液力透平泵在低温甲醇洗工段的应用

Application of Hydraulic Turbine Pump in Low Temperature Methanol Washing Section

杨磊 Lei YANG , 吴胜军 Shengjun WU , 李丑平 Chouping LI

航天长征化学工程股份有限公司兰州分公司甘肃兰州 730010 Changzheng Engineering Co., Ltd. Lanzhou Branch, Lanzhou 730010, China

摘要：

低温甲醇洗工艺在低温、高压下吸收CO₂、H₂S等酸性气体，而吸收CO₂和H₂S的富甲醇溶液经减压阀降至较低压力后进入再生系统，造成高压富液压力能的损失。采用液力透平泵，将压力能通过液力透平叶轮转换为机械能带动甲醇循环泵做功，不仅可降低电耗，而且实现了系统余能的回收。以600 kt/a合成氨装置为例，年可节电2.25×10⁶ kW，节省电费约124万元，经济效益显著。

关键词：

低温甲醇洗; 液力透平; 节能;

Abstract：

Low temperature methanol washing process absorbs acidic gases such as CO₂ and H₂S under low temperature and high pressure, while rich methanol solution goes into the regeneration system after absorbing CO₂ and H₂S and dropping to a lower pressure through the pressure reducing valve, which results in the pressure energy loss of high-pressure rich methanol solution. By adopting hydraulic turbine pump, pressure energy can be converted into mechanical energy to drive the work of methanol circulating pump through hydraulic turbine impeller, which can not only reduce the power consumption, but also realize residual energy recovery of system. Taking 600 kt/a ammonia plant as an example, annual power saving is 2.25×10⁶ kW, and electricity saving is about 1.24 million yuan, with remarkable economic benefits.

Keyword：

low temperature methanol washing; hydraulic turbine; energy saving;

液力透平是一种能量回收设备，主要利用废热、废气、余压等资源，将这部分压力能转化为机械能，辅助电机做功，从而节省电能^[1]。目前，国内外大型煤基合成氨、合成甲醇等项目的变换气净化工段广泛采用低温甲醇洗工艺^[2]，其特点是循环甲醇在高压下吸收H₂S和CO₂气体，在低压下解吸H₂S和CO₂气体，造成高压富液压力能的损失。采用液力透平泵，可以对工艺系统的余压进行有效回收，不仅节约能源，而且可为企业创造巨大的经济效益，应用前景十分广阔。

1 低温甲醇洗工艺流程

1.1 工艺流程简介

如图 1所示，变换气(40 ℃、3.1 MPa)经一系列换热器降温并分离水分后进入H₂S吸收塔(T-01)，变换气中全部H₂S和部分CO₂被来自CO₂吸收塔(T-02)的富CO₂甲醇液洗涤吸收，脱除H₂S以后的变换气进入T-02，在贫甲醇(-53 ℃、3.2 MPa)洗涤吸收下脱除所有的CO₂，脱除CO₂的净化气由T-02塔顶引出送后工段。

图 1

低温甲醇洗工艺流程

从T-01塔底出来的吸收了H₂S和CO₂的含硫甲醇富液经阀(V-01)减压至1.0 MPa后在中压闪蒸塔(T-03)下部闪蒸出溶解的H₂及少量CO₂等气体，从T-02塔底出来的富CO₂甲醇溶液经阀(V-02)减压至1.0 MPa后在T-03上部闪蒸出溶解的H₂及少量CO₂等气体，闪蒸气经压缩后送入原料气中回收有效成分。从T-03下部出来的富甲醇溶液送入CO₂汽提/解吸塔(T-04)，富甲醇溶液在T-04上段闪蒸出大部分溶解的CO₂，塔底得到的CO₂含量和温度均较低的富H₂S甲醇溶液经循环泵(P-01)加压至1.8 MPa后送热再生塔(T-05)。在T-05塔顶得到的H₂S含量较高的酸性气送往后工段，再生的贫甲醇经贫甲醇泵(P-02)加压至5.3 MPa后送T-02循环使用，塔底含水甲醇废液经处理达标后排出系统。

1.2 工艺流程改进

脱硫、脱碳工段是合成氨生产装置的主要组成部分之一，对整个合成氨装置的经济性有极其重要的影响^[3]。由于脱硫和脱碳吸收塔通常在低温、高压(-50 ℃、3.1 MPa)下操作，而吸收后含有CO₂和H₂S的富甲醇溶液经减压阀降压至1.0 MPa后进入再生系统，造成了高压富液压力能的损失，故采用液力透平驱动泵回收系统中稳定的压力能带动甲醇循环泵做功，从而降低电耗，实现系统余能的回收利用。

