一种压力能和冷能高效回收利用的低温甲醇洗工艺的制作方法

本发明属于能源化工技术领域，具体涉及一种压力能和冷能高效回收利用的低温甲醇洗工艺。

背景技术：

低温甲醇洗是上世纪50年代由德国林德公司和鲁奇公司开发的一种气体净化工艺。它以低温甲醇做吸收溶剂，脱除原料气中的酸性组分，因而广泛应用于合成氨、天然气脱硫和城市煤气净化等行业。在合成氨工业中，来自(煤)制气单元的粗煤气先经变换单元的一氧化碳变换反应最大限度的将co转化为co2以生产富含h2的变换气(其中co摩尔浓度≯0.4％)，然后变换气进低温甲醇洗，利用低温甲醇对酸性组分溶解能强的特点，脱除其中的co2和h2s等酸性杂质(使co2浓度≯20ppm，h2s浓度≯0.1ppm；脱除的co2或送尿素单元生产尿素或被排放或回收生产干冰等，富含h2s的酸性气则送制硫工段生产硫磺或硫酸)，然后进甲烷化或液氮洗单元，在脱除残存的co和co2后(其碳氧化物总含量≯10ppm)去氨合成单元生产液氨。

低温甲醇洗的主要设备是h2s吸收塔、co2吸收塔、co2再生塔、热再生塔、甲醇-水分离塔和中压闪蒸塔。其中，吸收塔为加强吸附效果采用低温高压操作，再生塔由于需在沸腾状态将酸性气体从富液中解吸出来，故采用低压操作，因此甲醇溶剂在从贫液到富液，又从富液到贫液的循环过程中存在减压的现象，如出自中压闪蒸塔侧线和底部分别富含co2和co2/h2s的甲醇就减压进入co2再生塔，造成压力能损失。以某45万吨/年合成氨装置低温甲醇洗单元为例，中压闪蒸塔分别从侧线和底部抽出甲醇富液108t/h和206t/h，它们均从1.42mpag减压到0.09mpag，压差损失达1.33mpa。如能回收这两股流体的压力能或发电或驱动热再生塔最贫甲醇泵等动力设备，则不但可以增收电能(或节省电耗)，还可以因此产生低温冷量，或用于本单元或外输到其他工段(如合成氨和空分)，以减少装置的压缩制冷蒸汽消耗。另外，低温甲醇洗单元换冷流程的现有配置是：出自co2再生塔下部再吸收段底部富含h2s的甲醇富液二次(以上述45万吨/年合成氨装置低温甲醇洗工段为例，其流量421t/h、约-25.8℃)直接跟出自热再生塔的最贫甲醇(415t/h、约100℃)换冷，将最贫甲醇冷却到-7.3℃送co2吸收塔，自身升温到77.4℃进热再生塔，这是典型的高冷低用。如果能用循环热水或循环水或空气预冷100℃的最贫甲醇，则可置换出等量约-13.1℃～-25.8℃的冷量约5279kw，或自用降低本装置的制冷负荷或转移给邻近的冷阱。

技术实现要素：

针对以上现有技术能量损失的缺陷，本发明的目的在于提供一种压力能和冷能高效回收利用的低温甲醇洗工艺。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种压力能和冷能高效回收利用的低温甲醇洗工艺，包括如下处理步骤：

(1)将中压闪蒸塔侧线抽出甲醇富液和底部甲醇富液经节流降压后进co2再生塔，调整为先进新增的液力透平膨胀做功降温降压，再进新增的低温循环工质换热器回收低温冷能，然后进co2再生塔；

(2)将热再生塔最贫甲醇与经甲醇循环冷却器换热后的co2再生塔底甲醇富液直接通过富/贫甲醇换热器换冷，调整为最贫甲醇先进新增的预冷器降温，经甲醇循环冷却器换热后的co2再生塔底甲醇富液先进新增的低温循环工质换热器回收低温冷能，然后最贫甲醇与甲醇富液再通过富/贫甲醇换热器换冷。

