變壓吸附脫碳裝置運行探討

孫照新，呂本福，孔令永

(河南煤業(yè)化工集團開封永大化工有限公司，河南杞縣 475200)

開封永大化工有限公司原脫碳裝置為濃氨水吸收法，該方法的主要優(yōu)點是可以回收原料氣中的CO2，同時副產(chǎn)NH4HCO3作為農(nóng)用肥料，缺點是必須消耗大量的液氨，導致生產(chǎn)系統(tǒng)商品液氨較少。近幾年來，由于NH4HCO3市場萎縮，價格嚴重下滑，為調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，增加商品液氨產(chǎn)量，適應(yīng)市場需求，我公司于2008年9月份投產(chǎn)了一套設(shè)計能力30 000 Nm3/h的變壓吸附(簡稱PSA)脫碳裝置，與原脫碳裝置并聯(lián)使用，根據(jù)產(chǎn)品銷售價格及時調(diào)整兩種產(chǎn)品的生產(chǎn)量，達到提高企業(yè)經(jīng)濟效益的目的。

1 PSA裝置介紹

1.1 工作原理

PSA的工作原理是利用吸附劑對不同吸附質(zhì)的選擇性吸附及吸附劑對吸附質(zhì)的吸附容量是隨壓力的變化而有差異的特性，在吸附劑選擇吸附條件下，高壓吸附除去原料中的雜質(zhì)組分，低壓下脫附所吸附的這些雜質(zhì)組分而使吸附劑獲得再生。同時，設(shè)計采用多個吸附塔分組變動各組的吸附壓力，可以達到連續(xù)分離原料氣中雜質(zhì)組分的目的，從而實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。整個吸附和再生過程是在環(huán)境溫度下進行的。就我公司而言，利用PSA原理和專用的吸附劑，用來脫除變換氣中CO2等雜質(zhì)組分，達到凈化合成氨生產(chǎn)原料氣的目的。

1.2 主要工藝技術(shù)參數(shù)

系統(tǒng)設(shè)計能力(處理變換氣量)30 000 Nm3/h。裝置操作彈性，30% ～110%。原料氣為變換氣，輸入流量，30 000 Nm3/h;輸入壓力，1.6 MPa;輸入溫度，約40℃。其組成見表1。凈化氣(脫除CO2后的產(chǎn)品氣體):輸出流量，21 383 Nm3/h;凈化氣質(zhì)量，CO2≤0.2%;輸出壓力，≥1.57 MPa(系統(tǒng)壓差≤0.3 MPa);輸出溫度，≤40℃。解吸氣(脫除掉的雜質(zhì)組分):輸出流量，8 617 Nm3/h;輸出壓力，約0.02 MPa;輸出溫度，≤40℃;有效組分回收率，CO≥96%，H2≥ 99.5%，N2≥97.5%。

表1 原料氣組成(干基) %

1.3 主要設(shè)備

本裝置設(shè)備如表2所示。由于PSA系統(tǒng)運行是靠周期性地切換閥門來實現(xiàn)，為使整個工藝過程能連續(xù)穩(wěn)定的運行，要求自動控制系統(tǒng)要具備較高的水平，為此本裝置采用DCS控制系統(tǒng)。

表2 主要設(shè)備及參數(shù)

