔分五段，装聚丙烯海尔环填料，规格为 ，每段装填高度为 。联合操作塔直径为 ，高度为 ，最高使用压力为 ；解吸气分离器最高使用压力为 ，高压闪蒸汽分离器最高使用压力为 。低压闪蒸汽分离器直径为 ，高度为 ，最高使用压力为 。脱水塔直径为 ，高度为 ，换热面积为 ，最高使用压力分别为 （管程）、（壳程）。卧式氨冷器直径为 ，长度为 ，换热面积为 ，换热管规格为 ，长度为 ，数量为 根，最高使用压力分别为 （管程）、（壳程）。立式氨冷器直径为 ，高度为 ，换热面积为 ，最高使用压力分别为 （管程）、（壳程）。溶液 热 交 换 器 直 径 为 ，长 度 为 ，换热面积为 ，换热管规格为 ，长 度 为 ，数 量 为 根，最高使用压力分别为 （管程）、（壳程）。溶液 过 滤 器 直 径 为 ，高 度 为 ，体 积 为 ，最 高 使 用 压 力 为 。号脱碳泵的体积流量为 ，扬程为 ，轴功率为 ，附电机功率为，电压等级为 ；号脱碳泵的体积流量为 ，扬程为 ，附电机功率为。溶液泵体积流量为 ，扬程为 。板式换热器换热面积为 ，进口温度为 ，出口温度为 ，压力为 ，体积流量为 ；冷却循环水进口温度为，出口温度为 ，压力为 。存在的问题 部分运行指标不达标在合成氨、尿素装置中，脱碳单元起到承前启后的作用，其单元既有净化合成气的作用，又能回收高纯度的化工产品原料 ，用于尿素生产。若净化气或低压闪蒸汽中 指标不合格，一是影响合成氨产量和尿素产量，二是会导致合成触媒中毒和尿素设备腐蚀，甚至会影响尿素高压洗涤器运行安全（气体组分不达标导致爆炸）。单套变换气脱硫装置设计入口气体体积流量氮肥与合成气 第 卷 第 期 年 月为 ，实 际 气 体 体 积 流 量 为 ，变脱气进入脱碳工段后，由于气量增加，由此带来部分运行指标不达标：（）解吸气放空气中 质量浓度超标，达到 。煤制合成氨、尿素行业清洁生产水平分级标准（大气污染物）要求脱碳再生气汽提气、解吸气、闪蒸汽放空气中 质量浓度小于 。（）净化气 体积分数大于 ，设计指标 。（）低压闪蒸汽 体积数小于 ，设计指标。（）脱水后回汽提塔脱碳液温度为，设计指标。脱碳泵电耗高脱碳装置的主要耗电用户为脱碳泵。初始设计脱碳泵共 台，号脱碳泵为带电机和离合器的涡轮泵，正常运行为 开 备，溶液循环体积流量为 ，功率为。由于离合器使用寿命较短，涡轮泵停用。号脱碳泵为 的电机泵，溶液循环体积流量为 。脱碳液冷量未有效回收板式换热器原设计用循环冷却水对脱水后的 溶液进行降温，系统内低压闪蒸槽来的脱碳液和高压闪蒸汽的冷量未有效利用。脱碳溶液过滤器过滤效果差脱碳液长期在系统内循环后，硫、空气中的尘埃、催化剂粉末、腐蚀铁屑及副反应物等在溶液中累积，如果不去除，会影响到脱碳液的吸收效果。原溶液过滤器为陶瓷过滤器，过滤精度较低，同时由于使用时间较长，过滤精度下降。解决措施 增加能量回收泵和电机泵涡轮泵停用后，脱碳液能量不能有效回收，增加 台循环体积流量为 的能量回收泵和 台 功 率 为 、循 环 体 积 流 量 为 的 号电机泵。台 号电机泵的溶液循环量相当于 台 号脱碳泵的循环量，并且功率降低约 。能量循环泵采用新的能量回收技术，去除电机及离合器，由富液泵直接带动贫液泵，正常运行为 号脱碳泵、号电机泵、能量回收泵。增加板式换热器和高压闪蒸汽换热器增加 台板式换热器、台高压闪蒸汽换热器，利用低压闪蒸槽脱碳液冷量、高压闪蒸汽冷量冷却脱水后的 溶液，减少循环水用量。脱除水分后的 溶液进入板式换热器与溶液换热后，温度降至 左右，再进入高压闪蒸汽换热器，利用低温高压闪蒸汽对脱除水分后的 溶液进一步降温（预计温度可降低 ）返回汽提塔与再生后的 溶液混合（预计温度可降低 ）。改造后的脱碳液换热流程见图，其中虚线为新增部分。图 改造后的脱碳液换热流程氮肥与合成气 第 卷 第 期 年 月 脱碳塔填料由海尔环更换为规整填料由于规整填料相对于散堆填料具有更大的比表面积和空隙率，一般来说规整填料的性能要优于散堆填料。规整填料具有传质效率高、阻力低、持液量小、通量大、操作弹性范围广、放大效应小等优点。原来采用 聚丙烯海尔环散装填料，比表面积为 。对脱碳塔一、二、三段填料进行更换，由海尔环更换为规整填料，一段更换为比面积为 的规整填料，二段、三段更换为比表面积为 的规整填料。增加溶液过滤器在溶液储罐后增加溶液过滤机，通过压滤机自带的泵将溶液泵至压滤机过滤，清液返回系统，杂质送至锅炉燃烧。增加溶液过滤器后流程见图，其中虚线为新增部分。图 增加溶液过滤器后流程 改造效果改造前后运行情况对比见表。表 改造前后运行情况对比序号项目设计值改造前改造后双系统气体体积流量（）脱碳塔压力 脱碳塔溶液温度 进汽提塔溶液温度 低压闪蒸汽 体积分数 净化气 体积分数 脱水塔蒸汽消耗质量流量（）改造后，脱碳装置解吸气放空气中 质量浓度 ，满足 要求脱碳再生汽提气、解吸气、闪蒸汽、放空气 质量浓度小于 的要求。同时，每小时节电，年降低成本 万元。结语本次脱碳装置改造主要是 套系统各增加 台高压闪蒸汽换热器、台板式换热器、台溶液过滤机、段规整填料。高压闪蒸汽换热器、板式换热器的作用是利用高压闪蒸汽及汽提后的溶液冷量降低回脱碳系统溶液的温度，以保证气体的吸收效果。溶液过滤机的主要作用是通过压滤机自带的泵将溶液泵至压滤机过滤，清液返回系统，杂质送至锅炉燃烧。规整填料较散装填料比表面积增大约 倍，空隙率一致，明显提高了溶液的停留时间和气液传质效果。通过本次改造，脱碳装置工艺流程得到进一步优化，各项指标均在控制范围内，环保效益和经济效益都较为明显。参考文献 崔广东 合成氨装置中脱碳单元的技术改造 上海：华东理工大学，田青，侯立刚，张宁宁 合成氨脱碳系统的节能改造石油和化工节能，（）：胡宗贵 提高 脱硫脱碳装置塔处理能力技术改造方案的探讨 天然气化工，（）：王松汉 石油化工设计手册 北京：化学工业出版社，（收稿日期）