进一步地，步骤(1)中新增液力透平和低温循环工质换热器不影响甲醇富液进入co2再生塔的温度、压力等参数。

进一步地，步骤(2)中新增的预冷器与低温循环工质换热器的热负荷相等，以保证调整后甲醇富液进入热再生塔，最贫甲醇进入co2吸收塔的温度不改变。

进一步地，步骤(1)和步骤(2)中所述新增的低温循环工质换热器是指4～10℃凉水换热器。

进一步地，步骤(2)中所述新增的预冷器是指循环水预冷器。

上述调整中，被低温循环工质(如10～4℃凉水)置换出来的低温冷能可外送到合成氨或空分单元(或其他邻近冷阱)，以减少它们的制冷能耗。而回收的压力能可以考虑孤岛发电方式上网(其中侧线液力透平可考虑取代电机做热再生塔最贫甲醇泵的动力，因为有效透平出力与泵的轴功基本相当)。

本发明基于以下原理：

(1)节流是恒焓亦等熵降压过程，流体的压力能消耗在高度不可逆过程中，改用透平则不但回收了压力能，而且大大降低了流体的温度，要将它恢复到原节流出口状态，则取补热升温，这就为外输冷能创造了机会。所以液力透平代节流阀是一举两得，不但回收了高能流体的压力能，还创造了冷能。

(2)现有流程中，低温甲醇富液二次(约-25.8℃)直接跟最贫甲醇一次(约100℃)换冷是热力学第二定律所谓的高有效能损失过程，高不可逆度使得甲醇富液的冷能严重降级使用，即使它最后将最贫甲醇冷却到-7.3℃，低温端换热温差仍高达18.5℃。调整为最贫甲醇先被循环水预冷再跟甲醇富液换冷，亦是用等量低质能耗置换高质冷能(约-13.1℃～-25.8℃)。故上述调整是遵循热力学第二定律之“高能高用、低能低用”能量逐级利用原理提出的。

相对于现有技术，本发明具有如下优点及有益效果：

(1)通过液力透平回收了目前经节流阀损失的中压闪蒸塔侧线及塔底馏出物的压力能和初段高温热能，并创造了与输出功数值相等的高质冷能，对合成氨这类需要采用大量蒸汽或电制冷的工艺来说，是十分有益的。

(2)用循环水预冷最贫甲醇一次消耗的只是低成本循环水，而换取的却是高价值的低温冷能输出(如4～10℃凉水或其他更低温度的循环工质)，相比最贫甲醇一次约100℃，用循环热水或除盐水预冷，本发明不但不耗循环水，反而多了另一项收益，因此本发明具有高收益。

(3)本发明只在管路上新增液力透平和换热器，配合旁路调整等措施可保证进入相关流体进入下游单元的参数严格不变，因此不会对co2吸收塔、co2再生塔、热再生塔的操作构成影响，自然不会影响低温甲醇洗单元产品净化气的收率和纯度。

(4)本发明的三股物流(亦中压闪蒸塔侧线和底部馏出甲醇富液以及co2再生塔底馏出甲醇富液)的冷量输出是通过中间循环介质(如4～10凉水)实现的，故它们的路由不改变，运行是安全可靠的。

附图说明

图1为本发明对比例的现有低温甲醇洗工艺流程图；

图2为本发明实施例的压力能和冷能高效回收利用的低温甲醇洗工艺流程图；

图中编号说明如下：1-原料/合成气换热器；2-原料气氨冷器；3-变换气分液罐；4-原料/合成气换热器；5-h2s吸收塔；6-co2吸收塔；7-co2吸收塔中间换热器；8-甲醇循环冷却器；9-h2s吸收塔进料泵；10-中压闪蒸塔；11-h2s吸收塔进料冷却器；12-循环压缩机进出口换热器；13-循环压缩机进料分液罐；14-循环压缩机；15-循环压缩机出口水冷器；16-氨冷器；17-节流阀；18-节流阀；19-co2再生塔；20-co2吸收塔进料冷却器；21-热再生塔给料泵；22-富/贫甲醇换热器；23-热再生塔；24-预洗甲醇加热器；25-热再生塔顶水冷器；26-热再生塔再沸器；27-甲醇/水分馏塔；28-甲醇/水分馏塔再沸器；29-水/甲醇分馏塔底污水冷却器；30-液力透平；31-低温循环工质换热器；32-液力透平；33-低温循环工质换热器；34-低温循环工质换热器；35-循环水预冷器。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