1.4 工藝流程

我公司PSA裝置是四川天一科技股份有限公司針對我公司現(xiàn)狀進行設(shè)計的。設(shè)計能力為原料氣處理量30 000m3/h。工藝如下:氣體進入氣液分離器分離掉游離水后進入PSA系統(tǒng)，3臺吸附器同時在線吸附，每臺吸附器在一次循環(huán)中均需經(jīng)歷吸附(A)、順放(PP)、第1級壓力均衡降(E1D)、第2級壓力均衡降(E2D)、第3級壓力均衡降(E3D)、第4級壓力均衡降(E4D)、第5級壓力均衡降(E5D)、第6級壓力均衡降(E6D)、第7級壓力均衡降(E7D)、第8級壓力均衡降(E8D)、第9級壓力均衡降(E9D)、逆向放壓(分D1和D2兩個階段，其中D1階段氣體送往氣柜回收利用，D2階段放空)、抽空(V)、第9級壓力均衡升(E9R)、第8級壓力均衡升(E8R)、第7級壓力均衡升(E7R)、第6級壓力均衡升(E6R)、第5級壓力均衡升(E5R)、第4級壓力均衡升(E4R)、第3級壓力均衡升(E3R)、第2級壓力均衡升(E2R)、第1級壓力均衡升(E1R)和最終升壓(FR)，然后再從吸附開始進入下一個循環(huán)不間斷連續(xù)運行，10臺吸附器在程序上的時間安排相互錯開，從而保證原料氣連續(xù)輸入和產(chǎn)品的不斷輸出，變換氣中的CO2等雜質(zhì)組分被脫除，由PSA系統(tǒng)出來的凈化氣送往壓縮機經(jīng)提升壓力進入下一工段。

2 裝置運行中存在的問題及解決方法

2.1 部分程控閥門動作慢

系統(tǒng)運行由DCS系統(tǒng)控制程控閥的開關(guān)，生產(chǎn)運行中來自空壓機的儀表空氣經(jīng)過Φ32管道送往各臺程控閥作為閥門動作的動力源。運行一段時間后，我們發(fā)現(xiàn)部分閥門起落較慢(主要是101、106等系統(tǒng)大閥門和距動力源較遠的閥門)，影響時間短時導致系統(tǒng)運行效率降低，嚴重時導致系統(tǒng)停車甚至引發(fā)安全事故。經(jīng)檢查和現(xiàn)場觀察分析，我們認為是由于儀表空氣管徑細，管線長，儀表空氣管中間油霧器型號小，油霧器稍有堵塞(特別是冬季有結(jié)冰現(xiàn)象)就導致前后壓差增大，到達程控閥的儀表空氣壓力低，引發(fā)程控閥開關(guān)動作慢所致。經(jīng)過技術(shù)人員研究后，我們大膽進行了技術(shù)改造:將儀表空氣管由Φ32無縫管換成Φ51無縫管，油霧器型號加大并加旁路(油霧器出現(xiàn)問題時儀表空氣走旁路而對油霧器進行檢修)，在油霧器后加設(shè)一臺穩(wěn)壓罐，穩(wěn)壓罐下部加裝一個排污閥，這樣既可排污，又可穩(wěn)定儀表空氣壓力，減少壓差;冬季加強空氣壓縮機管理，及時更換干燥劑并加強出口緩沖罐的排污。改造后，經(jīng)過近一年多來的運行，再未出現(xiàn)同類問題，程控閥運行正常，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

2.2 逆放前期(D1)氣體回收影響脫硫系統(tǒng)運行

由于逆放前期氣體中的有效成分(H2、CO、N2)含量較多，所以設(shè)計時人為將逆放階段分為前期和后期兩個階段，將逆放前期的氣進行了回收。由于壓力較低(0.1 MPa左右)，我們將它回收到了脫硫崗位的羅茨鼓風機進口。但試運行一段時間后，發(fā)現(xiàn)羅茨鼓風機因進口壓力在逆放前期氣體回收時壓力波動較大(羅茨鼓風機進口壓力僅0.003～0.005 MPa)，羅茨鼓風機負荷加重，運行聲音不正常，電流劇烈波動，影響羅茨鼓風機的安全運行。對此我們又及時進行了技術(shù)改造，將逆放氣回收羅茨鼓風機移至半水煤氣柜出口，經(jīng)煤冷塔和氣水分離器等設(shè)備緩沖后再進入羅茨鼓風機。改造后在逆放氣正?；厥盏那闆r下，羅茨鼓風機運行平穩(wěn)，再未出現(xiàn)異常響聲和電流大幅波動等不正常情況。

