低温甲醇洗装置低压闪蒸系统模拟与对比

郑李斌 ,  王照成 ,  李繁荣

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (S1) : 396 -400.

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现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (S1) : 396-400. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.S1.072
工业技术

低温甲醇洗装置低压闪蒸系统模拟与对比

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Simulation and comparison of low pressure flash system in Rectisol unit

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摘要

基于Aspen Plus流程模拟软件,对75万t/a煤制合成氨项目中低温甲醇洗装置的2种低压闪蒸流程进行了模拟计算和分析,探究了主要操作参数对尾气中CO2含量、富甲醇温度、富甲醇CO2含量、CO2回收率及运行成本的影响,并对2种流程的CO2回收成本进行了对比。结果表明,硫化氢浓缩塔的操作压力宜选择0.07~0.08 MPa,氮气气提流程中气提氮流量宜选择900 kmol/h,真空解吸流程中真空解吸的操作压力宜选择-0.086 MPa。为尽可能提高低温甲醇洗装置CO2回收率,可将低压闪蒸系统由常规氮气气提流程改造为真空解吸流程,从而实现CO2回收率≥97%,且能够大幅降低CO2回收的运行成本。

Abstract

Carbon dioxide capture,utilization and storage (CCUS) is a necessary means to achieve the goals of “carbon dioxide emission peaking” and “carbon neutrality”.In the whole CCUS process,the cost of carbon dioxide capture accounts for as much as 70% of the total cost.Therefore,reducing the cost of carbon dioxide capture is crucial for the large scale application of CCUS.Low pressure flash system in a Rectisol unit is one of the main sources of carbon dioxide emission in modern coal chemical projects.Based on Aspen Plus process simulation software,two kinds of low pressure flash process in a Rectisol unit of a 750 000 tons/year coal to ammonia plant are simulated and analyzed.The influences of main operating parameters on the content of CO2 in the tail gas,the temperature of rich methanol,the content of CO2 in rich methanol,CO2 recovery rate,and the operation cost are explored,and the CO2 recovery cost by these two processes are compared.Results show that the operating pressure for H2S enrichment column should be 0.07-0.08 MPa,the nitrogen flow rate of nitrogen stripping process should be 900 kmol·h-1,and the operating pressure of vacuum desorption should be -0.086 MPa.In order to improve the CO2 recovery rate of Rectisol unit as much as possible,the conventional nitrogen stripping process can be revamped into vacuum desorption process to make CO2 recovery rate exceed 97%,and can significantly reduce the operation cost of CO2 recovery.

Graphical abstract

关键词

煤化工 / 流程模拟 / 真空解吸 / 碳捕集 / 低温甲醇洗

Key words

coal chemical / process simulation / vacuum desorption / carbon capture / Rectisol process

Author summay

郑李斌(1992-),男,硕士,高级工程师,注册化工工程师,研究方向为气体净化,

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郑李斌,王照成,李繁荣. 低温甲醇洗装置低压闪蒸系统模拟与对比[J]. 现代化工, 2025, 45(S1): 396-400 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.S1.072

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通过实现“碳达峰”和“碳中和”,可以有效减少温室气体的排放,降低气候变化对人类社会和自然环境的影响。由于“少油、缺气、多煤”的能源结构,相比其他国家,我国化工行业更多使用高碳排放的煤炭作为原料,导致我国化工行业的碳排放强度高于其他国家[1-2]。近年来,中国煤化工产业规模稳步增长[3-4],已成为全球煤化工产品制造和消费大国,在持续推动国内经济发展的同时,造成了不可再生资源的损耗和大量CO2排放[5-6]。正因如此,对煤化工行业进行碳减排的研究显得更为重要和迫切。现代煤化工项目的碳排放主要有2个来源,一是煤炭燃烧的排放,主要是煤化工项目配套热电锅炉的燃煤燃烧排放;二是工艺过程中的排放,以低温甲醇洗装置的高浓度CO2尾气(体积分数在70%以上)为主[7-9]。目前虽然有些煤化工项目的低温甲醇洗装置已实施了CO2液化等碳减排项目,但是对具体的低温甲醇洗内部CO2回收流程模拟研究的报道较少[10]
本文中基于某75万t/a煤制合成氨项目的低温甲醇洗装置,使用Aspen Plus V11.0软件对2种低压闪蒸流程进行了模拟计算,分析主要操作参数对尾气中CO2含量、富甲醇温度、富甲醇CO2含量、CO2回收率及运行成本的影响,并对2种流程的CO2回收成本进行了对比,以期为低温甲醇洗装置低压闪蒸系统的流程选择及设计提供参考。

1 流程描述

煤化工项目大量CO2排放来自低温甲醇洗的尾气,常规低温甲醇洗工艺中硫化氢浓缩塔使用低压氮气进行气提,低温甲醇洗尾气中含大量N2,一般直接放空,如需得到CO2产品,还需要对低温甲醇洗尾气进一步处理。为回收利用低温甲醇洗装置脱除的CO2,可采用真空解吸的方式代替氮气气提,直接生产高浓度CO2产品气,所回收的CO2气既可深加工做液体CO2产品,也可进行驱油或者封存,以实现碳减排的目的。