对比例

本对比例为现有低温甲醇洗工艺，其工艺流程图如图1所示，具体处理步骤如下：

来自变换单元的原料气(3.0mpa，40℃)进原料/合成气换热器1和原料气氨冷器2冷却后，再进入变换气分液罐3，分离出的工艺冷凝液送至变换工段工艺冷凝液汽提塔，气体与循环压缩机进料分液罐13来气混合，在喷入一小股甲醇后进入原料/合成气换热器4，接着进入h2s吸收塔5的预洗段，气体中的微量成分如nh3和hcn被来自h2s吸收塔进料冷却器11的少量冷甲醇洗涤吸收，塔底的预洗甲醇经预洗甲醇加热器24换热后，送至热再生塔23进行再生，热再生塔设置热再生塔再沸器26；气体经升气塔盘进入h2s吸收塔5的主吸收段，气体中的h2s和co2被来自co2吸收塔6的富co2甲醇洗涤吸收干净，然后富含h2s/co2甲醇送往中压闪蒸塔10进行中压闪蒸。塔顶脱硫气进入co2吸收塔6的下部吸收段，与塔顶引入的来自热再生塔23，经富/贫甲醇换热器22壳侧和co2吸收塔进料冷却器20管侧被冷却到-51.7℃的冷贫甲醇进行逆流吸收，吸收塔中部设置co2吸收塔中间换热器7，塔顶净化气与原料/合成气换热器4、原料/合成气换热器1换热后送达去甲烷化或液氮洗单元；co2吸收塔6底部2.8mpa，-22℃的富co2甲醇部分经h2s吸收塔供料泵9送至h2s吸收塔5顶部作为吸收剂，其余的甲醇流往中压闪蒸塔10的上部闪蒸段。在中压闪蒸塔10的下部闪蒸段的填料中，富h2s/co2甲醇中有价值的h2和少部分的co2闪蒸出来，为了减少循环压缩气体的总量，两股闪蒸气混合后向上流动，在中压闪蒸塔10下部闪蒸段的塔盘上与来自h2s吸收塔底进料泵的甲醇逆流接触，吸收其中的大部分co2，闪蒸气引出后依次经循环压缩机14、循环压缩机出口水冷器15进入循环压缩机进出口换热器12管侧，冷却循环压缩机出口气体后进入循环压缩机进料分液罐13；中压闪蒸塔10侧线抽出甲醇富液在氨冷器16中被冷却，经节流阀18减压后被分为两股，较大的一股送至co2再生塔19顶部的低压闪蒸段，co2再生塔19上塔的操作压力为0.12mpa左右，因此，大部分纯净的co2产品闪蒸释放出来；另一股富co2甲醇进入co2再生塔19的再生段上部塔盘上，释放出另一股纯净的co2，然后甲醇用作再吸收介质向下流动，吸收上升的co2气体中所含的硫化物。来自中压闪蒸塔10底部的富h2s/co2甲醇经节流阀17减压后也分为两股，较大的一股进入co2再生塔19的co2再生段下部填料上，co2和少量同时闪蒸出的h2s和cos在此释放出来，闪蒸气向上流动，在co2再生段上部塔盘上被含co2甲醇再吸收其中的硫化物，co2气体继续向上流动，经升气塔盘进入co2再生塔19低压闪蒸段，与低压闪蒸段的co2产品混合，从塔顶流出后与原料换热后成为产品送至尿素装置。来自co2再生塔19的co2再生段的富含h2s/co2甲醇进入co2再生塔19主要再吸收段上，与此同时，来自中压闪蒸塔10底部的另一股甲醇经节流阀18减压后也进入co2再生塔19主要再吸收段的上。co2再生塔19下部再吸收段底部的富h2s甲醇由热再生塔给料泵21加压，在甲醇循环冷却器8壳侧和富/贫甲醇换热器22中与最贫甲醇一次换热后，进入热再生塔23。自co2再生塔给料泵21的富h2s甲醇和自h2s吸收塔5预洗段的富h2s甲醇分别进入热再生塔23热再生段，富h2s甲醇经甲醇蒸汽气提而完全再生，甲醇蒸汽部分来自热再生塔23下部的水提浓段，其余的来自甲醇/水分馏塔27的塔顶气，甲醇/水分馏塔设置甲醇/水分馏塔再沸器28，塔底设置水/甲醇分馏塔底污水冷却器29至污水处理。热再生塔23热再生段顶部的甲醇蒸汽/气体混合物经过一系列冷却过程，将甲醇冷凝下来。首先，经过预洗甲醇加热器24壳侧，加热来自h2s吸收塔5的冷预洗富h2s甲醇，然后经热再生塔顶水冷器25壳侧水冷后，大部分甲醇冷凝下来，进入热再生塔23底部的回流段，剩下的不凝酸性气从回流段上部引出，经冷却后送至硫酸装置；分离出的冷凝液流回热再生塔23底部回流段。

