CN113499669B - 一种高效复合式低温甲醇洗co2回收塔 - Google Patents
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Abstract
一种高效复合式低温甲醇洗CO2回收塔，针对酸性气低温甲醇洗工艺中富甲醇液CO2、H2S的分离，发明一种高效复合式低温甲醇洗CO2回收塔，取消氮气气提；本发明有两种方案，方案一，对新建装置，把富甲醇液CO2分离所用的原H2S浓缩塔和氮气气提塔及绝大部分冷量和热量换热回收过程高效集成在一个塔内完成；方案二，对老装置改造，把原富甲醇液CO2分离所用的氮气气提塔及一部分冷量和热量换热回收过程高效集成在一个塔内完成；本发明特点：（1）解决国内外大多数企业采用低温甲醇洗所面临的大量CO2排放问题，回收高纯CO2气体；（2）取消气提所用氮气，回收全部冷量和热量，减少生产成本；（3）减少流体输送，降低运行费用；（4）简化工艺流程，极大节省建设投资；（5）在全球推广，每年可减少上亿吨CO2排放，对环境治理价值无限。
Description
技术领域
本发明涉及煤化工行业煤制气的净化、合成氨尿素行业气体净化以及城市煤气的净化等过程，在此过程中产生的变换气需要净化分离出合格的H2和CO2，一般采用低温甲醇洗和液氮洗工艺，在低温甲醇洗过程中产生含有CO2、H2S的富甲醇液，需要把此富甲醇液中的CO2、H2S分离出去而获得贫甲醇液循环使用。
背景技术
低温甲醇洗技术自开发以来，由于其在酸性气体等吸收方面具有显著的优势，因此被广泛应用于化工行业酸性气体的吸收和脱除，在变换气脱硫脱碳中发挥了重要的作用。1954年德国的Lurgi公司首先在南非的Sasol公司建立了第一套工业化的低温甲醇洗装置，后期在全世界得到了推广应用；低温甲醇洗技术应用较为广泛的有Lurgi工艺和Linde工艺，在2种工艺的基础上，低温甲醇洗技术被广泛用于煤化工行业煤制气的净化、合成氨、尿素行业气体净化以及城市煤气的净化等。我国在20世纪70年代建立的以煤和渣油为原料的大型合成氨工厂中，采用低温甲醇作为吸收剂进行气体净化，后期得到了更广泛的应用，现在国内有上百套装置采用低温甲醇洗来净化变换气。
酸性气一般含有H2、CO2、H2S、N2、Ar、CO、CH4、COS、H2O等组份，其中H2、CO2的含量多，H2S等其它组份含量少，但要得到一定纯度的H2和CO2用于合成NH3和尿素等，就必须把H2和CO2分离出来达到工艺要求的纯度，可采用低温甲醇洗和低温液氮洗工艺；在低温甲醇洗吸收洗涤塔产生两股洗涤液，其中一股是含有CO2的富甲醇液，另一股是含有CO2、H2S的富甲醇液，需要把此两股富甲醇液中的CO2、H2S分离出去而获得贫甲醇液循环使用。针对富甲醇液中CO2的分离，原工艺流程如附图1所示，CO2经过三个塔才分离出去，采用的是CO2解吸（T202塔）、H2S的浓缩（T203塔）、氮气气提（T207塔）工艺，T203塔和T207塔用氮气气提，气提氮气与气提出的CO2在T203塔顶部以CO2+N2混合物的形式采出，经过回收冷量和水洗后放空排放掉了，就年产30万吨尿素装置而言，每年以CO2+N2混合物形式排放的CO2量就高达12万多吨，造成了极大的浪费，排放如此多的CO2温室气体，对环境造成了恶劣的影响。
现在大部分企业使用低温甲醇洗工艺流程如附图1所示，针对低温甲醇洗工艺，国内也进行了深入的研究，对其进行不断的完善，但还存在一些问题，第一急需解决的问题就是大量CO2排放问题，第二就是要解决氮气气提消耗大量氮气的问题，本发明可解决这两个问题，造福子孙万代。
