變壓吸附脫碳系統(tǒng)的改造及工藝優(yōu)化探討

郭風光

(山西金象煤化工有限責任公司， 山西晉城 048000)

在最終產(chǎn)品為尿素的合成氨工藝中，脫碳工段處于承前啟后的關鍵位置。脫碳工段的作用是脫除上一個工段來的變脫氣中的CO2，為后工段提供合格的凈化氣，使凈化氣中CO2含量降到指標以內(nèi)，同時為尿素工段提供合格的CO2原料氣體。2011年11月某化工公司年產(chǎn)180 kt合成氨、300 kt尿素項目投入正常生產(chǎn)，配套的合成氨氣體凈化系統(tǒng)的脫碳裝置采用變壓吸附脫碳[1]吹掃工藝，該裝置運行到2019年9月，出現(xiàn)系統(tǒng)變壓吸附脫碳阻力大、有效氣體損失多、產(chǎn)品氣純度低等問題。

1 工藝流程

1.1 全廠工藝流程

該合成氨裝置由原料氣制備裝置、原料氣凈化裝置、原料氣壓縮裝置、氨合成裝置4個部分組成。

原料氣制備采用常壓固定床[2]制氣工藝，以無煙煤為原料，以富O2和蒸汽為氣化劑，在煤氣爐內(nèi)反應，經(jīng)過吹風、上吹、下吹、二次上吹、吹凈5個階段，生產(chǎn)出合格的半水煤氣送至氣柜。來自氣柜的半水煤氣經(jīng)過電捕焦裝置除去大部分的焦油和灰塵，再由羅茨鼓風機加壓后經(jīng)過半脫工段用脫硫液初步脫除半水煤氣中的H2S后送至氮氫壓縮機一段進口總管。

原料氣凈化采用柴油超深度加氫脫硫(RTS)、全低溫變換[3]、變壓吸附脫碳、精脫硫、低壓聯(lián)醇、雙甲精制工藝，原料氣壓縮采用6級壓縮。來自氮氫壓縮機一段進口總管的半水煤氣經(jīng)氫氮壓縮機加壓后由壓縮三段出口進入變換工段。變換工段將來自壓縮工段的半水煤氣與水蒸氣反應，在一定溫度下借助觸媒的催化作用使其中的CO變換為CO2和H2。變換氣經(jīng)過變換氣脫硫工段，用脫硫液進一步吸收H2S，使出口H2S含量降至規(guī)定指標內(nèi)，然后送至變壓吸附脫碳工段。變壓吸附脫碳工段脫除變換氣中的CO2，為后工段提供合格的凈化氣，同時為尿素工段提供合格的CO2原料氣。凈化氣經(jīng)過精脫硫后送至壓縮四段加壓，然后送至低壓醇工段，在一定的溫度和壓力條件下，經(jīng)觸媒催化，將CO、CO2與H2反應生成粗甲醇，儲存于粗醇槽。粗甲醇用泵送至甲醇精餾工段后精餾成精甲醇，存于甲醇庫。出低壓醇工段的原料氣經(jīng)壓縮五段、六段加壓后送至雙甲精制(醇烷化)工段，在適當?shù)臏囟群蛪毫l件下，通過甲醇催化劑的作用，使少量的CO、CO2與H2反應生成氣態(tài)甲醇，經(jīng)降溫冷卻為液醇，由醇分離器將甲醇分離，液醇送往粗醇槽。醇后氣中含有微量的CO、CO2，進入高壓烷化工段后，在適當?shù)臏囟群蛪毫l件下，通過甲烷催化劑的作用，微量的CO、CO2與H2反應生成對合成氨觸媒無害的甲烷，并生成少量的水，經(jīng)冷卻分離除 去，使烷化氣中CO+CO2體積分數(shù)小于10×10-6，然后送至氨合成工段。

氨合成采用國產(chǎn)中壓氨合成工藝[4]。經(jīng)過凈化后的氫氮氣在適當?shù)臏囟群蛪毫l件下，借助于氨合成催化劑的作用合成為氨。所得的氣氨被冷凝分離出來；液氨送至氨罐，未合成氨的氫氮混合氣經(jīng)循環(huán)加壓進行下一步反應。高壓氫回收工段將氨合成工段送來的弛放氣用脫鹽水吸收氣氨，再用膜分離法提取其中高濃度的H2送往壓縮一段提壓后再回氨合成工段，稀氨水送至尿素工段。高壓氫回收工段的尾氣和氨罐來的弛放氣進入無動力氨回收工段回收處理后，一部分氣氨送至冰機，另一部分經(jīng)過低壓氫回收工段處理后送至三廢鍋爐。