实施例

本实施例相比对比例流程进行了如下改进：

(1)中压闪蒸塔10底部的富h2s/co2甲醇(206t/h，1.42mpag，-38.4℃)经节流阀18节流后(206t/h，0.09mpag，-61.4℃)进入co2再生塔19，调整为中压闪蒸塔10底部的富h2s/co2甲醇(206t/h，1.42mpag，-38.4℃)先进新增液力透平32，膨胀做功后(206t/h，0.09mpag，-64.7℃)再进新增的低温循环工质(如4～10℃凉水)换热器33，在释放冷量、受热升温到与调整前一致后(206t/h，0.09mpag，-61.4℃)进co2再生塔19。为了保证co2再生塔19的操作不因该调整而受到影响，新增液力透平32和低温循环工质冷却器33均设置相应的调节措施(如旁路等)。

(2)中压闪蒸塔10侧线抽出甲醇富液经氨冷器16降温后(108t/h，1.42mpag-38.4℃)进节流阀17节流，然后(108t/h，0.09mpag，-57.05℃)进co2再生塔19，调整为甲醇富液从氨冷器16出来后(108t/h，1.42mpag-38.4℃)，先进新增的液力透平30，膨胀做功后(108t/h，0.09mpag，-64.7℃)再进新增的低温循环工质(如4～10℃凉水)换热器31回收冷能，受热升温到与调整前一致后(108t/h，1.42mpag-57.05℃)进co2再生塔19。为了保证co2再生塔19的操作不受影响，新增液力透平30和低温循环工质换热器31均设置调节措施。

另外，也可停氨冷器16，让出自中压闪蒸塔10的侧线抽出甲醇富液直接进新增的液力透平30，不但可以因为流体温度较高而多做功，还可以省去(或减少)下游低温循环工质冷却器31的冷量输出，让通过透平获取的冷量在装置自用(如果低温循环工质冷却器31的冷负荷大于氨冷器16，氨冷器16可停；如果低温循环工质冷却器31的冷负荷小于氨冷器16，氨冷器16则设置旁路)。

(3)出自co2再生塔19底部的甲醇富液二次(421t/h、～-25.8℃)直接跟出自热再生塔23的最贫甲醇(415t/h、～100℃)换冷，将其冷却到-7.3℃送co2吸收塔进料冷却器20，自身升温到77.4℃进热再生塔23。调整为甲醇富液二次(421t/h、～-25.8℃)先进新增的低温循环工质(如4～10凉水)换热器34，在释放冷量升温到-13.1℃后，走原流程经富/贫甲醇换热器22升温到77.4℃进热再生塔23；而最贫甲醇(415t/h、～100℃)则先进新增的循环水预冷器35冷却到88.7℃后，再走原流程经富/贫甲醇换热器22降温到-7.3℃送co2吸收塔进料冷却器20。该调整中，富/贫甲醇换热器22的冷端传热温差由18.5℃降低到5.8℃，同时热负荷减少，等值转移给了循环水预冷器35和低温循环工质换热器34，故co2吸收塔6和热再生塔23的操作不受影响。

与对比例相比，本实施例新增了两台液力透平30和32，三台低温循环工质换热器31、33和34，一台循环水预冷器35。它们布置在相应的管路上，配合旁路等调节措施，不对塔的操作产生影响。

以某45万吨/年合成氨装置低温甲醇洗为例，实施例能效收益如表1～3所示。

表1透平做功收益*

*基于透平等熵膨胀效率75％计算。

表2透平集成冷能收益

表3甲醇富液二次冷量输出

由以上结果可见：

(1)中压闪蒸塔10塔底馏出物经液力透平从1.42mpag降压至0.09mpag，按等熵膨胀效率75％计算做功396kw，中压闪蒸塔10测线馏出物经液力透平从1.42mpag降压至0.09mpag，按等熵膨胀效率75％计算做功186kw，合计582kw。

(2)配合透平膨胀降温，中压闪蒸塔10塔底和侧线馏出物分别收获约-60℃的冷能396kw和186kw，合计582kw；同时甲醇富液二次回收平均-19℃的冷能5279kw。三项措施总计回收冷能5861kw。

本实施例与对比例的主要换热设备调整前后的参数如表4所示。

表4主要换热设备调整前后的参数

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。