国产大化肥脱碳单元工艺特点分析

李靖贤，杨兆宏，杜玉栋

（中国石油宁夏石化公司，宁夏银川 750026）

早在2006 年中国石油集团提出要在大型氮肥装置成套技术开发方面实现突破，建设大型合成氨、尿素装置，形成自己的大型化工能力和技术。经过前期酝酿，2009 年决定，其整体的开发工作要在自主工艺技术的基础上，与国内外设计、研究单位合作开发，在宁夏石化分公司进行工业建设。

2011 年由中国寰球工程公司完成工艺包开发编制，并通过集团公司专家评审，作为宁夏45/80 大化肥项目初步设计的技术条件输入。最终形成由中国寰球工程公司在消化吸收引进装置的基础上，结合中国石油宁夏石化公司的生产运行和操作经验，自主开发的合成氨工艺技术，目前项目建设已进入竣工验收阶段。

本项目合成氨部分，以天然气为原料，转化部分采用一、二段蒸汽转化，变换部分采用高温变换和低温变换，MDEA 脱碳，设有甲烷化工序，氨合成压力为15.5 MPa，冷冻系统为两级氨冷，并设有氨和氢回收装置，脱碳技术采用节能环保改良的MDEA 脱碳工艺，其具有脱碳低能耗和高CO2回收率的优势特点。

1 MDEA 脱碳单元流程介绍

来自变换工序的变换气经再沸器（E1601），第二除盐水加热器（E1609）回收热量，温度降至70 ℃后，在变换气分离器（V1603）分离出凝液后，进入CO2吸收塔（C1601）下段，大量二氧化碳在此段被MDEA 半贫液吸收，剩余二氧化碳在上段用MDEA 贫液吸收。脱除了二氧化碳的变换气出塔前，在吸收塔的顶部，用脱碳系统冷凝下来的冷凝水洗下气流中夹带的微量MDEA 溶液。出吸收塔的净化气温度为50 ℃、CO2含量<500 g/m3。经净化气分离器（V1605）分离出水份后送到甲烷化工序。

自CO2吸收塔（C1601）下段引出的吸收了二氧化碳的富液，经水力透平（HT1603）回收能量后，降压到0.78 MPa 并送到中压解吸塔（C1603），在此解吸出的大部分H2和极少量的CO2从塔顶引出，经循环气水冷器（E1612）水冷，并经循环气分离器（V1607）分离出凝液后，用脱碳循环气压缩机（K1601）加压后，送回到CO2吸收塔（C1601）入口。

中压解吸塔（C1603）塔底溶液进一步减压且送到低压解吸塔（C1602），在0.17 MPa 下继续闪蒸、解吸出大部分CO（2系CO2产品的一部分），剩余部分CO2则由热再生塔（C1604）顶部得到。进入低压解析塔下部与本塔解吸的CO2一并送出，低压解吸塔（C1602）塔顶得到的全部CO2产品，经CO2冷凝器（E1604）冷凝后，送到CO2分离器（V1604）分离出冷凝液后，得到0.17 MPa、40 ℃、纯度约99.8 %（干基）的产品CO2送入尿素界区，多余的CO2放空。CO2分离器（V1604）分离出的冷凝液由泵P1605A/B 打到CO2吸收塔（C1601）、中压解吸塔（C1603）及低压解吸塔（C1602）塔顶，用以洗下气流中所夹带的微量MDEA 溶液。

低压解吸塔（C1602）塔底排出的液体分成两部分；一部分由半贫液泵（P1603A/B/C）加压并作为半贫液送到CO2吸收塔（C1601）下段顶部作吸收溶液，另一部分由热再生塔给料泵（P1602A/B）经贫液/半贫液换热器（E1608）加热到102 ℃后送热再生塔（C1604）顶部再生。

图1 国产化天然气蒸汽转化制氨流程脱碳单元流程简图

在热再生塔（C1604）塔底，由再沸器（E1601）提供热源，将溶液中的CO2解吸并从塔顶逸出，被送到低压解吸塔（C1602），得到最后部分的CO2产品。再生后的贫液从塔底排出并送到贫液/半贫液换热器（E1608A/B）与进料半贫液换热后，经第一除盐水加热器（E1611）、贫液冷却器（E1603）冷却，冷却后的50 ℃贫液经贫液泵（P1604A/B） 加压送到CO2吸收塔（C1601）上段顶部作吸收溶液，具体流程（见图1）。

为防止 MDEA 溶液发泡，将由除泡剂系统（U1601），按需间断加入除泡剂。

2 脱碳单元工艺特点

（1）MDEA 脱碳工艺是目前国内最先进的脱碳工艺，相对于目前普遍使用的低温甲醇洗工艺，苯菲尔热碳酸钾工艺，具有流程短，操作简单，安全、高效的特点。

（2）本装置充分借鉴了中石油塔里木大化肥脱碳工艺（以下简称塔石化），该工艺是中国目前在运的技术最先进的大化肥装置之一，再此基础上寰球公司进行改良，形成更为优化的工艺布局，使其操作弹性更大，取得脱碳低能耗和高CO2回收率的良好效果。

（3）为回收能量，三台半贫液泵（P1603）其中一台是由水力透平（HT1603）驱动，一台由电机驱动，一台由中压蒸汽透平驱动，充分考虑了最大限度转化自身压力能为动力能，平衡全厂蒸汽，节约能耗。

