赵洋洋，李凡震，杨海永，张数义，慈夫山
（山东鸿丰化学有限公司，山东 东营257237）
［摘 要］当前我国低温甲醇洗系统副产CO2气应用仍存在明显短板，大部分低温甲醇洗系统常常将捕集后的CO2（尾气）经减压处理后直接放空，导致大量CO2资源被浪费，不符合“双碳”目标要求。在剖析-40～-60 ℃、4～6 MPa典型工况下甲醇对酸性气吸收—解吸机理的基础上，据冷凝型低温甲醇洗工艺与CO2低温精馏法，提出一种“吸硫—冷凝—吸碳—闪蒸—气提—循环—压缩—精馏”八段式集成流程（包括CO2冷凝汽化、氮气循环气提等关键技术），将直接排放的CO2与CCUS技术进行质热耦合集成，可一次性将“脱硫、脱碳、氢回收、CO2商品化”耦合为单套低温甲醇洗系统，实现污染物排放控制与碳资源化利用的协同跃升。技术经济分析表明，八段式集成工艺在节能减排、降低运营成本与提升投资回报等方面具有显著优势，可为碳捕集技术规模化应用提供可靠支撑，为碳减排与可持续发展提供一条关键技术路径，对煤化工、天然气净化、炼厂重油制氢及未来“蓝氢”项目的低碳重构均具有参考价值。
［关键词］冷凝型低温甲醇洗工艺；CO2低温精馏法；碳捕集；八段式集成流程；液体CO2；技术经济分析；技术发展趋势
［中图分类号］TQ028.2 ； TQ116.3 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2026）04-0007-05
0 引 言
全球碳排放总量中，化石能源燃烧贡献占比高达86%。煤化工产业作为我国能源消耗与碳排放的重点领域，其CO2排放量约占全国CO2总排放量的10%，且排放气具有CO2浓度高、压力低的显著特征。化工生产过程中，基于吸收原理的差异，当前主流的CO2吸收技术可分为物理吸收与化学吸收两大类。其中，低温甲醇洗（Rectisol）技术属于典型的物理吸收技术，其核心吸收机制是依托各组分在甲醇中的溶解度不同实现对原料气组分的分离，是现阶段能够同时实现高浓度CO2、总硫（H2S+COS）与H2、CO高效分离的低温物理吸收技术；在甲醇溶液再生环节，低温甲醇洗技术通过减压解吸与氮气气提回收原料气中98%以上的CO2，剩余少量CO2和H2S等组分则通过蒸汽再生处理，在能耗上具有显著优势。
然而，当前我国低温甲醇洗系统副产CO2气应用仍存在明显短板，除了合成氨装置下游配套尿素装置时低温甲醇洗系统CO2产品气用作尿素装置原料气、煤化工装置气化系统采用粉煤加压气化工艺时低温甲醇洗系统部分CO2产品气用作输煤载气、部分企业低温甲醇洗系统CO2产品气用作液体CO2装置原料外，已投运的大部分低温甲醇洗系统，常常将捕集后的CO2（尾气）经减压处理后直接放空，往往未对这部分高浓度CO2进行进一步回收利用或封存，导致大量CO2资源被浪费。在“双碳”战略倒逼下，探索低温甲醇洗与碳捕集的高效集成路径，不仅具有技术创新价值，而且蕴含着巨大的经济与环境效益潜力。笔者在剖析-40～-60 ℃、4～6 MPa典型工况下甲醇对酸性气吸收—解吸机理的基础上，据冷凝型低温甲醇洗工艺与CO2低温精馏法，提出一种“吸硫—冷凝—吸碳—闪蒸—气提—循环—压缩—精馏” 八段式集成流程（包括CO2冷凝汽化、氮气循环气提等关键技术），可将直接排放的CO2与后续碳捕集、利用与封存（CCUS）技术进行质热耦合集成，可一次性将“脱硫、脱碳、氢回收、CO2商品化”耦合为单套低温甲醇洗系统，实现污染物排放控制与碳资源化利用的协同跃升；深入的技术经济分析表明，本集成工艺在节能减排、降低运营成本与提升投资回报等方面具有显著优势。以下就此进行分析与探讨。
1 低温甲醇洗工艺研究进展
1954年鲁奇（Lurgi）与林德（Linde）公司共同开发的低温甲醇洗工艺，首次应用于煤制合成气净化系统，后续形成了“三段吸收+四级闪蒸”经典流程，出口净化气总硫≤0.1×10-6、CO2≤20×10-6。1981年我国首次引进林德公司的高压低温甲醇洗专利技术（五塔流程），用于当时引进的渣油制氨装置（乌鲁木齐石化、镇海炼化、宁夏石化）中。20世纪70年代末，中国石化集团兰州设计院、浙江大学等团队开始研究各类气体在低温甲醇中的溶解度以及富碳/富硫甲醇的物化性质。
