节能型湿法气体净化工艺.pdf

一种节能型湿法气体净化工艺，原料气自吸收塔底部进入，在吸收塔内与从顶部进入的贫液逆流接触，气体中的酸性组分被脱出后由吸收塔顶部排出，其特征在于，贫液在吸收塔内吸收酸性组分后变成高压富液自吸收塔底部排出，经阀门28、29、30又进入循环往复泵中，回收能量后，进入解析再生塔进行再生处理，在解析再生塔中再生的贫液进入供料泵加压后再进入循环往复泵，低压贫液经循环往复泵加压后和小流量高压溶液泵泵出的高压贫液共同进入吸收塔的顶部，如此循环工作。在节能型湿法气体净化工艺中，高压富液压力能直接转变成低压贫液压力能，能量的转换效率高，循环溶液泵的电耗小，可供各行业应用。

1.  一种节能型湿法气体净化工艺，原料气(1)自吸收塔(5)底部进入，在吸收塔内与从顶部进入的贫液逆流接触，气体中的酸性组分被脱出后由吸收塔顶部排出，其特征在于，贫液在吸收塔(5)内吸收酸性组分后变成高压富液自吸收塔(5)底部(4)排出，经阀门(28)、(29)、(30)又进入循环往复泵(32)中，回收能量后，进入解析再生塔(15)进行再生处理，在解析再生塔(15)中再生的贫液进入供料泵(33)加压后再进入循环往复泵(32)，低压贫液经循环往复泵(32)加压后和小流量高压溶液泵(50)泵出的高压贫液共同进入吸收塔(5)的顶部，如此循环工作。

2.  根据权利要求1所述的节能型湿法气体净化工艺，其特征在于，小流量高压溶液泵(50)并联设有一台全流量高压溶液泵(17)，循环往复泵(32)加上小流量高压溶液泵(50)与全流量高压溶液泵(17)是互为备机的，可以做到开一备一。

3.  根据权利要求2所述的节能型湿法气体净化工艺，其特征在于，为了调整吸收塔的液位稳定，在吸收塔出液口设置三个高压富液调节回路，分别是调节阀(8)、(10)和(29)，调节阀(8)的流量只有总流量的3-10％，直接去减压再生，而调节阀(10)和(29)的流量占总流量的90-97％，这样保证回收的富液能量最大化同时保证了吸收塔液位的稳定，循环往复泵(32)和小流量溶液泵(50)配套工作时，调节阀(8)回路和调节阀(10)回路工作，调节阀(29)回路关闭，全流量高压溶液泵(17)工作，循环往复泵(32)停止工作时，调节阀(8)回路和调节阀(29)回路工作，调节阀(10)回路关闭。

4.  根据权利要求3所述的节能型湿法气体净化工艺，其特征在于，系统中设有两套循环往复泵(32)，两套循环往复泵供料泵(33)和两套小流量高压溶液泵(50)，工艺布置中，循环往复泵(32)、供料泵(33)和高压小流量溶液泵(50)均可以做到一开一备，在每一台供料泵(33)的出口管路中设置阀门(34)、(44)和(45)，可分别为两台循环往复泵(32)供贫液，避免了因供料泵(33)故障或检修保养而影响整个脱酸系统停车。

5.  根据权利要求1、2、3或4所述的节能型湿法气体净化工艺，其特征在于，循环往复泵(32)主要组成分为四部分：其一，2位5通换向阀(37)，包括换向阀阀体(51)，换向阀阀芯(49)在换向阀阀体(51)内部可以往复运动，有两个位置，分别为I位和II位；其二，两个液缸，液缸(35)和液缸(36)分别与阀体(51)上两个出液口相连，液缸内分别设有活塞；其三，在两个液缸的另一出液口管路上设有止回阀(38)、(39)、(40)、(41)；其四，为辅助电气仪表控制单元，电气仪表控制单元的主要作用是液缸(35)或(36)行至上死点时控制2位5通换向阀(37)的阀芯(49)在I位、II位之间切换。