气体的吸收过程，在低温高压下有利，是一个放热过程，在吸收过程中，应该把气体吸收所放出的热量尽可能移出来降低吸收温度，并且要保证吸收剂和气体进入吸收塔的温度尽可能低；吸收液中所溶解组份的解吸过程，则在高温低压下有利，是一个吸热过程，为了把吸收液中溶解的组份解吸出去，需要提供一定的热量；变换气低温甲醇洗的吸收和解吸过程中所需的冷量和热量可以优化匹配换热，各取所需，只要能充分回收过程中的冷量和热量就可减少公用工程冷量和热量的输入，达到节能降耗的目的。
发明内容
本发明开发出一种高效复合式低温甲醇洗CO2回收塔，对于新建装置，采用本发明方案一，如附图2所示的工艺流程，其高效复合式低温甲醇洗CO2回收塔T203r结构示意见附图3，是把低温甲醇洗富甲醇液CO2分离所用的原H2S浓缩塔T203和氮气气提塔T207及绝大部分冷量和热量换热回收过程高效集成在一个塔T203r内完成，取消氮气气提；对于老装置改造，采用本发明方案二，如附图4所示的工艺流程，其高效复合式低温甲醇洗CO2回收塔T207r结构示意见附图5，是把低温甲醇洗富甲醇液CO2分离所用原氮气气提塔T207及一部分冷量和热量换热回收过程高效集成在一个塔T207r内完成，取消氮气气提。
本发明特点：（1）解决国内外大多数企业采用低温甲醇洗所面临的大量CO2排放问题，回收高纯CO2气体，此CO2可作为产品销售或用于生产CO2的下游产品，达到节能降耗提高经济效益的目的，同时减少大量温室气体的排放，具有很大的社会效益，造福子孙万代；（2）回收低温甲醇洗工艺中的全部冷量和热量，通过热量回收，为CO2解吸提供足够的能量，取消气提所用氮气，节省大量氮气，同时回收冷量，减少公用工程冷量和热量的输入，降低生产成本；（3）减少流体的输送，节省流体输送所用泵的电耗，降低运行费用；（4）减少流量和液位调节控制仪表及流体输送管线，便于生产操作和控制，简化工艺流程，节省建设投资；（5）本发明如果能在全世界推广应用，每年将减少上亿吨CO2的排放，对世界健康发展创造无限的价值。
本发明的技术方案：
本发明技术方案分为两种情况，方案一适用于新建低温甲醇洗装置，方案二是针对低温甲醇洗老装置的改造。（新建装置，也可以用方案二，但投资要多；老装置改造也可以采用方案一，改造投资多，但改造后运行成本会降低。）
方案一：
针对新建低温甲醇洗装置，应采用方案一，其CO2分离流程如附图2所示，高效复合式低温甲醇洗CO2回收塔T203r如附图3所示，发明的要点如下：
1、把H2S浓缩塔T203和氮气气提塔T207集成为一个塔，称为高效复合式低温甲醇洗CO2回收塔，编号为T203r，把绝大部分冷量和热量换热回收过程集成在塔内完成；
2、在T203r塔内三处设置高效内置换热器，使冷热物流按照温度级别做到梯级换热；在其内置换热器里，塔内富甲醇液由上往下走管程，在此过程中吸收壳程中来自甲醇热再生塔塔底贫甲醇液的热量，富甲醇液里溶解的CO2不断气化出来，此过程实际就是一个降膜蒸发过程，其传热系数大，传热效率高，减少冷热量回收所需的换热面积，使设备结构更加紧凑，节省设备及建设投资；
3、在T203r塔顶部采出高纯CO2气体，经回收冷量后去压缩、冷却包装工段，此CO2可作为产品销售或用于生产CO2的下游产品；
4、在T203r塔内采用高效规整填料替代原来的板式结构，其高效规整填料分为6段，各段高度有所不同，取决于各段的分离要求和所需的理论塔板数，还有对塔温度分布的要求，也取决于所用高效规整填料的结构尺寸和分离效率；
方案二：