尿素合成采用CO2汽提法工藝和造粒塔造粒工藝。來自變壓吸附脫碳工段的CO2進入CO2壓縮機，加壓后與來自氨罐經(jīng)氨泵加壓后的液氨同時進入尿素合成工段反應。生成的尿液經(jīng)提濃后，由熔融泵送至造粒塔，經(jīng)噴淋冷卻后形成尿素顆粒。尿素顆粒經(jīng)皮帶運輸送出后包裝入袋。

全廠流程方塊圖見圖1。

圖1 全廠流程方塊圖

1.2 變壓吸附脫碳流程

從變脫工段出來的氣體，經(jīng)汽水分離器除去游離水后進入提純段吸附塔。提純后的氣體去凈化段吸附塔，脫除CO2后的凈化氣去精脫硫工段；提純段吸附塔產(chǎn)生的高純度CO2氣體供尿素合成使用。變壓吸附脫碳主要流程方塊圖見圖2。

圖2 變壓吸附脫碳流程方塊圖

1.2.1 提純段工藝流程

壓力為2.1～2.5 MPa、溫度小于40 ℃的變換氣由界外送入提純段，先經(jīng)汽水分離器除去游離水后進入吸附塔，由下而上通過床層，出塔后的中間氣送入凈化段。

當吸附塔前沿處與床層出口處的吸附劑，吸附雜質(zhì)的氣體濃度接近時，關閉吸附塔的變換氣閥和中間氣進口閥，停止吸附，通過19次均壓步驟回收床層留存的氫氮氣，然后先運行順放工序，以提純床層CO2濃度，再運行逆放工序，回收CO2氣體供尿素合成使用。逆放工序結(jié)束后，利用凈化段吹掃氣解吸吸附的雜質(zhì)，使吸附劑得到再生，同時回收吹掃氣中的氫氮氣，再生廢氣經(jīng)放空管排放至大氣。吹掃結(jié)束后，利用提純工段均壓氣和中間氣對床層逆向升壓，直至床層壓力接近吸附壓力，吸附床便開始進入下一個吸附循環(huán)過程。

1.2.2 凈化段工藝流程

中間氣進入凈化段吸附塔，由下而上通過床層，出塔后的凈化氣送往下一工段。當吸附塔前沿處與床層出口處的吸附劑，吸附雜質(zhì)的氣體濃度接近時，關閉吸附塔的中間氣進口閥和產(chǎn)品氣出口閥，停止吸附。通過4次均壓步驟回收吸附床層死空間的有效氣體，然后運行順放工序，將塔內(nèi)氣體依次放入3個順放緩沖罐為吹掃做準備。順放工序結(jié)束后進行逆放工序，即將吸附塔氣體中可回收部分通過程控閥對提純段進行二段升壓，其余不可回收氣體則通過程控閥放空至常壓，被吸附雜質(zhì)排入大氣使吸附劑得到初步再生。逆放工序結(jié)束后開始吹掃，3個順放緩沖罐中的氣體通過調(diào)節(jié)閥緩慢、勻速地對吸附塔進行逐次吹掃，以進一步解吸吸附劑上殘留的吸附雜質(zhì)，使吸附劑得到完全再生。吹掃結(jié)束后，利用凈化段均壓氣和產(chǎn)品氣對床層逆向升壓，直至床層壓力接近吸附壓力，吸附床便開始進入下一個吸附循環(huán)過程。

2 設計指標

變壓吸附脫碳裝置的工藝設計指標見表1。

表1 變壓吸附脫碳裝置的工藝設計指標

3 主要設備

變壓吸附脫碳采用兩段吹掃工藝，主要設備見表2。

表2 變壓吸附脫碳裝置主要設備

4 工藝原理

變壓吸附的基本原理是利用吸附劑對吸附質(zhì)在不同分壓下有不同的吸附容量，并且在一定壓力下對被分離的氣體混合物的各組分又有選擇吸附的特性，加壓吸附除去原料氣中雜質(zhì)組分，減壓脫附這些雜質(zhì)而使吸附劑獲得再生。