（4）与较高的一段转化炉压力（出口为4.05 MPa）流程相对接，脱碳单元吸收压力相对同类装置较高，吸收能力较好，对塔顶微量控制较好。

（5）主流程大型离心泵（P1603、P1602、P1604）出口采用自动循环阀控制最小流量，在泵出口阀流量正常后，最小回流自动关闭，出口流量低于最小流量时，最小回流阀自动打开，即保证了大型离心泵的运行安全，又达到了节约动力消耗的目的。

（6）主流程大型离心泵（P1603、P1602、P1604）出口切断阀采用动力控制，远程操作，保证了操作人员的安全，节约了人力成本。

（7）塔顶设计少量塔板（C1601 塔顶三块，C1603塔顶三块，C1602 塔顶两块），用CO2产品气分离液进行工艺气的最终洗涤，最大限度保证了MDEA 溶液的消耗，获得了较低的MDEA 溶液年损耗率（低于设计年损耗率5 %）。

3 与同类装置比较优势

（1）与本公司化肥二厂相比较，采用了较高的吸收压力，吸收能力增加，动力回收增加，工艺气进入脱碳单元吸收塔的设计压力3.767 MPa，与塔石化一致（设计压力3.782 MPa），高于本公司化肥二厂进脱碳单元工艺气压力1.04 MPa（二厂设计压力2.72 MPa），较高的吸收压力，保证吸收塔顶部净化气微量可以控制在较低的水平。

目前塔石化脱碳单元产品CO2中H2含量为0.19 %，净化合成气中CO2含量为0.04 %，均控制在设计指标之内。本装置与本公司化肥二厂相比，脱碳单元由于吸收压力较高，将会获得更低的循环量，更低的微量，水利透平获得更多的动力能，更有利于装置节能。

（2）与塔石化相比热量平衡方面操作弹性加大，脱碳单元相对于塔石化，增加了一台低压蒸汽加热器（E1621）,一台水冷器（E1622）作为辅助调节手段，使整个操作单元的开车时间缩短（开车导气热量平衡时间短），在正常操作，异常工况处理中，冷量平衡有较大的操作弹性，更有利于装置的稳定、长周期运行。

（3）与本公司化肥二厂相比较工艺流程更合理，与本公司化肥二厂相比较，化肥二厂合成氨脱碳单元采取双塔流程，CO2吸收为一塔，脱碳液解析和再生集成为一塔，采用脱碳液全循环、再生流程，MDEA 贫液循环量在800 t/h。

本装置与塔石化一样，采用四塔流程，增加了氢气闪蒸塔（C1603），氢损耗减少，解析塔与再生塔独立设置，操作条件较好，采用脱碳液大流量内循环（解析塔出来2 200 t/h 半贫液直接进入吸收塔中部作主吸收液，吸收的CO2占进塔CO2总量的67 %），小流量循环再生流程（解析塔出来440 t/h 贫液经过再生、降温后进入吸收塔顶部作精吸收液，吸收的CO2占进塔CO2总量的33 %），合理的流程布局更加适应大化肥高负荷运行要求，降低再生系统设备制造难度和再生能耗，解析塔设置到闪蒸塔顶部，增加液位高度，充分利用系统压力能，达到节能目标。

（4）与本公司化肥二厂同类装置指标控制相比较更加节能（见表1）。

从表1 中可知，单从设计方面计算国产化装置比化肥二厂合成气中CO2微量降低0.04 %在后续的甲烷化中节约的氢气为316.15 m3/h。

197 599 m3/h×0.04 %×4=316.15 m3/h

每年因此而节约的氨产量为1 251 t 氨。

316.15 m3/h×24 h/d×330 d/2 000 m3/t 氨=1 251 t氨

（一分子的CO2甲烷化消耗4 分子的H2，未计算甲烷作为惰性气在合成氨回路中排放驰放气所损失的氢氮气）。

从表1 中可知，单从设计方面计算国产化装置比化肥二厂CO2产品中H2含量降低了0.56 %，由此而节约的氢气为246.4 m3/h。

44 000 m3/h ×0.56 %=246.4 m3/h

每年因此而节约的氨产量为975 t 氨。

246.4 m3/h×24 h/d×330 d/2 000 m3/t 氨=975 t 氨

由此可见相对于化肥二厂，国产化装置同等负荷下每年可多产2 226 t 氨。

表1 国产化装置与化肥二厂装置指标控制参数

1 251 t 氨＋975 t 氨=2 226 t 氨

由于吸收压力较高，操作弹性较大，相对于塔石化也有更好的微量控制优势，节能效益显著。

（5）设备采购全部国产化，极大节约建造成本，随着国内装备制造水平提高，绝大多数设备已经可以进行国内生产制造。本装置主要设备绝大多数实现国产化，是国内第一家从工艺设计到设备制造国产化率最高的大化肥装置，国产化率达到90 %以上，其中脱碳单元设备全部国产化，极大的节约了制造、运输成本。

4 结语

以塔石化装置的实际运行情况作为借鉴，随着本装置的成功投产，势必会创造更大优势的低能耗大化肥产业。随着脱碳工艺技术的广泛应用，及国内工艺技术的极大进步，在借鉴与整合的基础上，国内设计出更加优化的工艺包，领先国外技术会越来越成为可能。本装置脱碳工艺的设计比同类装置的设计更有优势，已经证明了这种可能性，相信在不远的将来，从设计到制造的100 %国产化大化肥装置必将成功，走出国门。

［1］ 中石油宁夏石化公司. 中石油宁夏石化公司45/80 大化肥合成氨装置工艺设计［G］.2009.

［2］ 中国石油塔里木大化肥装置脱碳单元物料平衡、流程图［G］.

［3］ 中石油宁夏石化公司化肥二厂，物料平衡、流程图［G］.