针对低温甲醇洗老装置改造，应采用方案二，要充分利用原有设备，以便节省改造投资，其CO2分离流程如附图4所示，其高效复合式低温甲醇洗CO2回收塔T207r结构示意图见附图5，只做局部的改造，就可以回收高纯CO2、取消氮气气提，减少改造投资和生产成本，其发明的要点如下：
5、保留H2S浓缩塔T203，取消T203的气提所用氮气，在T203塔顶部采出两股CO2气体混合后去后续换热器回收冷量，然后去CO2压缩冷凝包装系统；
6、改造或更换氮气气提塔T207如附图5所示的结构，称为高效复合式低温甲醇洗CO2回收塔，其编号为T207r，增加一台富甲醇液采出泵P205，把原来氮气气提塔T207塔底采出液与甲醇热再生塔塔底贫甲醇液的换热器E210的位号改为E210A，利旧；进E210A富甲醇液采出位置为T207r塔C段填料上方集液板，该富甲醇液换热后再返回T207r塔采出板下方的气液分布器上，T207r塔底液经原来的泵P204直接送往甲醇热再生塔；
7、在T207r塔内一处设置一高效内置换热器E210B，在E210B内置换热器里，塔内富甲醇液由上往下走管程，在此过程中吸收壳程来自E210A贫甲醇液的热量，富甲醇液里溶解的CO2不断气化出来，此过程实际就是一个降膜蒸发过程，其传热系数大，传热效率高，减少了冷热量回收所需的换热面积，使设备结构更加紧凑，节省设备及建设投资；
8、在T203塔顶采出高纯CO2气体，经回收冷量后去压缩冷凝包装系统，此CO2可作为产品销售或用于生产CO2的下游产品；
9、在T207r塔内采用高效规整填料替代原来的板式塔结构，其高效规整填料分为3段，各段高度会有所不同，取决于各段分离要求和所需理论塔板数，还有对塔温度分布等要求，也取决于所用高效规整填料的结构尺寸和分离效率；
方案一和方案二所具有的共同要点：
10、在T203r、T207r塔中内置换热器里布置升汽管，其塔内上升的汽相通过换热器时大部分走升汽管，其升汽管顶部比换热器上管板高出一定的距离，其升汽管顶部装有防液伞，其换热器上管板上的液体不走升汽管而直接走换热器管程，这样就减少了塔内汽液相流体流经内置换热器的压力降，防止换热过程的液泛，其换热管本身的高度和上管板上的液位为塔内液体通过管程换热提供了流动的动力；
11、在T203r、T207r塔内采用高效规整填料替代原来的板式塔结构，提供更多的气液接触面积，增强传质传热效率，降低塔的高度，提高塔的操作弹性，减少塔内甲醇的持液量，减少生产过程中甲醇的用量；
12、取消氮气气提分离CO2，节省大量氮气，使生产成本大大下降；
13、在T203r、T207r塔底设置辅助再沸器E210C，开车时用加热蒸汽为其高效复合式低温甲醇洗CO2回收塔提供初始热量，当甲醇热再生塔开起来塔底有合格的贫甲醇液采出时，该贫甲醇液就可进入本发明的高效复合式低温甲醇洗CO2回收塔与塔内液体换热，为其高效复合式低温甲醇洗CO2回收塔提供热量，此时的辅助再沸器E210C热负荷会不断减少，其高效复合式低温甲醇洗CO2回收塔所需热量的95%是靠回收来自甲醇热再生塔底采出的贫甲醇液的热量来提供，在回收贫甲醇液热量的同时也回收了CO2回收塔内的冷量，使贫甲醇液由初始的98℃左右冷却到-58℃左右，返回到吸收洗涤塔循环利用，而CO2回收塔内的富甲醇液则由闪蒸后的初始温度-60℃左右在T203r塔(方案一)或T203和T207r塔（方案二）内逐步升温，在其T203r或T207r塔底出来时已经达到80℃左右，出T203r或T207r塔底的富甲醇液含CO2在0.3wt%左右，可直接去甲醇热再生塔提纯；开车正常后，辅助再沸器E210C只起到调节热负荷的作用，以保证T203r或T207r塔底采出液里CO2含量达到工艺要求；
