42000 Nm3/h空分設(shè)備分子篩吸附器出口空氣中CO2含量超標(biāo)的分析與處理

邊 峰，袁成義，薛振岐

(陜西延長(zhǎng)中煤榆林能源化工有限公司，陜西 榆林 718500)

陜西延長(zhǎng)中煤榆林能源化工有限公司在靖邊工業(yè)園區(qū)建有世界首套煤、油、氣綜合利用項(xiàng)目裝置，生產(chǎn)規(guī)模為180萬(wàn)t/a甲醇、150萬(wàn)t/a渣油催化裂解(DCC)、60萬(wàn)t/a MTO、60萬(wàn)t/a聚乙烯(PE)和60萬(wàn)t/a聚丙烯。與其配套的空分裝置采用法液空技術(shù)，兩套空分為KDON42000/31000，采用汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，空氣壓縮、增壓一體機(jī)組、常溫分子篩空氣凈化、液氧內(nèi)壓縮、下塔抽取壓力氮、中壓增壓透平膨脹機(jī)、膨脹空氣進(jìn)下塔、規(guī)整填料精餾塔等先進(jìn)的空分單元。其中分子篩吸附器采用立式徑向流雙層床分子篩吸附器，外層填充BAA3φ3～5 mm 活性氧化鋁，內(nèi)層填充13X-APG型分子篩。

1 空分分子篩CO2穿透原因分析

2014年空分投入生產(chǎn)以來，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，但出現(xiàn)了55次分子篩吸附器出口空氣中CO2含量超標(biāo)的現(xiàn)象，造成每年對(duì)設(shè)備要進(jìn)行一次復(fù)熱，給空分的安全、長(zhǎng)周期運(yùn)行帶來較大影響。我們組織相關(guān)專業(yè)人員進(jìn)行排查，分子篩性能、分子篩床層、分子篩設(shè)計(jì)裝填數(shù)量、出空冷塔空氣溫度都正常，對(duì)可能存在的其它原因進(jìn)行了如下分析：

1.1 分子篩吸附器進(jìn)口空氣中水含量是否正常

空冷塔液位并未出現(xiàn)大幅度波動(dòng)，空冷塔液位穩(wěn)定在43%左右 ，空氣出空冷塔壓力未見異常；冷凍水pH值穩(wěn)定在8.5左右，現(xiàn)場(chǎng)排查循環(huán)水未發(fā)現(xiàn)大量泡沫，因此可排除空氣帶水故障。同時(shí)，出空冷塔空氣溫度在9～12℃，空氣中水含量也在正常范圍內(nèi)，入分子篩空氣導(dǎo)淋未見析出水排出。

1.2 分子篩純化系統(tǒng)各程控閥是否泄漏

在分子篩吸附器升壓及降壓過程中，分子篩吸附器壓力變化未見異常 。儀表人員現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行閥位確認(rèn)排查，未聽見閥門內(nèi)漏串氣聲音，確認(rèn)分子篩純化系統(tǒng)各程控閥不存在泄漏現(xiàn)象。

1.3 分子篩蒸氣加熱器是否泄漏，造成再生氣露點(diǎn)不合格

低壓塔抽出的污氮?dú)饨?jīng)蒸汽加熱器加熱到160℃后作為分子篩吸附器的加熱再生氣。用便攜式露點(diǎn)分析儀進(jìn)行檢測(cè)與在線露點(diǎn)儀MI1258數(shù)據(jù)相近，顯示再生氣露點(diǎn)為-75℃以下，說明蒸汽加熱器正常，沒有發(fā)生蒸汽加熱器內(nèi)漏現(xiàn)象。

1.4 空壓機(jī)進(jìn)口空氣中CO2含量偶爾嚴(yán)重超標(biāo)

空分設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，大氣中CO2含量以 600 ppm為基準(zhǔn)值，如果分子篩吸附器進(jìn)口空氣中CO2含量過高，分子篩吸附容量飽和后出口空氣中CO2含量會(huì)超標(biāo)。經(jīng)過排查，分子篩每次CO2穿透時(shí)均為北風(fēng)。聯(lián)系分析取樣，此時(shí)空壓機(jī)吸入口空氣中CO2含量最高達(dá)2000 ppm。最終排查確認(rèn)分子篩CO2穿透原因?yàn)榈蜏丶状枷囱b置產(chǎn)生的CO2氣體排放擴(kuò)散至空分區(qū)域造成。低溫甲醇洗裝置排放的尾氣，氣量約為62000 Nm3/h，其中CO2含量約為80%左右，該部分尾氣在低溫甲醇洗裝置就地70 m高度排放，尾氣排放口位置在空分的正北方向約400 m。

