馬文靜，徐延學(xué)，周 權(quán)，崔周波

(中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 21100)

無油螺桿壓縮機同時擁有速度式與容積式壓縮機的優(yōu)點，具備氣流脈動小、運行可靠、耐臟、適應(yīng)性強、易損件少和維護簡單等特點。無油螺桿壓縮機分為噴液式和干式，噴液式無油螺桿壓縮機最大的特點是可通過噴液控制排氣溫度，被廣泛應(yīng)用于化工、煤礦、動力、冶金、環(huán)保、機械等行業(yè)【1】。本文主要針對無油螺桿壓縮機在煤制乙二醇排放氣回收中的應(yīng)用進行研究，提出并解決其關(guān)鍵技術(shù)問題。

1 煤制乙二醇排放氣壓縮機的工藝

我國乙二醇工業(yè)發(fā)展呈迅速上升趨勢，產(chǎn)能由2009年的270萬t增長到2019年的1 307萬t?；谖覈坝蜕倜憾唷钡哪茉磭?，近年來，草酸酯法煤制乙二醇工藝生產(chǎn)技術(shù)在國內(nèi)得到了迅速發(fā)展【2】。

1.1 草酸酯法制乙二醇工藝特點

在煤制乙二醇方法里面，草酸二甲酯法技術(shù)較為成熟且具備工業(yè)應(yīng)用的條件。圖1是草酸二甲酯法煤制乙二醇的流程。由圖1可見，在酯化工段中，亞硝酸甲酯(MN)由NO、O2和甲醇合成；MN進入羰化工段，與CO反應(yīng)生成草酸二甲酯(DMO)和碳酸二甲酯(DMC)；DMO進入下游工段加氫制得乙二醇(EG)【3】。DMC是具有高附加值的副產(chǎn)物， 經(jīng)過初步分離后仍存在于一股低壓排放氣中， 需要將其升壓后送入吸收塔， 用甲醇溶劑來吸收其中的DMC。

1.2 排放氣工況特點

國內(nèi)某工廠乙二醇裝置的低壓排放氣主要由MN、甲醇和DMC組成，其具體成分如表1所示。擬采用噴液式無油螺桿壓縮機對其進行壓縮升壓，入口狀態(tài)為0.002 MPa(表)/45 ℃，當?shù)卮髿鈮杭s為0.086 MPa(絕)。入口狀態(tài)下， 絕熱指數(shù)為1.19， 分子量為51.4。為滿足下游吸收塔的工藝要求， 規(guī)定排氣壓力為0.25 MPa(表)。根據(jù)SRK狀態(tài)方程【4】， 排放氣的露點溫度與壓力關(guān)系如圖2所示， 在出口壓力下， 氣露點溫度為80 ℃。

表1 乙二醇不凝氣組成

圖2 低壓排放氣露點溫度與壓力的關(guān)系

值得注意的是，組分中含有65.7%的亞硝酸甲酯(MN)，而MN在常溫常壓下易燃易爆、有毒、有害，其爆炸極限為4.7%～100%；同時，MN受熱時極易分解，根據(jù)文獻【5-6】，MN在140 ℃開始分解放熱， 其熱分解是有高度危險性的強發(fā)熱反應(yīng)， 一般至少需將其溫度控制在110 ℃以下。 若采用單級干式壓縮， 在0.25 MPa(表)的排氣壓力下溫度將達到137 ℃， 故采用單級噴液式壓縮。

1.3 壓縮機流程

由于排放氣排氣壓力下露點溫度為80 ℃，溫度過低時排放氣將產(chǎn)生大量凝液并作為廢液處理，因此，為保證回收率，適合采用“先分后冷”的流程。圖3是乙二醇排放氣壓縮機流程。

由圖3可見，從上游來的排放氣進入壓縮機，壓縮至0.025 MPa(表)后進入氣液分離器，升壓后的排放氣一部分作為循環(huán)氣，冷卻后回到壓縮機入口，其余部分進入下游裝置。氣液分離器底部凝液經(jīng)冷卻器冷卻后作為循環(huán)噴液返回壓縮機入口，當分離器內(nèi)凝液過高時，需將部分凝液排出。補液口除了開車時補液用，正常運行時也由此噴液補液。