1.1 氮气气提流程

本研究基于低温甲醇洗装置的低压闪蒸系统,采用氮气气提流程如图1所示。来自中压闪蒸系统的含硫富甲醇一部分进入二氧化碳产品塔(T02)下部,闪蒸出溶解的CO2。剩余含硫富甲醇送至硫化氢浓缩塔(T03)进行减压闪蒸。来自中压闪蒸系统的无硫富甲醇一部分进入二氧化碳产品塔(T02)上部,闪蒸出溶解的CO2。另一部分无硫富甲醇送至二氧化碳产品塔(T02)中上部,闪蒸出溶解的CO2,同时对塔内下部含硫富甲醇闪蒸出的含硫气体进行洗涤,最终在二氧化碳产品塔(T02)顶部得到CO2产品气。
二氧化碳产品塔(T02)上部闪蒸后的无硫富甲醇液继续送到硫化氢浓缩塔(T03),在更低的压力下继续闪蒸,并对塔内下部含硫富甲醇闪蒸出的含硫气体进行洗涤。二氧化碳产品塔(T02)底部的富甲醇送至硫化氢浓缩塔(T03),通过减压膨胀进一步解吸溶解气体。此外,在硫化氢浓缩塔的底部,通过低压氮气气提,将CO2进一步解吸。最终在硫化氢浓缩塔(T03)顶部得到含有N2和CO2的尾气。
低温富甲醇从硫化氢浓缩塔(T03)的中部抽出,经富甲醇泵Ⅰ(P01)加压后,作为制冷剂进入贫甲醇冷却器(E08)和循环甲醇冷却器Ⅰ(E06)提供冷量,然后再进入甲醇闪蒸罐(S04)。来自(S04)的仍处于冷态的富甲醇通过富甲醇泵Ⅱ(P02)送入甲醇/甲醇换热器Ⅰ(E07)进一步升温,升温后的甲醇送至硫化氢浓缩塔(T03)中下部,闪蒸的气相则送至二氧化碳产品塔(T02)底部。来自硫化氢浓缩塔(T03)底部的富甲醇经富甲醇泵Ⅲ(P03)加压,并经甲醇/甲醇换热器Ⅱ(E09)、甲醇/甲醇换热器Ⅲ(E19)换热及富甲醇过滤器(H01)过滤后,送至氮气气提塔(T07)。在塔中经常温氮气气提,气相送回硫化氢浓缩塔(T03)底部,液相送至下游热再生系统。

1.2 真空解吸流程

针对现有工厂的氮气气提流程,为进一步提高CO2回收率,可进行适当改造,得到真空解吸流程如图2所示,主要流程和原氮气气提工艺流程类似(虚线部分为原工艺流程,实线部分为改造部分),主要改造内容为增加了真空闪蒸罐、真空解吸压缩机以及相应的换热器及泵。硫化氢浓缩塔(T03)底部的富甲醇经减压后送至真空闪蒸罐(S21),在负压下闪蒸,解吸出的气相经进出口换热器(E21)复热后,通过真空解吸压缩机(K01)增压,并经后冷却器(E22)冷却,最终与进口闪蒸气换热后,气相送至硫化氢浓缩塔(T03)底部。真空闪蒸罐(S21)的液相经富甲醇泵(P21)增压送至下游系统。此外,停用硫化氢浓缩塔(T03)和氮气气提塔(T07)的低压氮气。其他流程同原氮气气提流程,在此不再赘述。

2 原料参数及模拟方法

2.1 原料参数

对于低温甲醇洗的低压闪蒸系统,原料为来自中压闪蒸系统的无硫富甲醇和含硫富甲醇,温度为-37℃,压力为0.82 MPa,组成如表1所示。

2.2 模拟方法

采用Aspen Plus V11.0软件对2种流程进行建模及计算,研究了不同操作参数对尾气中CO2含量、富甲醇温度、富甲醇CO2含量、CO2回收率及运行成本的影响。物性方法选择PC-SAFT状态方程[11-12]。对于低压闪蒸流程,主要的操作单元为塔器、压缩机、分离器、换热器和泵。主要操作单元模型设置如表2所示。

