變壓吸附回收CO2工藝改造

上海煤氣第二管線工程有限公司 王可棟

0 概述

美國綜合能源公司與山東?；簶I(yè)化工有限公司(簡稱海化)合作，于2006年在山東省棗莊市薛城區(qū)建設(shè)一套年產(chǎn)0.88億m3精煤氣的加壓循環(huán)流化床煤氣化裝置。精煤氣主要用于滿足棗莊城市煤氣需求及?；?0萬t/a甲醇生產(chǎn)。該煤氣化裝置主要化工單元包括：空分、氣化、備煤、栲膠脫硫、變壓吸附脫碳等。該裝置于2007年12月竣工投產(chǎn)。流程布置如圖1。

圖1 工藝流程示意

空分采用低壓流程，氣化采用0.2 MPa(G)循環(huán)流化床技術(shù)，氣化產(chǎn)生的粗煤氣經(jīng)栲膠脫硫流程脫除，CO2氣體通過變壓吸附工藝回收，部分返回氣化爐進(jìn)行二次氣化部分排入大氣。

1 變壓吸附脫碳

1.1 變壓吸附工藝介紹

變壓吸附脫碳裝置以脫硫后(主要是脫除煤氣中的硫化氫)的合成煤氣為原料，采用上海華西化工科技有限公司的變壓吸附提純技術(shù)，通過利用吸附劑的選擇吸附性能，將合成煤氣中的絕大部分CO2吸附掉，直接得到CO2≤3%的精煤氣送往?；?。變壓吸附的解析氣一部分經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后的解析氣返回氣化裝置，另一部分通過管道上的壓力自調(diào)閥放空，流程布置如圖2。

圖2 變壓吸附工藝流程示意

變壓吸附裝置由并聯(lián)的8臺吸附塔及2臺真空泵(一開一備)組成，其工作過程包括吸附、均壓、真空、升壓等過程，具體描述如下：

(1)吸附：吸附過程壓力為0.16 MPa(G)的煤氣自塔底進(jìn)入正處于吸附狀態(tài)的吸附塔內(nèi)。在多種吸附劑的依次選擇吸附下，其中的H2O、CO2等組分被吸附下來，未被吸附的精煤氣(H2+CO+CH4)等從塔頂流出，進(jìn)入后工序。當(dāng)被吸附雜質(zhì)的傳質(zhì)區(qū)前沿(稱為吸附前沿)到達(dá)床層出口預(yù)留段時(shí)，關(guān)掉該吸附塔的原料氣進(jìn)料閥和產(chǎn)品氣出口閥，停止吸附。吸附床開始轉(zhuǎn)入再生過程。

(2)均壓降壓過程：在吸附過程結(jié)束后，順著吸附方向?qū)⑺?nèi)的較高壓力的(H2+CO+CH4)放入其它已完成再生的較低壓力吸附塔的過程，該過程不僅是降壓過程，更是回收床床層死空間(H2+CO+CH4)的過程。

(3)真空過程：在均壓過程結(jié)束后，對吸附塔抽真空，進(jìn)一步降低壓力，使被吸附的CO2完全解吸出來的過程。抽真空解吸出來氣體部分放空，少部分去CO2壓縮機(jī)。

(4)均壓升壓過程：在真空再生過程完成后用來自其他吸附塔的較高壓力(H2+CO+CH4)對該吸附塔進(jìn)行升壓的過程，這一過程與均壓降壓過程相對應(yīng)，不僅是升壓過程，而且更是回收其它塔的床層死空間(H2+CO+CH4)的過程。

(5)精煤氣升壓過程：在均壓升壓過程完成后，為了使吸附塔可以平穩(wěn)地切換至下一次吸附并保證精煤氣純度在這一過程中不發(fā)生波動(dòng)，需要通過升壓調(diào)節(jié)閥緩慢而平穩(wěn)地用排放氣將吸附塔壓力升至吸附壓力。經(jīng)這一過程后吸附塔便完成了一個(gè)完整的“吸附—再生”循環(huán)，又為下一次吸附做好了準(zhǔn)備。