圖3 低壓排放氣壓縮機流程

2 煤制乙二醇排放氣壓縮機的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 無油螺桿壓縮機的選型

根據(jù)該排放氣設(shè)計要求，無油螺桿壓縮機選型參數(shù)如表2所示。排放氣實際狀態(tài)氣量為19 m3/min，選用轉(zhuǎn)子直徑為255 mm的機型。由于排放氣中含有MN等有毒有害物質(zhì)，不允許泄漏到空氣中，故采用迷宮密封+雙端面機械密封的組合形式，并設(shè)置壓縮機出入口導(dǎo)壓平衡腔。由于該機型轉(zhuǎn)子軸端直徑較小(50～65 mm)，故采用滾動軸承。

表2 壓縮機參數(shù)

2.2 噴液介質(zhì)的選擇

用于工藝氣升壓的無油噴液螺桿壓縮機的噴液介質(zhì)，一般選用工藝氣所含組分液體或?qū)罄m(xù)工藝無影響的其他液體。排放氣若引入其他介質(zhì)，會增大下游分離難度，因此噴液介質(zhì)最好選擇排放氣所含可凝組分的液體——MN、DMC或甲醇。其中，MN具有較大的毒性，應(yīng)盡量避免使用。DMC無毒且揮發(fā)性較低，但是其汽化潛熱和比熱容均較低，會導(dǎo)致噴液用量大、下游分離負荷大的問題。而甲醇價格便宜易得，汽化潛熱與比熱容均較高，且為下游吸收塔的吸收溶劑，故采用甲醇作為噴液介質(zhì)為佳。

2.3 補液量、循環(huán)噴液量與排氣溫度的關(guān)系

根據(jù)螺桿壓縮機的熱力性質(zhì)計算原理【7】，結(jié)合化工過程模擬軟件進行核算分析，將質(zhì)量流量為1 964 kg/h、入口狀態(tài)為0.002 MPa(表)/45 ℃的排放氣壓縮至0.25 MPa(表)，在保證分離器排液量降至最低的情況下，壓縮機排氣溫度與噴液量的關(guān)系如圖4所示。

圖4 壓縮機排氣溫度與循環(huán)噴液量及甲醇補液量的關(guān)系

由圖4可以發(fā)現(xiàn)，在第一溫度區(qū)間(溫度≥80 ℃)，噴液完全由甲醇補液提供，且排放氣溫度每降低1 ℃，第一區(qū)間噴液量只需增加約 2 kg/h。此溫度區(qū)間內(nèi)，分離罐內(nèi)無法建立循環(huán)液位，要將溫度降低，需從外界補充更多甲醇液體，排氣溫度的降低完全依靠補液甲醇的氣化潛熱。在第二溫度區(qū)間(溫度在78～80 ℃之間)，排氣溫度的降低導(dǎo)致凝液產(chǎn)生，分離罐內(nèi)開始建立循環(huán)液位。此區(qū)間內(nèi)排氣溫度的進一步降低需依靠噴液的顯熱，循環(huán)噴液量不斷增大，甲醇補液量則持續(xù)降低。在第三溫度區(qū)間(溫度≤78 ℃)，外界補液量為0，排放氣溫度每降低1 ℃，循環(huán)噴液需增加450 kg/h，若要求溫度進一步降低，則需要加大循環(huán)噴液量。

2.4 補液量與排液量的研究

補液量和排液量分別代表著輸入和排出系統(tǒng)的液相數(shù)量，控制補液量與排液量對壓縮運行中的物耗成本和操作費用有著極大的影響，且二者與排放氣的排氣溫度息息相關(guān)。圖5為將質(zhì)量流量為1 964 kg/h、入口狀態(tài)為0.002 MPa(表)/45 ℃的排放氣壓縮至0.25 MPa(表)、且噴液溫度為40 ℃的情況下，壓縮機排氣溫度與補液量及排液量的關(guān)系。

圖5 壓縮機排氣溫度與排液量及甲醇補液量的關(guān)系

由圖4和圖5可知，隨溫度的降低，補液量呈先增加后降低至0的趨勢，在第一溫度區(qū)間末為最大，在第二溫度區(qū)間末為0。排液量在前2個溫度區(qū)間一直為0，從第三溫度區(qū)間開始呈增加趨勢。因為隨著壓縮機內(nèi)噴液量的增加，排放氣的排氣溫度持續(xù)下降，壓縮腔內(nèi)氣析出凝液的量也不斷增加，當系統(tǒng)中氣相傳入液相的量大于液相傳入氣相的量時，多余的液相必須經(jīng)分離器底部向外界排出。