6.  根据权利要求5所述的节能型湿法气体净化工艺，其特征在于，来自吸收塔底部液相出口(4)的高压富液经阀门(28)、(29)、(30)进入换向阀(37)，再进入液缸(35)的无杆腔推动液缸活塞上行，把液缸(35)有杆腔的贫液增压后经止回阀(40)排出，通过止回阀(43)泵入到吸收塔(5)的顶部高压贫液入口(3)，与此同时循环往复泵供料泵(33)把贫液增压后经止回阀(39)进入液缸(36)的有杆腔，推动液缸(36)的活塞下行，把液缸(36)下腔的低压富液经2位5通换向阀(37)排出到闪蒸罐(13)或解析再生塔(15)去再生，液缸(35)的活塞上行至上死点触发电气仪表控制单元控制2位5通换向阀(37)的阀芯(49)左移到II工位状态工作。

7.  根据权利要求5所述的节能型湿法气体净化工艺，其特征在于，从吸收塔(5)底部流出的高压富液(4)通过2位5通换向阀(37)进入到液缸(36)的无杆腔推动液缸(36)的活塞上行，把液缸(36)有杆腔的贫液增压后经止同阀(41)排出，通过止回阀(43)泵入到吸收塔(5)的顶部，与此同时循环往复泵供料泵(33)把贫液增压后经止回阀(38)进入液缸(35)的有杆腔，推动液缸(35)的活塞下行，把液缸(35)下腔的低压富液经2位5通换向阀(37)排出到闪蒸罐(13)或解析再生塔(15)去再生，液缸(36)的活塞上行至上死点触发电气仪表控制单元控制2位5通换向阀(37)的阀芯(49)右移到I工位状态工作，这样液缸(35)、(36)不间断地交替补入贫液，排出高压贫液到吸收塔(5)顶部。

节能型湿法气体净化工艺
技术领域
本发明涉及一种节能型湿法气体净化工艺，主要应用于天然气、炼油厂循环氢气、煤层气、煤气化后各种原料气等气体用溶液作吸收剂脱酸的净化工艺流程。
背景技术
从气井井口采出的天然气和从矿场采出的煤层气中往往含有一些酸性组分，最常见的是H₂S和CO₂等。在大型炼油厂，尤其是加工高含硫原油的炼油厂，一般都配有加氢裂化、VGO及渣油加氢脱硫、煤柴汽油加氢精制循环氢气脱硫单元。在现代煤化工工业，无论是以煤为原料制合成氨、制甲醇、二甲醚、还是煤制油、烯烃，首先要把煤气化转变成各种原料气，原料气中一般含有酸性组分SO₂、H₂S、CO₂。把这些气体中的酸性组分脱除，一方面是后序工艺的需求，另一方面对保护环境也非常有益。国内外报道过的脱酸方法有近百种，其中采用溶液作吸收介质的方法成为湿法，应用比较普遍。湿法气体净化工艺常用的溶液有：MDEA(甲基二乙醇胺)、低温甲醇液、热钾碱溶液，碳酸丙烯脂、NHD等各种碱性溶液。
图1为湿法气体净化工艺流程图。湿法气体净化过程一般在吸收塔5内完成，被净化气体1由塔底部进入，净化后的气体2由顶部排出，高压贫溶液由顶部3进入吸收塔，吸收酸性组分后的高压富溶液由塔底部4排出。吸收塔一般在较高压力下操作，吸收酸性组分的富溶液则在低压下解析再生，因此需要用循环泵16、17把贫溶液连续不断地泵入吸收塔5顶部，循环泵流量和压力均较大，驱动循环泵工作的电机能耗较高，电能消耗高成为湿法气体净化工艺的主要缺点之一。与此同时，吸收塔底部4所排出的富液压力几乎与吸收塔贫液入口3压力一致，流量基本相当，因此含有大量的压力能。如果把富液的压力能进行科学合理地回收利用，则湿法净化工艺的电能消耗理论上可以降低90％以上。