1993年大连理工大学完成了低温甲醇洗系统计算模拟软件，并对其工艺技术不断优化，采用“一段脱硫+三段脱碳”四段式洗涤塔，脱碳段两个段间换热强化吸收，工艺流程更简洁，贫甲醇循环量显著下降，能耗较传统工艺降低约30%。2021年大连佳纯气体净化技术开发有限公司开发设计的山东瑞星集团超大型高压粉煤气化制合成氨示范项目配套低温甲醇洗工艺采用CO2冷凝汽化副产中压CO2流程（工艺优化有了质的提升），该装置于2023年4月投产，成为全球首套冷凝型低温甲醇洗系统，起到了良好的示范作用；该冷凝型低温甲醇洗工艺在九江心连心二期、新疆心连心、河南心连心、云图控股应城基地、新疆中能绿源化工、河南晋开三期、湖南雪天盐碱、安徽泉盛化工、浙江石化等多个项目中得到应用，运行状况良好。如某1 000 kt/a煤制尿素项目，低温甲醇洗系统副产中压CO2气，CO2气压力由传统的0.14 MPa升至0.70 MPa，仅节省CO2气压缩一项全年就可降低电耗11 200 MW·h。值得一提的是，当前冷凝型低温甲醇洗工艺尚未与碳捕集系统集成形成一体化设计，有待进一步优化升级。
2 低温甲醇洗与碳捕集高效集成系统流程
据冷凝型低温甲醇洗工艺与CO2低温精馏法（利用液体CO2的沸点与其他气体不同进行分离，适用于CO2纯度已达90%以上且产品纯度要求很高又需要CO2液化储运的场合）碳捕集流程，提出“吸硫—冷凝—吸碳—闪蒸—气提—循环—压缩—精馏”八段式封闭流程（八段式集成流程），通过深度耦合两类工艺单元，可显著提升系统整合度与整体运行效率。
1）吸硫段。原料气通过富氢气产品、CO2气、尾气进行换热冷却至-15 ℃，然后用富碳甲醇吸收原料气中的H2S、COS组分。
2）冷凝段。温度-40～-60 ℃、压力4～6 MPa下，不含硫的原料气通过绕管式换热器（或板翅式换热器）与液体CO2、-50 ℃富氢气、-65 ℃ CO2、-65 ℃尾气换热，部分CO2气等直接冷凝为液体，实现CO2与H2、CO的分离；冷凝的液体通过汽化产生0.8 MPa的CO2气。需注意的是，如果直接将液体CO2从系统内抽出，会造成低温冷量浪费，据热量守恒定律，低温甲醇洗系统需补充-40～-60 ℃级别的冷量，而CO2冷凝精馏在-15 ℃即可实现。
3）吸碳段。原料气中剩余CO2被-55 ℃贫甲醇逆流吸收，洗涤塔塔顶H2纯度≥97%，可直接送下游合成氨装置液氮洗系统或炼厂加氢装置；吸收了CO2的甲醇，部分去吸硫段吸收H2S等组分，剩余部分直接去低压闪蒸段。
4）低压闪蒸段。洗涤塔来的含硫甲醇、含碳甲醇减压至0.2 MPa，闪蒸部分CO2，降低后续流程气提氮消耗，由于含硫甲醇减压过程会夹带H2S而污染CO2气，需少量的含碳甲醇吸收其闪蒸解吸出的硫组分。
5）氮气气提段。低压闪蒸段出口的含碳甲醇、含硫甲醇进入气提塔，在微正压环境下引入低压氮气气提，以降低含碳甲醇、含硫甲醇热再生塔蒸汽消耗；气提塔塔顶产生含20%氮气的尾气进入碳捕集单元。
6）氮气闭路循环段。低温甲醇洗系统常压塔排放尾气经压缩机提压至0.5 MPa后进入膜分离单元，经膜分离产生纯度99.9%以上的0.4 MPa氮气（0.4 MPa氮气返回常压塔循环使用，实现氮气“零补充”）、纯度99.9%以上0.2 MPa的CO2气。
7）CO2压缩段。将冷凝段（0.8 MPa的CO2气）、低压闪蒸段（0.2 MPa的CO2气）、氮气闭路循环段（0.2 MPa的CO2气）产生的三路CO2气，通过逐级压缩的方式提压至2.5 MPa，级间采用循环水冷却器降温使CO2气温度≤90 ℃，以提高压缩效率，节省压缩功耗。
8）精馏段。压缩后2.5 MPa的CO2气通过丙烯深冷器降温至-13 ℃，冷凝分离比CO2沸点高的物质（如甲醇），继续降温至-15 ℃将原料气中的CO2全部冷凝成液体，液体CO2进入精馏塔，脱除比CO2沸点低的物质（如H2、N2），精馏塔底得到纯度≥99.9%的液体CO2，实现CO2与其他组分的分离。
3 技术经济分析
3.1 产品标准与市场需求分析
更多内容详见《中氮肥》2026年第4期