二氧化碳提纯分离过程中的能量利用研究

二氧化碳的液化过程的实质就是对二氧化碳气体同时进行加压和冷却使其迅速液化。根据二氧化碳在不同温度下具有不同饱和蒸汽压的性质, 使温度和压力其中一个指标处于一般状态下, 而来强化另一个指标, 从而实现二氧化碳的液化过程。气田二氧化碳在其提纯分离过程中, 随着压力、温度的变化, 往往会发生状态的改变, 如相态发生变化。伴随着这些状态的变化, 通常会发生一定的能量转移, 在一般情况下, 这是些能量的移入或移出都需要借助于外设备及介质才能完成, 而且这个过程都会产生新的能量消耗, 一般表现为电功耗。

1 研究内容

目前, 气田二氧化碳提纯分离生产工业级产品多采用如下工艺:来自气井的二氧化碳, 在井口经过油水分离装置进行预处理后, 大量的油水被分离。稍干净的二氧化碳通过管道输送到生产厂区进入生产装置, 经自控阀组减压至工作压力后进入蒸馏系统, 在蒸馏塔内, 高沸点的油、水进入二氧化碳再沸器, 再流入汽化, 再由汽化器将油、水进行分离。塔项馏出组分部分冷凝后产生回流, 经蒸馏工序脱去大部分油水。经过精馏处理后的产品, 经过液化冷凝后直接经过提馏分离, 将不凝性气体进行分离, 塔底组分即为工业一级产品。经过精馏处理后的产品进入吸附工序, 进行吸附分离操作。在塔内, 通常用活性炭及干燥剂来处理二氧化碳中的夹带的矿物油及少量水分。离开吸附工序的二氧化碳气体经过液化冷凝, 再进入提馏工序进行分离, 将不凝性气体进行分离, 塔底组分即为工业优级产品。吸附工序脱水去味后减压闪蒸至储罐的工作压力进入二氧化碳成品储罐, 闪蒸产生的气体靠压缩机抽回系统以维持储罐压力的稳定。

在这个过程中, 冷凝液化是二氧化碳生产的主要能耗过程, 目前我们使用氨螺杆压缩机组提供冷量, 每台氨螺杆压缩机组电机功率为250千瓦。如果在空调工况下液化二氧化碳, 平均每吨二氧化碳所需功耗98千瓦, 电耗33度。这个过程除提高制冷机的效率外, 能耗无法节省, 但是冷凝后的提馏及减压进罐过程的能量利用问题是值得思考的问题。

2 方案制定

现有的二氧化碳生产装置操作压力一般在4.2MPa~4.5MPa, 由于填料床层及设备管道阻力的影响, 在液化后, 压力较初始压力略有下降。在提馏塔中进行不凝性气体的分离, 这个过程需要顶部提供冷量以产生液体回流。

提馏工序的主要设备是提馏塔, 原料从塔中部适当位置进塔, 将塔分为两段, 上段为精馏段, 不含进料, 下段含进料板为提馏段, 冷凝器从塔顶提供液相回流, 再沸器从塔底提供气相回流。气、液相回流是精馏重要特点。在精馏段, 气相在上升的过程中, 气相轻组分不断得到精制, 在气相中不断地增浓, 在塔顶获轻组分产品。在提馏段, 其液相在下降的过程中, 其轻组分不断地提馏出来, 使重组分在液相中不断地被浓缩, 在塔底获得重组分的产品。提馏段在塔底提供汽相回流, 而精馏段在塔顶提供液相回流, 其温度梯度是从上至下逐步升高的。在塔顶, 氢、甲烷、氮、氧等轻组分不凝性气体以一定流量持续排放, 二氧化碳在塔内从上到下得到进一步提纯, 作为产品从塔釜流出。

现在我们在二氧化碳生产过程是用氨作制冷剂来产生冷量的, 由于提馏塔顶气体二氧化碳的冷却温度在零下十几度, 这种低温工况的致冷效率十分低下, 电耗也浪费严重。我们知道, 液态二氧化碳减压闪蒸后会吸收大量热量, 决定利用二氧化碳的这一特性, 在其闪蒸进成品储罐之前选取少量流股作为提馏塔顶的致冷剂。

以年产十万吨的工业二氧化碳生产装置为例, 提馏塔项出气温度约为-12℃, 产生冷凝液需要的热负荷约为140千瓦。二氧化碳生产装置具有连续性的特点, 一般是24小时不间断生产。以我公司工业优级二车间为例, 每年实际开机实际约300天, 每吨产品平均电耗46度, 每小时产量约10吨, 全年总电耗约331.2万度。如果用氨作致冷剂, 仅为提馏塔提供冷量, 毎小时电耗约为47度, 全年电耗约33.84万度, 占整个装置电耗的10.2%。

如果用二氧化碳作致冷剂, 在液体二氧化碳进入成品储罐前, 分离一部分到提馏塔顶作为冷量使用。液体二氧化碳由于闪蒸气化为气体二氧化碳, 同时吸收热量, 达到致冷效果。

根据aspen软件计算, 140千瓦热负荷需要蒸发1.87吨液体二氧化碳。也就是说在进入成品储罐的二氧化碳中分出1.87吨/小时, 闪蒸后即可达到相同的致冷量, 而不需要增加电耗成本。而且闪蒸过程属于强制行为, 与液氨缓慢蒸发吸热相比更具功率, 因此利用液态二氧化碳作为提馏塔顶的致冷介质, 既能达到良好的工艺效果, 又节省了外来功率输入。

由于原系统采用液氨与气体二氧化碳换热, 该股能量直接来源于电力驱动的氨螺杆压缩机组, 这样不仅浪费了液态二氧化碳汽化时吸热而产生的冷量, 同时也需消耗气氨进行液化的热量。实施二氧化碳冷量回收利用, 就是用闪蒸后的二氧化碳热交换的方式去气化液态的二氧化碳, 基本上不再使用液氨。同时将二氧化碳气化时的冷量回收, 减少了氨螺杆压缩机的功耗, 节约了电力。

如果对我公司全部四套二氧化碳生产装置进行改造, 只需要对现有管线进行适当调整, 即可减少电力消耗8%。按照2010年电力使用情况, 全年可节省电力消耗96万度, 折合标准煤117.984吨。

3 结语

节能减排, 实际上就是资源的合理利用, 同时少污染物排放。热能有效利用的重要内容之一是余的回收利用, 由于热量的传递是不可逆的, 它只能高温处传向低温处。根据二氧化碳生产企业自身特点, 将工艺上浪费的能量回收利用, 不仅提高能源利用效率, 还使工艺流程系统更紧凑, 降低企业消费成本。随着能源价格的上升, 该冷量回收系统的效益将进一步显现。

摘要：气田二氧化碳在其提纯分离过程中, 随着压力、温度的变化, 往往会发生状态的改变, 伴随着这些状态的变化, 通常会发生一定的能量转移, 在一般情况下, 这是些能量的移入或移出都需要借助于外设备及介质才能完成。本文通过探索提馏塔顶气体二氧化碳能量回收利用, 研究出适合目前二氧化碳提纯装置的能量利用效率最大化方案。

关键词：二氧化碳,提纯分离,能量利用