14、T203r塔操作压力在0.190MPa（a）左右，T207r 塔操作压力在0.280MPa（a）左右；
15、塔径根据生产能力来确定，塔内件及其它辅助结构和尺寸可根据工艺、设备加工、安装及操作控制来设计。
附图说明
附图1：低温甲醇洗富甲醇液CO2分离原工艺流程示意图；
附图2：低温甲醇洗富甲醇液CO2分离改进后的2塔工艺流程示意图；
附图3：一种高效复合式低温甲醇洗CO2回收塔T203r示意图；
附图4：低温甲醇洗富甲醇液CO2分离改进后的3塔工艺流程示意图；
附图5：一种高效复合式低温甲醇洗CO2回收塔T207r示意图。
具体实施方式
用实例说明如下：
对年产30万吨尿素低温甲醇洗装置，来自低温甲醇洗吸收洗涤工段的两股富甲醇液及来自甲醇热再生塔工段的贫甲醇液的温度、压力、组成、流量见表1。
如果是新建装置，采用方案一，如附图2所示的工艺流程，进出其高效复合式低温甲醇洗CO2回收塔T203r的物流数据列入表2；塔顶操作压力0.19MPa(a)；T203r塔内填料分为6段，各段分离所需理论板数为：A段理论板数≥29块、B段理论板数≥4块、C段理论板数≥12、D段理论板数≥5、E段理论板数≥3、F段理论板数≥3；采用特制高效规整填料SZJCBW-500Y，T203r塔内径ID=1600mm，内置换热器E210A、E210B和E209壳体内径1600mm，换热管长6000mm，换热管采用DN25管，换热面积949m2，升汽管采用DN200管，塔体、塔内件、内置换热器详细结构需要按照机械设计规范设计出图。
如果是老装置改造，采用方案二，要充分利用已有设备，用附图4所示的工艺流程，高效复合式低温甲醇洗CO2回收塔T207r如附图5所示，T207r与T203塔结合，完成高纯CO2的回收任务，进出T207r塔物流数据列入表3，物流线号<37>为在T203塔顶部第二块板采出的高纯CO2气体；T207r填料分为3段，各段分离所需理论板数为：A段理论板数≥5块、B段理论板数≥3块、C段理论板数≥3；采用特制高效规整填料SZJCBW-500Y，T207r塔内径ID=1600mm，换热器E210A，利旧，为原流程的E210换热器；内置换热器E210B壳体内径1600mm，换热管长6000mm，换热面积949m2，换热管采用DN25管，换热面积949m2，升汽管采用DN200管，塔体、塔内件、内置换热器详细结构需要按照机械设计规范设计出图。
表1：酸性气低温甲醇洗进入CO2分离系统物流数据
表2：进出高效复合式低温甲醇洗CO2回收塔T203r的物流数据
*物流编号及名称见附图3
续表2：进出高效复合式低温甲醇洗CO2回收塔T203r的物流数据
**物流编号及名称见附图3
表3：进出高效复合式低温甲醇洗CO2回收塔T207r的物流数据
***物流编号及名称见附图5。
Claims (1)
1.一种高效复合式低温甲醇洗CO2回收塔，其特征在于，包括两种方案：
方案一，把低温甲醇洗富甲醇液CO2分离所用的原H2S浓缩塔和氮气气提塔及绝大部分冷量和热量换热回收过程高效集成在一个CO2回收塔内完成，取消氮气气提；在CO2回收塔内三处设置高效内置换热器，使冷热物流按照温度级别做到梯级换热；在内置换热器里，塔内富甲醇液由上往下走管程，在此过程中吸收壳程中来自甲醇热再生塔塔底贫甲醇液的热量，富甲醇液里溶解的CO2不断气化出来；在CO2回收塔顶部采出高纯CO2气体，经回收冷量后去压缩、冷却包装工段；在CO2回收塔中内置换热器里布置升汽管，塔内上升的汽相通过换热器时大部分走升汽管，升汽管