浅谈低温甲醇洗装置设备布置

曹运长 陈 虎

中国五环工程有限公司 武汉 420223

低温甲醇洗装置作为煤化工项目中净化工艺的核心组成，接收上游来的变换气，为下游提供洁净的净化气。通过调整甲醇循环量和温度逐步除去变换气中的CO2、H2S、COS等有害杂质气，在整个系统中起着至关重要的作用。由于该装置建设费用在整个项目中占有较大比重，其布置方案是否经济合理正受到越来越多业主和设计单位的重视。随着煤化工技术水平的提升和工艺流程的优化，低温甲醇洗工序设备布置也在逐步调整。笔者通过对多个大型煤化工项目低温甲醇洗装置对比分析发现，合理的设备布置不仅可以节省占地，还可以减少投资，大幅提升经济效益。

1 低温甲醇洗装置工艺特点

低温甲醇洗技术本质上是以甲醇为气体吸收溶剂，利用不同温度情况下不同气体在冷甲醇溶液中的溶解度差异来分离出不同组分的气体，气体的脱硫和脱碳可在同一个吸收塔内分段、选择性地进行，从而得到净化气、回收杂质气、排放无用气。其中甲醇循环贯穿整个工艺过程，最开始变换气在吸收塔中通过低温贫甲醇吸收其中的酸性气体(主要为CO2、H2S)，得到净化原料气，送至下游工序，贫甲醇变为富甲醇；富甲醇进而通过闪蒸、解析将其中的酸性气体(主要CO2)分离出来按照实际需求进行利用或排放；最后通过甲醇热再生、甲醇/水分离系统将甲醇中的酸性气体(主要为H2S)进行浓缩、回收送往硫回收装置回收利用，富甲醇则再生为贫甲醇进入系统循环利用。这样既提纯了原料气，又使无用废气产生了经济效益，保护了环境，一举两得。

2 影响布置的关键因素

低温甲醇洗装置作为提纯气体的关键工序，在煤化工行业中运用非常广泛。常见的低温甲醇洗工艺专利商有三个：德国林德、鲁奇工艺和国内大连理工工艺。不同专利各有特点，需结合每个项目的造气工艺来进行选择。本文以国内应用最为广泛的大连理工专利技术为例，对影响设备布置的关键因素进行分析。

2.1 排放气处理

在富甲醇解析、闪蒸过程中，会产生大量无用气(主要为CO2)，这部分气体最常见的处理方法就是通过管线引至吸收塔顶部进行高点排放。由于排放气体量很大，排放管线管径有时达到DN2000以上，如布置不当，会对整个低温甲醇洗装置设备布置产生较大影响。鉴于此种情况并结合工艺流程，可将尾气洗涤塔和吸收塔就近布置，避免管线穿行距离过长，占用过多框架空间而影响设备布置。但要考虑整个厂区的布置情况，气体排放点不能距离空分装置过近，否则排放气中大量CO2的会影响空分装置气体吸入口附近的空气组分，影响空分系统的安全运行。如厂区空间受限，低温甲醇洗装置与空分装置距离过近无法避免，可将该排放管线引至其它安全地方高点放空，但在装置和外管廊上需预留管线穿行空间。

2.2 泵的布置

泵作为低温甲醇洗装置甲醇循环的动力输送设备，对整个装置正常运行起着重要的作用。为便于操作和检修，一般会将工艺泵进行集中布置，结合南北方气候差异，可以进行适当调整。北方气温较低，宜布置在封闭的厂房内，避免泵体公用管线结冻影响泵的正常运行；在南方地区，则可取消厂房封闭，为提升厂房空间利用率，将部分泵移至厂房外集中布置，在一定程度上可以缩短泵房长度甚至取消泵房，减少装置占地。例如低温甲醇洗区域的多级贫甲醇泵，因其外形尺寸大，布置在泵房内会造成空间和占地的大幅增加，在条件允许的情况下可将其尽量布置在室外，不仅利于泵本身的检修，也可减少泵房的占地空间。