8個(gè)吸附塔并聯(lián)，交替進(jìn)行以上的吸附、再生操作(始終有2個(gè)吸附塔處于吸附狀態(tài))，實(shí)現(xiàn)CO2氣體的連續(xù)分離。每個(gè)吸附塔的工作過程完全相同，只是在時(shí)間上互相錯(cuò)開半個(gè)吸附周期時(shí)間，8個(gè)塔交替吸附可實(shí)現(xiàn)連續(xù)分離提純(H2+CO+CH4)的目的。

1.2 原料氣、精煤氣、解析氣性質(zhì)

進(jìn)入變壓吸附脫碳裝置的原料氣為脫硫后的煤氣，其組分如表1。

表1 進(jìn)變壓吸附塔煤氣組分

出變壓吸附塔的精煤氣規(guī)格：CO2含量≤3%(V%)；溫度≤40℃；壓力≥0.1MPa(G)；H2+CO回收率≥97%。

出變壓吸附塔解析氣規(guī)格：壓力≥0.01 MPa(G)；溫度40 ℃。

1.3 主要設(shè)備一覽

變壓吸附裝置主要設(shè)備見表2。

表2 變壓吸附裝置主要設(shè)備

2 問題及改造措施

變壓吸附裝置試車過程中水環(huán)真空泵排氣夾帶大量水，緩沖罐底閥排水不及時(shí)導(dǎo)致往復(fù)壓縮機(jī)出現(xiàn)水擊現(xiàn)象；壓縮機(jī)進(jìn)口氣體壓力波動(dòng)大；冷干機(jī)換熱管腐蝕穿孔。

以上問題導(dǎo)致變壓吸附裝置得到的解析氣不能連續(xù)供往氣化工段，影響了整個(gè)工段的連續(xù)運(yùn)行。

根據(jù)以上出現(xiàn)的情況，對變壓吸附流程進(jìn)行了全面分析，同時(shí)對解析氣成分進(jìn)行了化學(xué)分析。

解析氣：溫度為 50 ℃(在水環(huán)真空泵出口測定)；水分含量為50 ℃下水分飽和并夾帶液態(tài)水；組分(V%)為 80%CO2、2.1%H2、1.0%N2、4.2%CH4、8.5%CO其余為水蒸氣。

設(shè)備運(yùn)行基本要求：真空泵排氣背壓為-11～9kPa(G)；往復(fù)活塞壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力為 0～10 kPa(G)。

水環(huán)真空泵排氣量測定：變壓吸附裝置共設(shè)置兩臺水環(huán)真空泵(一開一備)，變壓吸附裝置每隔 3 min完成一次脈沖吸氣過程(即吸附過程—均壓降壓過程—真空過程—均壓升壓過程—再生過程)，也就是說水環(huán)真空泵出口排氣量變化(壓力變化)也呈周期性變化(每3 min一個(gè)周期)。為了得到水環(huán)真空排氣量的具體規(guī)律，在泵出口采集了3 min之內(nèi)瞬時(shí)排氣量及排氣壓力的數(shù)據(jù)，具體見表3。

根據(jù)表3數(shù)據(jù)，利用EXCEL繪制出水環(huán)真空泵排氣瞬時(shí)流量變化曲線，并對曲線進(jìn)行多項(xiàng)式擬合：

式中：y—為瞬時(shí)排氣量，m3/min；

x—時(shí)間，min。

水環(huán)真空泵在3 min內(nèi)排氣總量為：

兩臺往復(fù)壓縮機(jī)的額定進(jìn)氣量各為10 m3/min，3 min進(jìn)氣總量為60 m3。由于水環(huán)真空泵3分鐘排氣總量大于兩臺壓縮機(jī)3 min進(jìn)氣總量，多余的氣體通過管道上的壓力自調(diào)閥門放空。

表3 水環(huán)真空泵3 min內(nèi)排氣量與排氣壓力數(shù)據(jù)

根據(jù)表3，我們發(fā)現(xiàn)：0～1.8 min時(shí)間段內(nèi)，真空泵的瞬時(shí)排氣量大于往復(fù)壓縮機(jī)的瞬時(shí)進(jìn)氣量，真空泵排氣總量：，往復(fù)壓縮機(jī)的進(jìn)氣量V2=36 m3。1.8～3.0 min時(shí)間段內(nèi)，真空泵的瞬時(shí)排氣量小于往復(fù)壓縮機(jī)的瞬時(shí)進(jìn)氣量，真空泵排氣總量：，往復(fù)壓縮機(jī)的進(jìn)氣量V4=24 m3。