改造以后的工艺流程如图 2所示。从T-01塔底出来的富H₂S甲醇溶液通过液力透平泵，将压力由3.0 MPa降至1.0 MPa后去T-03的下塔，这部分富余的压力能辅助P-01电机做功，实现能量回收。同样，从T-02塔底出来的富CO₂甲醇溶液通过液力透平泵，将压力由2.9 MPa下降至1.0 MPa后去T-03的上塔闪蒸，这部分富余的压力能辅助P-02电机做功，实现能量回收。

图 2

改造后低温甲醇洗工艺流程

2 液力透平驱动方式及性能参数

2.1 液力透平的结构和工作原理

液力透平是将液相流体中富余的能量转换成机械能的动设备^[4]，由转子、定子、轴承体等部件组成。转子即叶轮，是液力透平最主要的部件之一，安装于透平轴上，设有沿圆周均匀排列的叶片。高压液体通过叶轮时，流体冲击叶片推动叶轮转动，从而驱动透平轴旋转，透平轴直接或经传动机构带动其他机械输出机械功。定子部件包括透平体和透平盖，透平盖安装在透平体的两侧，透平体顶部为高压液体吸入口和低压液体排出口。轴承体部件由滚动轴承甲部件及滚动轴承乙部件两部分构成，安装在透平体的两端，用螺柱固定在托架上。液力透平通过高压液体驱动叶轮旋转，在高压液体转变为低压液体的过程中实现余能的回收利用，具有能量回收率高、结构科学合理、制造成本低、性能稳定和节能效果显著的特点。

2.2 液力透平驱动方式

目前，国内化肥企业采用液力透平驱动泵做功主要有如下2种配置方式^[5]。

2.2.1 甲醇输送泵+电机+超速离合器+液力透平

当液力透平输出的功率不能完全达到甲醇输送泵的功率时，常采用液力透平辅助电机做功的结构形式，如图 3所示。此种配置方式对甲醇输送泵和液力透平的水力特性(扬程-流量特性曲线和轴功率-流量特性曲线)要求不高，电机与液力透平之间安装超越离合器，即使在没有足够能量驱动液力透平的情况下，也能保证泵和辅助驱动装置的稳定操作；同时，可使液力透平的维修不影响泵的运转。总之，超越离合器的应用使液力透平的操作具有极大的灵活性^[6]。

图 3

液力透平辅助电机做功结构形式

2.2.2 甲醇输送泵+液力透平

如图 4所示，甲醇输送泵和液力透平仅通过联轴器直联，中间不设辅助电机。此种配置方式要求甲醇输送泵和液力透平的水力特性(扬程-流量特性曲线和轴功率-流量特性曲线)必须匹配良好，否则机组不能安全稳定运行。由于技术原因，目前国内液力透平制造企业还不能实现直联方式，所以采用直联机组的大中型化肥企业全部选用进口产品。此种配置方式虽然价格昂贵，但能量回收效率高，且机组可靠性好，能保证至少连续运行1年。

图 4

液力透平直接驱动结构形式

2.3 性能参数

以600 kt/a合成氨项目中的贫甲醇泵为例，贫甲醇泵与液力透平操作参数如表 1所示。

表 1

贫甲醇泵与液力透平操作参数

项目	贫甲醇泵	液力透平
输送介质	贫甲醇	富CO₂甲醇
入口压力/MPa	0.46	2.94
出口压力/MPa	5.1	1.0
压差/MPa	4.64	1.94
流量/(m³·h^-1)	500	485
效率/%	75	75
轴功率/kW	1 000	191(回收)

由于低温甲醇洗工段富甲醇溶液经液力透平回收的功率较低，如贫甲醇泵液力透平回收的功率仅191 kW，不能满足贫甲醇泵所需的功率(1 000 kW)，所以采用电机+液力透平的驱动方式，液力透平辅助电机做功以回收富余压力能。

3 节能分析

同样以600 kt/a合成氨项目为例，如表 2所示，采用液力透平辅助电机做功，按省功19%^[7]、年操作时间7 920 h/、电价0.55元/(kW·h)计，P-01通过液力透平每年回收功率7.5×10⁵ kW，P-02通过液力透平每年回收功率1.5×10⁶ kW，年节省电费124万元。

表 2

液力透平功率回收参数

项目	P-02	P-01
输送介质	贫甲醇	富H₂S甲醇
流量/(m³·h^-1)	500	500
功率/kW	1 000	500
透平回收功率/kW	190	95
年回收功率/kW	1.5×10⁶	7.5×10⁵

4 结语

液力透平泵应用于低温甲醇洗工段，实现工艺系统余压的有效回收利用，不仅节约能源，而且可降低企业运行成本。对于600 kt/a合成氨项目，年节电2.25×10⁶ kW，年节省电费124万元左右，经济效益十分显著，应用前景广阔。

ckwx 参考文献

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