2.3 甲醇罐区设备的布置

甲醇罐区设备包括甲醇储罐及卸车用的卸车鹤管。甲醇储罐为整个低温甲醇洗装置提供和补充循环甲醇，当装置停车时，管线中残留的甲醇通过泵回到甲醇储罐。甲醇属于甲B类液体，按照《石油化工企业设计防火标准》GB50160，储罐布置有着严格的要求，与之配套的卸车鹤管和甲醇储罐及工艺装置之间也有着严格的距离要求。现阶段常用的布置方案有两种：一是将甲醇储罐布置在装置或者工序的角落，卸车鹤管靠近马路布置，便于甲醇卸车以及消防管线布置；二是在规范允许的情况下将甲醇罐区及卸车鹤管与厂区储罐布置在一起，不仅可以大幅减少低温甲醇洗装置占地，也可以集中考虑消防。在新建项目中，大多数业主偏向于第二种布置方案。

2.4 塔的布置

塔是低温甲醇洗装置最核心的设备，其布置合适与否直接影响到装置的占地大小、管线材料的费用多少，以及装置运行是否稳定等。按照工艺流程，吸收塔作为净化装置的关键设备，布置应距上下游装置较近；CO2解析塔、H2S浓缩塔及N2气提塔之间存在相互关联的管线，应集中布置；热再生塔和甲醇/水分离塔回收甲醇和H2S气体，与工序内其它设备关联不是很强，可以单独进行布置。结合布置特点，塔可以围绕框架进行布置，其优点是：① 可避免分散布置带来的占地增加；② 可以直接与框架中管线进行连接，减少管线穿行长度；③ 可就近将泵布置在框架内，最大程度利用框架空间。同时，在塔的周围应该预留足够的空间，以便吊装和检修塔内件。

低温甲醇洗装置塔的数量与所需回收的成品气组分息息相关，设计者可以依据工艺流程和项目要求优化塔布置，提升设计质量。

2.5 循环气压缩机布置

循环气压缩机的主要作用是回收装置运行过程中富甲醇产生的有效闪蒸气(主要成分为H2)以提升气体利用率，减少环境污染，降低能耗。循环气的火灾危险性属于甲类，按照规范要求，与工艺设备和装置间的距离有着严格的要求。以往项目都是将该单元进行单独布置以满足规范要求，增加了装置占地。其实，在满足要求的情况下，可将循环气压缩机与厂区其它压缩机布置在联合压缩厂房内，做到集中布置、集中检修、集中管理。

2.6 框架结构形式对布置的影响

在设计之初就要明确框架结构形式，例如：钢结构、混凝土及钢混结构等，结合装置结构特点选择合适的楼层标高。避免因标高选择不合适带来的设计变更。

2.7 对布置有影响的其它关键因素

除设备本身影响外，还有很多因素对低温甲醇洗装置布置产生重要影响。

(1)压力降的影响。为保证甲醇循环顺利进行，部分上塔管线有阻力降要求，在布置时应该考虑换热器和塔之间的高差和间距，提升洗涤效果；

(2)两相流的影响。甲醇通过闪蒸之后上塔时极易形成两相流，造成管线振动，布置时应尽量将闪蒸罐或闪蒸塔靠近下游解析塔的布置，避免管线过长、阻力降过大形成大量气液夹带。

(3)有工艺标高要求设备的影响。低温甲醇洗区域酸性气体(H2S)回收部分的换热器和分离罐为满足自流要求，均有标高要求，这一部分在设备布置时应予以考虑。

(4)上下游装置的影响。低温甲醇洗装置布置应该结合厂区其它装置位置进行调整，保证送出气体位置与接收气体装置距离最短。

(5)绕管式换热器布置的影响。绕管式换热器是一种结构紧凑的高效换热设备，其结构形式不同于传统的管壳式换热器， 具有管束补偿性好、管内的操作压力高、可同时实现多股流的热交换等优点，近年来已被广泛应用于低温甲醇洗装置。绕管式换热器一般立式布置在框架上，它的大量使用，可减少换热器设备台数、节省装置占地空间、使布置更加紧凑和美观，但会在一定程度上增加框架高度。