目前，湿法气体净化工艺富液压力能一般采用水力透平进行能量回收，水力透平把富液的压力能转变成传动轴的转动机械能，可以驱动发电机发电再转变成电能，也可以驱动溶液泵再转换成贫溶液压力能。国内外应用于湿法气体净化工艺富液压力能量回收常见的方法有以下三种，如图2、图3、图4所示。
图2为带水力透平直接驱动溶液泵的工艺流程示意图，水力透平25把高压富液压力能转变成泵轴的旋转机械能，泵轴直接驱动溶液泵16再把机械能转变成贫液的压力能，贫液泵16的压力能不足以把低压贫液泵入吸收塔，需要再串联一台电动溶液泵接力完成贫液循环加压，但是电动溶液泵的电能消耗降低，从而达到节能目的。在图2所示工艺中，高压富液与低压贫液之间的能量转换效率一般不高于65％。
图3为带水力透平辅助电机驱动溶液泵的工艺流程示意图，电机26作为第一驱动，水力透平25作为辅助第二驱动，水力透平25把高压富液压力能转变成泵轴的旋转机械能，通过单向离合器、电机轴联轴器和泵轴间接驱动溶液泵16，再把机械能转变成贫液的压力能，贫液泵16的轴功率不足部分由电机26输出，但是电机电能消耗降低，从而达到节能目的。在图3所示工艺中，高压富液与低压贫液之间的能量转换效率一般不高于55％。
图4为带水力透平辅助汽轮机驱动溶液泵的工艺流程示意图，汽轮机27作为第一驱动，水力透平25作为辅助第二驱动，水力透平25把高压富液压力能转变成泵轴的旋转机械能，通过单向离合器与溶液泵轴连接驱动溶液泵16，再把机械能转变成贫液的压力能，贫液泵16的轴功率不足部分由电机汽轮机27输出，但是汽轮机的蒸汽消耗降低，从而达到节能目的。在图4所示工艺中，高压富液与低压贫液之间的能量转换效率一般不高于55％。
水力透平能量回收技术主要有四方面的缺点；其一，水力透平的流量和压力工作变化范围窄，只有在额定工况下效率最高。超出或低于额定工况后超速或效率急骤下降，不能适用于各种变化的工况。其二，经过二次能量转换，高压富液与低压贫液之间的能量转换效率比较低。高压富液压力能先转化成机械能，后经过超越离合器、电动机、联轴器、再经过溶液泵转变成贫液的压力能，两次能量转换能量回收效率比较低。其三，水力透平与被驱动的电机经常在啮合和断开之间切换，超越离合器故障率高，经常损坏。其四，溶液泵、驱动电机、汽轮机、超越离合器的设备大投资大。
基于以上原因，水力透平能量回收技术没有在湿法气体净化工艺全面推广使用，有些已安装的水力透平机组也处于停用的状态。
发明内容
本发明主要针对湿法气体净化工艺吸收塔压力高于3MPa的中高压湿法气体净化系统，提供一种节能型的工艺流程，在节能型湿法气体净化工艺中，高压富液压力能直接转变成低压贫液压力能，能量的转换效率高，循环溶液泵的电耗小。
一种节能型湿法气体净化工艺，原料气(1)自吸收塔(5)底部进入，在吸收塔内与从顶部进入的贫液逆流接触，气体中的酸性组分被脱出后由吸收塔顶部排出，其特征在于，贫液在吸收塔(5)内吸收酸性组分后变成高压富液自吸收塔(5)底部(4)排出，经阀门(28)、(29)、(30)又进入循环往复泵(32)中，回收能量后，进入解析再生塔(15)进行再生处理，在解析再生塔(15)中再生的贫液进入供料泵(33)加压后再进入循环往复泵(32)，低压贫液经循环往复泵(32)加压后和小流量高压溶液泵(50)泵出的高压贫液共同进入吸收塔(5)的顶部，如此循环工作。
小流量高压溶液泵(50)并联设有一台全流量高压溶液泵(17)，循环往复泵(32)加上小流量高压溶液泵(50)与全流量高压溶液泵(17)是互为备机的，可以做到开一备一。