2 分子篩出口CO2穿透后的應(yīng)急操作

分子篩后CO2含量設(shè)計(jì)邏輯關(guān)系為：當(dāng)微量CO2達(dá)到3 ppm時(shí)，延時(shí)15 min空分冷箱跳車。如果不人為干預(yù)，空分將會(huì)停車，無法滿足后系統(tǒng)連續(xù)生產(chǎn)運(yùn)行。對(duì)此我們采取以下應(yīng)急操作措施：

(1)當(dāng)分子篩程序處于冷吹階段，且距離冷吹結(jié)束時(shí)間小于20 min，啟動(dòng)該預(yù)案。

(2)當(dāng)分子篩出口CO2含量超標(biāo)后及時(shí)將指標(biāo)打至“校驗(yàn)”位置，并給出一個(gè)小于報(bào)警值的假值(一般是0.1～1.0 ppm之間)。

(3) 人為手動(dòng)干預(yù)分子篩順控。點(diǎn)擊分子篩順控“強(qiáng)制”按鈕，待程序有效后，點(diǎn)擊“下一步”，進(jìn)入低壓隔離階段，強(qiáng)制讓分子篩進(jìn)入下一步順控程序，提前結(jié)束歩序，進(jìn)行切換。之后將按照正常順控程序進(jìn)行。

(4)在該分子篩進(jìn)入第四步“加熱”階段時(shí)，將電加熱器啟動(dòng)(一般啟動(dòng)兩組)，進(jìn)行特殊再生，保證分子篩再生合格。

(5) 吸附器切換后，待含量下降至1 ppm時(shí)，再將聯(lián)鎖恢復(fù)，退出“校驗(yàn)”模式。

按照以上預(yù)案處理，保證了空分系統(tǒng)的正常運(yùn)行，但多次分子篩出口CO2超標(biāo)，CO2將會(huì)在換熱器、膨脹機(jī)、精餾塔以及液氧泵入口濾網(wǎng)處沉積，造成設(shè)備堵塞，導(dǎo)致裝置生產(chǎn)負(fù)荷降低，甚至停車。另外，液氧中懸浮的CO2干冰在摩擦過程中，容易產(chǎn)生靜電，所產(chǎn)生的靜電高達(dá)幾千伏，若遇碳?xì)浠衔锖砍瑯?biāo)，極易產(chǎn)生主冷局部微爆或爆炸，對(duì)空分裝置穩(wěn)定運(yùn)行造成安全隱患。

3 低溫甲醇洗尾氣放空口改造方案

考慮到榆能化公司一期填平補(bǔ)齊項(xiàng)目將在目前低溫甲醇洗裝置北側(cè)再建設(shè)一套低溫甲醇洗裝置，屆時(shí)又有大量CO2氣體排放，為保障空分裝置穩(wěn)定運(yùn)行，且不影響低溫甲醇洗運(yùn)行前提下，對(duì)尾氣排放口進(jìn)行改造。成立專項(xiàng)小組，聯(lián)系有關(guān)設(shè)計(jì)院到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察，根據(jù)企業(yè)所在的環(huán)境、風(fēng)向、風(fēng)速、大氣壓等，初步研究制定三種方案并進(jìn)行研究論證。

方案一：將低溫甲醇洗裝置尾氣引至鍋爐，利用鍋爐煙囪排放至150 m高點(diǎn)。在低溫甲醇洗原有放空筒和去鍋爐處增加三通、管線、閥門，當(dāng)鍋爐煙囪出現(xiàn)故障或其它問題時(shí)可改為就地排放；