3 低温甲醇洗装置布置实例

设备布置是一个不断优化的过程，受厂区占地、气候条件、检修等多种因素影响；同时也要兼顾上下游工序的布置，既要布置合理，也要减少费用，实现占地最省和经济最优化。按照工艺流程，通常将低温甲醇洗主装置划分为热区和冷区。其中，冷区包括吸收塔、中压闪蒸塔(或闪蒸罐)、CO2产品塔、硫化氢浓缩塔等以及对应的换热器、分离器等；热区包括热再生塔、甲醇/水分离塔和尾气洗涤塔等及对应的换热器和分离器等。循环气压缩机和甲醇罐区可结合厂区实际情况和业主要求进行布置，对典型布置不单独进行阐述。

(1)方案一。低温甲醇洗装置工艺泵进行集中布置，其它工艺设备、塔等布置在泵房两侧，详见图1。

图1 国内某北方项目设备布置示意图

该布置便于对泵进行检修、操作，将泵上方作为装置内管线穿行的管廊，利于管线穿行。按照工艺流程依次布置了三个框架，减少单个框架的高度。但是总的布置比较分散，框架占地面积较大，可能会使整个装置面积超过10000 m3，给消防设置带来一定难度；同时，泵房长度较长，会增加框架间管线穿行长度。该布置适用于厂区空间比较充足，且设备集中布置时造成框架高度过高而引起消防等级增加的情况。

(2)方案二。按照冷热区将设备分开集中布置，分为两个框架，详见图2。

图2 国内某南方项目设备布置示意图

该布置按照冷热区分开布置，将整个低温甲醇洗框架分为两个框架。塔布置在框架侧面，与塔及工艺设备相关联的泵布置在各自框架一层，外形尺寸较大的贫甲醇泵则布置在室外。该布置可节省装置占地，提升框架利用率，框架内设备集中布置，减少框架间管线穿行长度；但是会增加框架高度，管线穿行需通过装置外管廊，会增加外管廊布置难度。该布置适用于厂区空间受限或框架部分布置时造成装置总面积大于10000 m3的情况。

通过对比分析，方案一布置占地面积较大，管线长度较长，但减少了框架高度，降低了设备集中布置造成的框架过高、梁柱过大等带来的土建成本；方案二布置较为集中、占地面积小，节省管线和占地成本，但会增加土建费用。因此，两种布置方案各有利弊，布置时可结合现场实际情况和业主意见进行综合考虑，通过优化设备布置提升设计能力，达到最优的性价比。

4 低温甲醇洗布置的优化

结合设备布置的基本原则，在后续布置时可以从以下三点进行优化考虑：

(1)力争布局紧凑，减少占地。未来煤化工装置规模必然越来越大，如何在有限的空间内使工序布置更为紧凑、合理，是广大设计工作者必须不断探索和努力的方向。首先，减少工序占地可以提升土地利用率，缩减征地成本；其次，设备集中布置便于集中操作检修，在一定程度上缩短管线长度；再者，按照标准规范，可以避免占地面积过大带来的消防问题。这是今后低温甲醇洗装置布置乃至所有装置布置的一个发展趋势。

(2)适当预留改造空间，提升排放气利用率，节能减排。在低温甲醇洗工序，部分CO2含量较高的气体会通过管线直接排掉，造成资源浪费并产生环境污染。如可能，在布置时应预留CO2气体回收利用的空间，例如：增加后送煤气化作为粉煤输送气体，可大幅减少氮气消耗，降低空分装置负荷，起到节省能耗的作用。这需要在设计之初与工艺专业和业主进行确认，在最大程度上提升资源利用率。

(3)优化框架结构布置，提升框架空间利用率。布置时结合框架设备大小及实际布置特点，选择合适的跨距；对于有工艺标高要求的设备，适当进行错层布置；对于设备管线不集中区域，可直接掏空等，通过调整布置，减少土建费用。

5 结语

目前，低温甲醇洗技术广泛运用于煤制甲醇、煤制合成氨、煤制天然气、煤制油、煤制乙二醇、草酸醋等化工项目，使用前景可期[1]。其布置受到多方面因素的影响，包括：气候、占地、工艺流程、总图布置、业主要求等。作为设计者，应进行综合性考虑，不断优化，力争做到经济合理、检修方便、布置美观。只有这样，才能让布置方案更合理，更加适应现代煤化工发展的需要，提高自身能力和企业竞争力。