2.5 排氣溫度與軸功率的關(guān)系

一般來說，決定螺桿壓縮機軸功率的因素主要有機型效率、工藝氣的分子量及絕熱指數(shù)、壓縮比、氣體處理量、噴液量等等。對于噴液式無油螺桿壓縮機，排氣溫度與軸功率有重要關(guān)系。圖6 為將質(zhì)量流量為1 964 kg/h、入口狀態(tài)為0.002 MPa(表)/45 ℃的不排放氣壓縮至0.25 MPa(表)、且噴液溫度為40 ℃的情況下，壓縮機排氣溫度與軸功率的關(guān)系。

由圖6可知：壓縮機軸功率隨著排氣溫度的降低呈整體上升趨勢；在排氣溫度≥80 ℃的區(qū)間內(nèi)，軸功率隨排氣溫度的降低平穩(wěn)小幅升高，因為噴入的甲醇補液在壓縮機腔體入口處揮發(fā)成氣體，增加了壓縮機的實際處理氣量；在排氣溫度<80 ℃的區(qū)間內(nèi)，軸功率升高幅度較大,因為當排氣溫度<80 ℃時，開始需要大量循環(huán)噴液進入壓縮機腔體，壓縮機負荷的增加除了來自于實際處理氣量的增加外，還來自于腔體內(nèi)大量噴液的傳輸。

圖6 壓縮機排氣溫度與軸功率的關(guān)系

綜上所述，第二溫度區(qū)間內(nèi)的78 ℃ 為最優(yōu)操作溫度，在此溫度下，排液量和補液量均為0，且壓縮機的軸功率相對較小，因此現(xiàn)場操作時，將操作溫度控制在該溫度附近是最經(jīng)濟的。

3 現(xiàn)場應(yīng)用分析

國內(nèi)某工廠的草酸二甲酯法乙二醇裝置將無油噴液螺桿壓縮機應(yīng)用在排放氣回收中，目前，該壓縮機已實現(xiàn)長期穩(wěn)定有效運行。表3是壓縮機實際運行參數(shù)與設(shè)計值的比較。

表3 壓縮機實際運行參數(shù)與設(shè)計值的比較

由表3可見，實際運行時，甲醇補液量為0，排液量為0.06 kg/h(每月排1次，每次排40 kg)。由此可以判斷， 壓縮機運行過程中， 排氣溫度61.5 ℃是實際運行狀態(tài)下的最優(yōu)溫度。與設(shè)計條件相比，實際入口溫度降低了11.3 ℃，經(jīng)熱力學(xué)核算，該排放氣組分在0.25 MPa(表)和0.19 MPa(表)下的露點溫差約為6 ℃。而實際條件下運行溫度(61.5 ℃)比設(shè)計條件下最優(yōu)操作溫度(78 ℃)低了16.5 ℃，可以判斷實際運行的最優(yōu)操作溫度與研究相符。

4 結(jié)語

目前，草酸二甲酯法制乙二醇技術(shù)在國內(nèi)得到快速發(fā)展，排放氣回收對于回收碳酸二甲酯和環(huán)保節(jié)能具有重要意義。本文對排放氣無油螺桿壓縮機的工藝流程進行探究，完成了無油螺桿壓縮機的選型，確定了噴液介質(zhì)，對噴液量、甲醇補液量、排液量、軸功率與排氣溫度的關(guān)系進行了研究和分析，得到設(shè)計條件下的最優(yōu)操作溫度。通過與實際運行裝置數(shù)據(jù)進行對比，驗證了研究結(jié)論的可靠性，對設(shè)備選型及現(xiàn)場操作具有較好的指導(dǎo)意義。綜上所述，無油螺桿壓縮機在草酸二甲酯法煤制乙二醇排放氣回收中表現(xiàn)出良好的適用性，促進了煤制乙二醇技術(shù)的發(fā)展，也拓寬了無油螺桿壓縮機的應(yīng)用領(lǐng)域。