只有緩沖罐中壓力始終維持在 0～10 kPa(G)的狀態(tài)，才能保證水環(huán)真空泵及往復(fù)壓縮機(jī)正常工作。0～1.8 min時(shí)間段內(nèi)，真空泵排氣量大于往復(fù)壓縮機(jī)進(jìn)氣量，由壓力自調(diào)閥門排空多余的解析氣，保證緩沖罐中壓力維持在 0～10 kPa(G)的狀態(tài)。1.8～3.0 min時(shí)間段內(nèi)，真空泵排氣量小于往復(fù)壓縮機(jī)進(jìn)氣量，如果緩沖罐容積過小將會出現(xiàn)抽真空的情況，經(jīng)計(jì)算，緩沖罐容積至少為110 m3，才可保證1.8～3.0 min時(shí)間內(nèi)，緩沖罐內(nèi)壓力由10 kPa(G)降低到0 kPa(G)。顯然原來容積為20 m3的兩個(gè)緩沖罐根本無法滿足裝置間(真空泵與往復(fù)壓縮機(jī))的緩沖要求。在設(shè)備運(yùn)行過程中，確有發(fā)現(xiàn)緩沖罐周期性的呈負(fù)壓狀態(tài)。

考慮到緩沖罐不僅起到緩沖氣體的作用，兼顧滿足脫出氣體中水分的要求，對解析氣的臨界氣速計(jì)算如下：

式中：Wc—臨界氣速，m/s；Pl—液體重度(近似認(rèn)為接近常溫水)；Pv—?dú)怏w重度。

Wc=0.048[((1 000-1.977)/1.977]1/2=1.078 m/s

如果緩沖罐出口處裝設(shè)破沫網(wǎng)，實(shí)際臨界氣速W＝0.8Wc＝0.863 m/s。

根據(jù)水環(huán)真空泵的實(shí)際排氣量，初步確定緩沖罐的容積為200 m3，直徑為6～8 m，則實(shí)際氣速低于計(jì)算的臨界氣速，因此推測200 m3緩沖罐能夠滿足解析氣脫水要求。

4 設(shè)備比選

4.1 設(shè)備比選

根據(jù)以上分析，將原有兩個(gè)各10 m3的緩沖罐進(jìn)行增容(增大到200 m3)，重新安裝緩沖設(shè)備。

能夠用于工業(yè)生產(chǎn)的緩沖設(shè)備主要有氣柜、金屬緩沖罐、工程塑料(或橡膠)氣囊，對三種設(shè)備從工藝性能、一次投資等多個(gè)方面進(jìn)行了比較，具體見表4。

三種設(shè)備都可滿足氣體分液和緩沖的要求，考慮到原有裝置區(qū)已無設(shè)備布置空間，除氣囊可設(shè)置在往復(fù)壓縮機(jī)房頂部外，氣柜及緩沖罐皆無多余位置可就位；兼顧考慮氣囊投資最省的優(yōu)點(diǎn)，因此作為工藝改造嘗試，最終確定安裝200 m3的氣囊代替原有金屬緩沖罐。

表4 200 m3氣柜、緩沖罐、氣囊比選

4.2 氣囊介紹

氣囊本體采用高分子膜配置尼龍骨架，厚度為90 μm；使用溫度為：-50～70 ℃；使用壓力為：0～0.015 MPa(G)；氣囊抽癟后可充氣恢復(fù)。

4.3 結(jié)果與討論

2009年3月初開始現(xiàn)場改造，2009年4月初改造完畢即運(yùn)行投產(chǎn)，運(yùn)行過程中，氣囊本體無較大形變并實(shí)現(xiàn)氣體正常脫水；氣囊內(nèi)部壓力穩(wěn)定在10 kPa(G)以下，往復(fù)壓縮機(jī)水擊現(xiàn)象消失；打開冷干機(jī)換熱器，換熱管的腐蝕現(xiàn)象有所減輕，冷干機(jī)排水閥排水量減少；水環(huán)真空泵真空度提高。從工藝實(shí)際運(yùn)行效果及投資費(fèi)用上看，取得滿意效果。此種有關(guān)變壓吸附裝置回收CO2改造在國內(nèi)尚屬首次，具有較大的推廣價(jià)值。