方案二：將低溫甲醇洗裝置尾氣引至火炬區(qū)域排放，遠(yuǎn)離空分裝置高點(diǎn)排放，在現(xiàn)有火炬塔架邊建造新的約150 m高排放筒；

方案三：在低溫甲醇洗裝置界區(qū)內(nèi)建設(shè)新放空筒，根據(jù)氣體擴(kuò)散計(jì)算結(jié)果確定放空高度。經(jīng)過對(duì)以上三種方案的研究論證，并且為確保低溫甲醇洗裝置運(yùn)行穩(wěn)定，最終采用方案三。主要原因是：低溫甲醇洗尾氣排放壓力較低，只有0.050 MPa(G)，如配管引至鍋爐煙囪或火炬排放，因輸送距離較遠(yuǎn)且排放高度較高，可能會(huì)造成低溫甲醇洗尾氣排放不暢、系統(tǒng)壓力波動(dòng)等情況，造成低溫甲醇洗裝置無法正常運(yùn)行；且因該股尾氣氣量較大，組分為CO2，為避免腐蝕管道，放空筒材質(zhì)需用不銹鋼，如送至火炬或鍋爐排放，大管徑不銹鋼管道投資較大。最終經(jīng)過設(shè)計(jì)計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察，決定在現(xiàn)有低溫甲醇洗尾氣排放口就近新建160 m尾氣放空筒，將一期項(xiàng)目和填平補(bǔ)齊項(xiàng)目的低溫甲醇洗裝置尾氣合并排放至新加的放空筒進(jìn)行排放，以避免對(duì)空分裝置造成影響。

一期項(xiàng)目和填平補(bǔ)齊項(xiàng)目的低溫甲醇洗裝置尾氣最大排放量：169500 Nm3/h，CO2最大約87.1%。采用PHAST軟件計(jì)算，要求低溫甲醇洗尾氣最大排放量工況下，空分吸入口CO2濃度低于600 ppm，則排放點(diǎn)高度至少需要160 m。

4 尾氣改造前后效果對(duì)比

2018年5月30日，低溫甲醇洗尾氣放空筒項(xiàng)目開始建設(shè)，其位置在低溫甲醇洗裝置區(qū)內(nèi)，離在用設(shè)備不足5 m，為確保施工安全高質(zhì)量按計(jì)劃完成特制定安全施工方案并嚴(yán)格把關(guān)。該改造項(xiàng)目經(jīng)過6個(gè)月的施工，完成了組對(duì)焊接、空中組裝，經(jīng)過“三查四定”、尾項(xiàng)處理、啟動(dòng)前安全檢查等一系列工作后，于2018年12月3日在線投入運(yùn)行，投運(yùn)后低溫甲醇洗系統(tǒng)各工藝指標(biāo)數(shù)據(jù)均正常。

改造前：當(dāng)刮北風(fēng)時(shí)候，空分裝置空壓機(jī)空氣吸入口CO2含量為600～750 ppm，最高為：2000 ppm；新放空筒投用前，兩年運(yùn)行周期內(nèi)分子篩CO2穿透55次；改造后：新建放空筒投用一年來，當(dāng)刮北風(fēng)時(shí)候，空分裝置空壓機(jī)空氣吸入口CO2含量為380～500 ppm,最高為：635 ppm；新建低溫甲醇洗放空筒投用后，空壓機(jī)吸入口CO2降低約260 ppm，分子篩后CO2含量≤1 ppm，未出現(xiàn)分子篩后CO2穿透現(xiàn)象，達(dá)到預(yù)期效果。同時(shí)，低溫甲醇洗尾氣現(xiàn)場(chǎng)160 m高點(diǎn)放空后，現(xiàn)場(chǎng)噪音有明顯降低。

該放空筒投用后，將空分裝置運(yùn)行周期由原來的一年預(yù)計(jì)將會(huì)延長(zhǎng)至三年，避免了空分裝置因?yàn)榭諝釩O2含量超標(biāo)每年復(fù)熱，也避免了空分設(shè)備管道頻繁的高、低溫度應(yīng)力交變，延長(zhǎng)了空分運(yùn)行周期和設(shè)備管道的使用壽命。

5 結(jié)束語(yǔ)

為保證空分裝置的安全運(yùn)行，對(duì)危險(xiǎn)氣體進(jìn)行分析是一項(xiàng)十分重要的工作。近些年，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和化工企業(yè)密集集中建設(shè)對(duì)空氣質(zhì)量有一定的影響，空氣中的有害成分不斷增加。本改造項(xiàng)目?jī)H對(duì)榆能化公司低溫甲醇洗CO2放空有效，對(duì)于已建成的煤化工項(xiàng)目來說，需要進(jìn)行方案論證、計(jì)算和技術(shù)改造。而對(duì)于新建項(xiàng)目，在設(shè)計(jì)階段考慮尾氣排放對(duì)空分裝置的影響(空壓機(jī)吸入口在污染源上風(fēng)向、遠(yuǎn)離污染源、加高排放口及采用高效優(yōu)質(zhì)分子篩等)，這樣才能保證裝置的安全平穩(wěn)運(yùn)行。