顶部比换热器上管板高出一定的距离，升汽管顶部装有防液伞，换热器上管板上的液体不走升汽管而直接走换热器管程；在CO2回收塔底设置辅助再沸器，开车时用加热蒸汽为CO2回收塔提供初始热量，当甲醇热再生塔开起来塔底有合格的贫甲醇液采出时，贫甲醇液进入CO2回收塔与塔内液体换热，为CO2回收塔提供热量，此时的辅助再沸器热负荷不断减少，CO2回收塔所需热量的95％是靠回收来自甲醇热再生塔底采出的贫甲醇液的热量来提供，在回收贫甲醇液热量的同时也回收了CO2回收塔的冷量，使贫甲醇液由初始的98℃冷却到-58℃，返回到吸收洗涤塔循环利用，而CO2回收塔内的富甲醇液则由闪蒸后的初始温度-60℃在CO2回收塔内逐步升温，在CO2回收塔底出来时已经达到80℃，出CO2回收塔底的富甲醇液含CO2在0.3wt％，直接去甲醇热再生塔提纯；开车正常后，辅助再沸器只起到调节热负荷的作用；CO2回收塔塔顶操作压力0.19MPa；CO2回收塔内填料分为6段，各段分离所需理论板数为：A段理论板数≥29块、B段理论板数≥4块、C段理论板数≥12、D段理论板数≥5、E段理论板数≥3、F段理论板数≥3；采用特制高效规整填料SZJCBW-500Y，CO2回收塔内径ID＝1600mm，内置换热器和壳体内径1600mm，换热管长6000mm，换热管采用DN25管，换热面积949m2，升汽管采用DN200管；
方案二，把低温甲醇洗富甲醇液CO2分离所用原氮气气提塔及一部分冷量和热量换热回收过程高效集成在一个CO2回收塔内完成，保留H2S浓缩塔，取消氮气气提；在CO2回收塔顶部采出两股CO2气体混合后去后续换热器回收冷量，然后去CO2压缩冷凝包装系统；进换热器富甲醇液采出位置为CO2回收塔C段填料上方集液板，富甲醇液换热后再返回CO2回收塔采出板下方的气液分布器上，CO2回收塔底液经泵直接送往甲醇热再生塔；CO2回收塔内一处设置一高效内置换热器，在内置换热器里，塔内富甲醇液由上往下走管程，在此过程中吸收壳程来自甲醇热再生塔塔底贫甲醇液的热量，富甲醇液里溶解的CO2不断气化出来；在CO2回收塔中内置换热器里布置升汽管，塔内上升的汽相通过换热器时大部分走升汽管，升汽管顶部比换热器上管板高出一定的距离，升汽管顶部装有防液伞，换热器上管板上的液体不走升汽管而直接走换热器管程；在CO2回收塔底设置辅助再沸器，开车时用加热蒸汽为CO2回收塔提供初始热量，当甲醇热再生塔开起来塔底有合格的贫甲醇液采出时，贫甲醇液进入CO2回收塔与塔内液体换热，为CO2回收塔提供热量，此时的辅助再沸器热负荷不断减少，CO2回收塔所需热量的95％是靠回收来自甲醇热再生塔底采出的贫甲醇液的热量来提供，在回收贫甲醇液热量的同时也回收了CO2回收塔的冷量，使贫甲醇液由初始的98℃冷却到-58℃，返回到吸收洗涤塔循环利用，而CO2回收塔内的富甲醇液则由闪蒸后的初始温度-60℃在CO2回收塔内逐步升温，在CO2回收塔底出来时已经达到80℃，出CO2回收塔底的富甲醇液含CO2在0.3wt％，直接去甲醇热再生塔提纯；开车正常后，辅助再沸器只起到调节热负荷的作用；CO2回收塔填料分为3段，各段分离所需理论板数为：A段理论板数≥5块、B段理论板数≥3块、C段理论板数≥3；采用特制高效规整填料SZJCBW-500Y，CO2回收塔内径ID＝1600mm；内置换热器壳体内径1600mm，换热管长6000mm，换热面积949m2，换热管采用DN25管，换热面积949m2，升汽管采用DN200管。
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