2.3 程控閥程序控制故障

在2010年8月系統(tǒng)運行正常時，突然吸附塔D塔109 D閥出現(xiàn)開關(guān)不正常，不受DCS系統(tǒng)的控制，經(jīng)儀表檢修人員檢查調(diào)整后仍未解除故障，且運行一段時間后108D、107D等D塔所有的閥門全部出現(xiàn)不正常。經(jīng)我公司儀表人員檢查，未查出問題原因。在這種情況下，操作人員采取果斷措施，切掉D塔，將系統(tǒng)運行模式由10-3-9(即10塔在線3塔同時進料9次均壓)調(diào)整為9-3-8(即9塔在線吸附3塔同時進料8次均壓)，保證系統(tǒng)的正常運行。而后經(jīng)廠家技術(shù)人員現(xiàn)場檢查后發(fā)現(xiàn)，事故是由DCS控制系統(tǒng)中控制D塔程控閥的一個卡件電源接觸不良引發(fā)的。經(jīng)及時維修后該塔很快投入了正常運行。

2.4 凈化氣(產(chǎn)品氣)中CO2波動大

裝置設(shè)計凈化氣中CO2含量在0.2%左右，且氣體成分應(yīng)該比較穩(wěn)定，但在實際運行中，我們發(fā)現(xiàn)PSA出口凈化氣中CO2含量很不穩(wěn)定，經(jīng)常有大幅度的波動。經(jīng)過分析，我們發(fā)現(xiàn)主要有兩個方面的原因:一是由于我們公司氨水法脫除CO2系統(tǒng)和PSA系統(tǒng)兩套脫碳系統(tǒng)同時使用。由于兩套系統(tǒng)運行時氣量平衡不好，如氨水脫碳崗位隨著液位的高低而引起阻力變化、系統(tǒng)加減負荷時氣量調(diào)節(jié)不及時、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整而對兩個系統(tǒng)氣量進行較大幅度調(diào)整、調(diào)整粗甲醇濃度時人為調(diào)節(jié)凈化氣中CO2含量等，導致進入變壓吸附系統(tǒng)的氣量不穩(wěn)定。二是操作人員經(jīng)驗不足，調(diào)節(jié)的預見性較差，不能根據(jù)系統(tǒng)情況進行有預見性的調(diào)節(jié)，等到發(fā)現(xiàn)CO2明顯波動再去調(diào)節(jié)為時已晚。對此，我們從管理上制定相關(guān)措施，加強崗位間的溝通，盡量減少PSA系統(tǒng)氣量的波動;加強班組之間的交流學習，不斷總結(jié)經(jīng)驗。經(jīng)過兩年多來的摸索，目前已基本總結(jié)了一套切實可行的經(jīng)驗，杜絕了凈化氣CO2大幅波動的現(xiàn)象。

3 運行效果分析

3.1 主要運行指標

①原料氣處理量:4 500～26 000 Nm3/h;②原料氣成分:CO227.8%，CO2.9%，H251.7%，N216.5%，O20.2%，CH40.9%;③凈化氣(產(chǎn)品氣)成分:CO20.2% ～0.8%(根據(jù)氣量大小和粗甲醇濃度進行調(diào)節(jié))，CO 4.0% ～4.2%，H271% ～72%，N222% ～23%，O20.2%，CH41.2% ～1.3%;④解吸氣成分:CO292% ～95%。

根據(jù)兩年多來實際運行效果分析，裝置原料氣處理氣量在4 500～26 000 Nm3/h，顯示了較大的存在彈性;原料氣的轉(zhuǎn)換率為69% ～71.5% ，有效氣體成分回收率97% ～99.5%，基本達到了設(shè)計標準。

3.2 經(jīng)濟效益分析

按每天增加液氨產(chǎn)量100 t，減少NH4HCO3產(chǎn)量420 t，液氨平均銷售價格2 400元/t，NH4HCO3平均銷售價格510元/t，全年有效生產(chǎn)時間300 d計算，則:

300×100×2400-300×420×510=774(萬元)

即每年可增加經(jīng)濟效益774萬元。

4 結(jié)語

該裝置投運兩年多來，經(jīng)過技術(shù)人員和崗位化工人員的不斷摸索調(diào)整，增加經(jīng)驗，目前運行平穩(wěn)，達到了良好的運行效果。增加了我公司的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整的力度，產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟效益。