为了调整吸收塔的液位稳定，在吸收塔出液口设置三个高压富液调节回路，分别是调节阀(8)、(10)和(29)，调节阀(8)的流量只有总流量的3-10％，直接去减压再生，而调节阀(10)和(29)的流量占总流量的90-97％，这样保证回收的富液能量最大化同时保证了吸收塔液位的稳定，循环往复泵(32)和小流量溶液泵(50)配套工作时，调节阀(8)回路和调节阀(29)回路工作，调节阀(10)回路关闭，全流量高压溶液泵(17)工作，循环往复泵(32)停止工作时，调节阀(8)回路和调节阀(10)回路工作，调节阀(29)回路关闭。
系统中还可以设有两套循环往复泵(32)、两套循环往复泵供料泵(33)和两套小流量高压溶液泵(50)，工艺布置中，循环往复泵(32)、供料泵(33)和高压小流量溶液泵(50)均可以做到一开一备，在每一台供料泵(33)的出口管路中设置阀门(34)、(44)和(45)，可分别为两台循环往复泵(32)供贫液，避免了因供料泵(33)故障或检修保养而影响整个脱酸系统停车。
循环往复泵(32)主要组成分为四部分：其一，2位5通换向阀(37)，包括换向阀阀体(51)，换向阀阀芯(49)在换向阀阀体(51)内部可以往复运动，有两个位置，分别为I位和II位；其二，两个液缸，液缸(35)和液缸(36)分别与阀体(51)上两个出液口相连，液缸内分别设有活塞；其三，在两个液缸的另一出液口管路上设有止回阀(38)、(39)、(40)、(41)；其四，为辅助电气仪表控制单元，电气仪表控制单元的主要作用是液缸(35)或(36)行至上死点时控制2位5通换向阀(37)的阀芯(49)在I位、II位之间切换。
来自吸收塔底部液相出口的高压富液经阀门(28)、(29)、(30)进入换向阀(37)，再进入液缸(35)的无杆腔推动液缸活塞上行，把液缸(35)有杆腔的贫液增压后经止回阀(40)排出，通过止回阀(43)泵入到吸收塔(5)的顶部高压贫液入口(3)，与此同时循环往复泵供料泵(33)把贫液增压后经止回阀(39)进入液缸(36)的有杆腔，推动液缸(36)的活塞下行，把液缸(36)下腔的低压富液经2位5通换向阀(37)排出到闪蒸罐(13)或解析再生塔(15)去再生，液缸(35)的活塞上行至上死点触发电气仪表控制单元控制2位5通换向阀(37)的阀芯(49)左移到1I工位状态工作。
从吸收塔(5)底部流出的高压富液通过2位5通换向阀(37)进入到液缸(36)的无杆腔推动液缸(36)的活塞上行，把液缸(36)有杆腔的贫液增压后经止回阀(41)排出，通过止回阀(43)泵入到吸收塔(5)的顶部，与此同时循环往复泵供料泵(33)把贫液增压后经止回阀(38)进入液缸(35)的有杆腔，推动液缸(35)的活塞下行，把液缸(35)下腔的低压富液经2位5通换向阀(37)排出到闪蒸罐(13)或解析再生塔(15)去再生，液缸(36)的活塞上行至上死点触发电气仪表控制单元控制2位5通换向阀(37)的阀芯(49)右移到I工位状态工作，这样液缸(35)、(36)不间断地交替补入贫液，排出高压贫液到吸收塔(5)顶部。
本节能型湿法气体净化工艺中，高压富液与低压贫液在循环往复泵液缸内实现压力能的一次直接交换，能量转换效率高于95％，溶液循环泵的电耗比未设能量回收装置的工艺流程降低50％以上，最高可达85％，所以本发明提供了一种节能型湿法气体净化工艺供各行业应用。
附图说明
图1为现有湿法气体净化工艺流程图。
图2为现有带水力透平直接驱动溶液泵的工艺流程示意图。
图3为现有带水力透平辅助电机驱动溶液泵的工艺流程示意图。