3 模拟计算结果与分析

3.1 氮气气提流程计算分析

氮气气提流程通过在硫化氢浓缩塔(T03)和氮气气提塔(T07)底部通入低压氮气,以进一步降低闪蒸气体中CO2分压,使CO2解吸出来。氮气气提流程的主要操作参数为硫化氢浓缩塔的操作压力和气提氮气的用量。本研究选择硫化氢浓缩塔(T03塔)的操作压力范围为0.06~0.10 MPa,气提氮气的用量范围为500~1 400 kmol/h。
首先固定气提氮气用量(按900 kmol/h),考察T03塔操作压力对尾气中CO2含量、T03中段出口富甲醇温度及T07塔底富甲醇中CO2含量的影响。由图3可以看出,在固定的气提氮气用量下,随着T03塔操作压力的降低,将有利于CO2的解吸,尾气中CO2含量逐渐增加,由于解吸过程是吸热过程,进而降低了T03中段出口的富甲醇温度(低温甲醇洗装置中的温度最低点)。同样,随着CO2更多地解吸,T07底部出口(送至热再生系统)的富甲醇中CO2含量会随之降低。
T03塔操作压力越低,则越有利于CO2的解吸,进而可降低系统的冷量消耗以及热再生系统的负荷,但由于T03塔出口尾气需经换热器复热、水洗塔水洗后高点放空,因此操作压力不能过低,基于出口放空处操作压力核算,T03的操作压力宜选取为0.07~0.08 MPa。
选定T03塔操作压力为0.08 MPa,考察气提氮流量对尾气中CO2含量、T03中段出口富甲醇温度及T07塔底富甲醇中CO2含量的影响。具体如图4所示,可以看出,在固定的T03塔操作压力下,随着气提氮流量的增加,将有利于CO2的解吸,但由于气提氮也随之进到尾气中,导致尾气中CO2含量逐渐降低,由于解吸过程是吸热过程,进而使得T03中段出口的富甲醇温度(低温甲醇洗装置中的温度最低点)逐渐降低,且T07底部出口(送至热再生系统)的富甲醇中CO2含量会随之降低。
综上分析可以看出,气提氮的用量增加同样可降低系统的冷量消耗以及热再生系统的负荷,其取值是降低低温甲醇洗装置运行能耗的关键。针对气提氮流量的选取,下面综合低温甲醇洗装置运行成本进行对比。由于低温甲醇洗的冷量由冷冻单元提供,故本运行成本对比将冷冻的运行成本也一同列入。选定T03塔操作压力为0.08 MPa,对比不同气提氮气流量下低温甲醇洗(含冷冻单元)运行成本如图5所示。可以看出随着气提氮用量的增加,对应气提氮消耗的运行成本随之增加,但由于系统冷量需求降低以及热再生系统负荷降低,导致蒸气和循环水用量降低,综合来看,气提氮气用量在900 kmol/h时,低温甲醇洗(含冷冻单元)运行成本最低。

3.2 真空解吸流程计算分析

真空解吸流程在原有流程基础上增加了真空闪蒸罐、真空解吸压缩机等配套设备,目的在于直接降低操作压力,使溶解的CO2解吸出来,在此过程中不引入气提氮气,因此可以在硫化氢浓缩塔顶部直接得到高纯度CO2气,以满足下游CO2综合利用。真空解吸流程的主要操作参数为真空闪蒸罐的操作压力。选定T03塔操作压力为0.08 MPa,真空闪蒸罐的操作压力范围为-0.07~-0.09 MPa,考察了真空闪蒸罐的操作压力对CO2回收率以及T07塔底富甲醇中CO2含量的影响,具体如图6所示。
图6可以看出,随着真空解吸的压力降低,低温甲醇洗的CO2回收率逐渐增加,当真空解吸的操作压力低于-0.086 MPa时,CO2回收率可达到97%以上。同样地,随着真空解吸的操作压力降低,T07底部出口富甲醇中CO2含量也逐渐降低。
为选取最优的真空解吸操作压力,同样对低温甲醇洗(含冷冻单元)的运行成本综合对比,如图7所示。可以看出随着真空解吸操作压力的降低,热再生系统蒸气消耗量显著减少,但真空解吸压缩机的电耗明显增加,综合来看,当真空解吸操作压力在-0.086 MPa时,低温甲醇洗(含冷冻)运行成本最低。

3.3 氮气气提流程与真空解吸流程CO2回收成本比较

采用真空解吸的目的在于提高CO2回收率,降低碳捕集成本。基于某75万t/a煤制合成氨项目,对2种流程的CO2回收情况对比如表3所示,可以看出,在原氮气气提的流程基础上改为真空解吸流程后,可大幅提高CO2回收率,且CO2产品的回收能耗由91.6元/t降至41.6元/t。

4 结论

基于Aspen Plus流程模拟软件,对75万t/a煤制合成氨规模的低温甲醇洗装置中2种低压闪蒸流程进行了模拟计算和分析,探究了主要操作参数对尾气中CO2含量、富甲醇温度、富甲醇中CO2含量、CO2回收率及运行成本的影响,并对2种流程的CO2回收成本进行了对比,得到如下主要结论。
(1)硫化氢浓缩塔的操作压力宜选择0.07~0.08 MPa,氮气气提流程中,气提氮流量宜选择900 kmol/h。
(2)真空解吸流程中,真空解吸的操作压力宜选择-0.086 MPa。
(3)为尽可能提高低温甲醇洗装置CO2回收率,可将常规氮气气提流程改造为真空解吸流程,实现CO2回收率≥97%,且能够大幅降低CO2回收的运行成本。

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