由于吸附劑需要再生，所以單一的固定吸附床操作，其吸附是間歇式的。對于變壓吸附循環(huán)過程，有3個基本工作步驟，即壓力下吸附、減壓解吸、升壓。

(1) 壓力下吸附。吸附床在工作壓力下通入被分離的氣體混合物，其中強吸附組分被吸附劑選擇性吸收，弱吸附組分從吸附床的另一端流出。

(2) 減壓解吸。吸附床壓力先降壓到大氣壓力，然后利用弱吸附組分通過需要再生的吸附床，被吸附組分的分壓隨吹掃氣通過而下降。

(3) 升壓。吸附劑再生完成后，用弱吸附組分對吸附床進行充壓，直至吸附壓力。

因此，采用多個吸附床，循環(huán)地變動所組合的各吸附床壓力，使吸附床的吸附和再生交替進行，就可以達到連續(xù)分離氣體混合物的目的。

5 存在的問題

2019年3月，該公司盤活閑置設備后，通過變壓吸附脫碳裝置的氣量增加，出現(xiàn)了系統(tǒng)阻力大、有效氣體損失多、產(chǎn)品氣純度低等問題，分析原因主要為吸附塔空速過快、均壓閥內(nèi)漏、增壓風機未投用、吸附程序不合理。

5.1 吸附塔空速過快

提純段吸附塔空速為0.077 m/s，凈化段吸附塔空速為0.070 m/s，均超過了吹掃流程吸附塔空速小于0.060 m/s的要求，不利于吸附，且單臺吸附塔阻力增加；解吸時吸附塔內(nèi)氣體不能最大程度回收，導致有效氣回收效率低。

5.2 均壓閥內(nèi)漏

氣量增加后，均壓程控閥所在的管線氣體沖刷增大，部分程控閥內(nèi)漏，吸附塔運行吸附程序時有效氣體泄漏，導致有效氣回收效率低；吸附塔減壓解吸時不徹底，影響解吸效果，影響產(chǎn)品氣中CO2純度。

5.3 增壓風機未投用

設計凈化段增壓風機的目的是通過增壓風機將凈化段部分解吸氣加壓返回提純段，減少凈化段解吸氣放空量，返回提純段進行吹掃回收。開車初期嘗試將增壓風機開啟，但增壓風機沒有起到作用，氣量增加后也未投用，導致凈化段解吸氣未及時回收，有效氣回收效率低。

5.4 吸附程序不合理

提純段和凈化段同時運行吸附程序的吸附塔數(shù)量較少，導致系統(tǒng)阻力增加；提純段裝置只考慮了2次連續(xù)逆放，逆放后塔內(nèi)壓力仍有40 kPa，導致解吸效果差，循環(huán)時間短，不利于CO2提濃。

6 應對措施

6.1 增加吸附塔數(shù)量

在原變壓吸附脫碳裝置工藝路線不變的基礎上，考慮到原裝置的配置和完整性，通過兩段各增加吸附塔，滿足了降低阻力需要。采用兩段法吹掃流程，在提純段增加7臺吸附塔，凈化段增加5臺吸附塔，使程序優(yōu)化具備硬件設施；解吸時最大程度地回收了吸附塔內(nèi)氣體，提高了有效氣回收效率。

6.2 增加限流孔板

在均壓程控閥閥前增加限流孔板，閥體和吸附塔處壓差降低，氣體沖刷閥體的情況明顯好轉(zhuǎn)，程控閥內(nèi)漏現(xiàn)象明顯消除，有效氣體泄漏減少，吸附塔解吸效果得到顯著提升。

6.3 投用增壓風機

投運增壓風機后，將凈化段H2濃度較高的吹掃一、吹掃二解吸氣加壓后返回提純段吹掃回收，同時降低了凈化段吹掃一、吹掃二解吸壓力，延長凈化段循環(huán)時間，減少放空量，增加了回收氣量。

6.4 優(yōu)化程序

提純段和凈化段增加了同時運行吸附程序的吸附塔數(shù)量，解決了吸附塔空速過快、不利于吸附、吸附塔阻力增加等問題；提純段裝置增加了逆放次數(shù)，逆放后塔內(nèi)壓力降至20 kPa，解吸效果明顯提升，產(chǎn)品氣中CO2純度達標。提純段和凈化段程序改造前后對比見表3。

表3 提純段和凈化段程序改造前后對比

7 運行效果

經(jīng)過改造后，系統(tǒng)阻力由0.25 MPa降低為0.12 MPa；有效氣體損失減少，在前系統(tǒng)條件不變的情況下，總氨平均日產(chǎn)量由1 135.87 t增加到1 174.38 t；產(chǎn)品氣中CO2純度由92%～98%提高到98.5%以上，滿足生產(chǎn)需求。

8 結(jié)語

通過對變壓吸附脫碳工段工藝的認真分析與觀察，對變壓吸附脫碳裝置進行改造，有效降低了系統(tǒng)阻力，回收了有效氣體，提高了產(chǎn)品氣純度，效果明顯，運行穩(wěn)定。