图4为带水力透平辅助汽轮机驱动溶液泵的工艺流程示意图。
图5为节能型湿法气体净化工艺流程图。
图6为配有两套循环往复泵的另一种节能型湿法气体净化工艺布置图。
图7为I工位循环往复泵组成原理工作示意图。
图8为II工位循环往复泵组成原理工作示意图。
图9为常规工艺流程图。
图10为带水力透平辅助电机驱动湿法气体净化工艺流程图。
图11带循环往复泵节能型湿法气体净化工艺流程图。
图中：
1.原料气 2.净化气 3.高压贫液入口 4.高压富液出口 5.吸收塔6.液位仪表 7.快速切断阀 8.流量调节阀 9.截止阀 10.流量调节阀11.截止阀 12.截止阀 13.闪蒸罐 14.溶液交换器 15.解析再生塔16.全流量高压溶液泵 17.全流量高压溶液泵 18.截止阀 19.截止阀20.止回阀 21.止回阀 22.流量测量仪表 23.流量调节阀 24.冷却器25.水力透平 26.电机 27.汽轮机 28.快速切断阀 29.流量调节阀30.截止阀 31.截止阀 32.循环往复泵 33.循环往复泵供料泵 34.截止阀35.液缸 36.液缸 37.2位5通换向阀 38.止回阀 39.止回阀 40.止回阀41.止回阀 42.截止阀 43.止回阀 44.截止阀 45.截止阀 46.截止阀 47.截止阀 48.电机 49.换向阀阀芯 50.小流量高压溶液泵 51.换向阀阀体
具体实施方式
本发明是通过下述方案实现的：如图5为节能型湿法气体净化工艺流程图。
原料气1自吸收塔5底部进入，在吸收塔内与贫溶液逆流接触，气体中的酸性组分被脱出后由吸收塔顶部排出。在解析再生塔15中再生的贫液进入供料泵33加压后再进入循环往复泵32，低压贫液经循环往复泵32加压后和小流量高压溶液泵50泵出的高压贫液共同进入吸收塔5的顶部，在吸收塔5内吸收酸性组分后变成高压富液自吸收塔5底部4排出，经阀门28、29、30又进入循环往复泵32中回收能量，利用富液的压力能把低压贫液加压后泵入吸收塔5顶部，如此循环工作。高压富液离开吸收塔5至循环往复泵32入口、加压后的贫液离开循环往复泵32到吸收塔5的顶部入口3均有管路压力能损失，因此循环往复泵32的输出高压贫液流量只有输入的高压富液流量的80-95％，不足的20-5％高压贫液需要由一台小流量高压溶液泵50去补充，循环往复泵32与小流量高压溶液泵50共同完成系统循环贫液的增压输送任务。在此工艺流程中循环往复泵32的配套供料泵33的电机和小流量高压溶液泵50的电机是要耗费电能的，但是其电能消耗值与全流量高压溶液泵17的电机电能相比较低约50-80％，所以应用循环往复泵32加上小流量高压溶液泵50后组成的工艺是节能型湿法气体净化工艺。
在图5中，循环往复泵32加上小流量高压溶液泵50与全流量高压溶液泵17是互为备机的，可以做到开一备一。在系统开车、调试、循环往复泵32或循环往复泵供料泵33出现故障时，高压富液自吸收塔排出后由阀9、10、11直接减压去闪蒸或解析再生塔15，此时阀28、29、30关闭，此种模式能量消耗非常大。
在图5中，如果循环往复泵32加上小流量高压溶液泵50工作，则高压富液自吸收塔排出后经阀28、29、30进入循环往复泵32，循环往复泵32回收完能量后在循环往复泵供料泵33的帮助下克服富液闪蒸罐的背压，进入解析再生塔再生，此时阀9、10、11关闭。为了调整吸收塔的液位稳定调节快速，设置三个高压富液调节回路，分别是调节阀8、10和29，调节阀8的流量只有总流量的3-10％，直接去减压再生，而调节阀10和29的流量占总流量的90-97％，这样保证回收的富液能量最大化同时保证了吸收塔液位的稳定。
循环往复泵32和小流量溶液泵50配套工作时，调节阀8回路和调节阀29回路工作，调节阀10回路关闭。全流量高压溶液泵17工作，循环往复泵32停止工作时，调节阀8回路和调节阀10回路工作，调节阀29回路关闭。
图6为配有两套循环往复泵的另一种节能型湿法气体净化工艺布置图。图6中有两套循环往复泵32，两套循环往复泵供料泵33和两套小流量高压溶液泵50。在图6的工艺布置中，循环往复泵32、供料泵33和高压小流量溶液泵50均可以做到一开一备，尤其是供料泵33的出口设置阀门34、44和45后，可分别为两台循环往复泵32供贫液，避免了因供料泵33故障或检修保养而影响整个脱酸系统停车。如果脱酸净化系统在净化负荷小于50％以下时，也可以通过开动高压小流量溶液泵50满足系统需求。这样整个湿法气体净化系统，通过循环往复泵32、供料泵33和高压小流量溶液泵50的灵活组合可以满足净化系统负荷大范围调整变化，但是循环溶液泵的动力消耗也相应降低。
循环往复泵组成原理工作示意图见图7、图8，图7为I工位工作示意图，图8为II工位工作示意图。
循环往复泵32主要组成分为四部分：其一，件号37为2位5通换向阀，件号51为换向阀阀体，件号49为换向阀阀芯，换向阀阀芯49在换向阀阀体51内部可以往复运动，有两个位置，图7为I位，图8为II位。其二，为液缸，分为液缸35和液缸36。其三，为单向阀38、39、40、41。其四，为辅助电气仪表控制单元，图中未画出。电气仪表控制单元的主要作用是液缸35或36行至上死点时控制2位5通换向阀37的阀芯49在I位、II位之间切换。图7中，换向阀37的阀芯49处于右侧，为I工位时的示意图。
来自吸收塔底部液相出口的高压富液经阀门28、29、30进入换向阀37，再进入液缸35的无杆腔推动液缸活塞上行，把液缸35有杆腔的贫液增压后经止回阀40排出，通过止回阀43泵入到吸收塔5的顶部高压贫液入口3，与此同时循环往复泵供料泵33把贫液增压后经止回阀39进入液缸36的有杆腔，推动液缸36的活塞下行，把液缸36下腔的低压富液经2位5通换向阀37排出到闪蒸罐13或解析再生塔15去再生，液缸35的活塞上行至上死点触发电气仪表控制单元控制2位5通换向阀37的阀芯49左移到II工位状态工作，如图8所示。
图8为2位5通换向阀37在II工位时的工作示意图。
从吸收塔5底部流出的高压富液通过2位5通换向阀37进入到液缸36的无杆腔推动液缸36的活塞上行，把液缸36有杆腔的贫液增压后经止回阀41排出，通过止回阀43泵入到吸收塔5的顶部，与此同时循环往复泵供料泵33把贫液增压后经止回阀38进入液缸35的有杆腔，推动液缸35的活塞下行，把液缸35下腔的低压富液经2位5通换向阀37排出到闪蒸罐13或解析再生塔15去再生。液缸36的活塞上行至上死点触发电气仪表控制单元控制2位5通换向阀37的阀芯49右移到I工位状态工作，这样液缸35、36不间断地交替补入贫液，排出高压贫液到吸收塔5顶部。
节能型湿法气体净化工艺与无能量回收装置的湿法气体净化工艺及带水力透平辅助电机驱动湿法气体净化工艺的动力消耗情况对比如下。
装置名称：加氢裂化循环氢脱硫单元
脱硫介质；20％MDEA(甲基二乙醇胺溶液)  密度1000kg/m³
循环氢脱硫吸收塔压力：17MPa，循环溶液泵出口压力17.5MPa
富液减压去闪蒸的压力1.0MPa，脱硫吸收塔溶液循环量160m³/h