变压吸附脱碳装置在氮肥生产中的应用
2013-10-20郑高潮
郑高潮
（安徽昊源化工集团有限公司，安徽 阜阳 236800）
0 前 言
安徽昊源化工集团有限公司是由原安徽阜阳化工总厂改制而成的大型化工企业。主要产品有总氨1000kt／a（甲醇400kt／a）、尿素1000kt／a、碳酸氢铵400kt／a等。
据公司发展需要，2007年新上一套200000 m3／h的变压吸附脱碳装置，分两期实施（每期各100000m3／h），于2008年底全部完成并投入生产。本装置共投资8000万元，操作采用DCS控制系统，自动化程度高、运行平稳、无污染，达到了节能、降耗、减排的目的。现将该装置的设计、运行及改造情况总结如下。
1 工作原理
本装置采用变压吸附脱碳技术，从合成氨变换气中脱除二氧化碳。利用吸附剂对气体中各组分的吸附容量随压力变化而呈现差异的特性及吸附剂的选择性，实现加压时吸附杂质（二氧化碳）产出净化气体（含氢气、氮气、一氧化碳、甲烷等）；减压时释放杂质（二氧化碳），同时吸附剂完成再生。
2 设计参数
2.1 变换气（其组分见表1）
流量 200000m3／h
压力 约2.7MPa（G）
温度 ≤40℃
表1 变换气组分 %
2.2 净化气（其组分见表2）
流量 140938m3／h
压力 约2.6MPa（G）
温度 35～40℃
表2 净化气组分 %
3 工艺流程（图1）简介
原料气（变换气）在压力2.6～2.7MPa、温度≤40℃下进入系统，先进入水分离器除去游离水后，经流量计计量进入由20台吸附器组成的PSA－1系统（一段变压吸附），该系统在任何时刻总有5台吸附器处于吸附状态，出口端获得CO2含量为8%～12%的半成品气。半成品气经半成品气缓冲罐缓冲后，以稳定的流量、压力输出，直接进入PSA－2系统（二段变压吸附），该系统在任何时刻总有4台吸附器处于吸附状态，出口端获得CO2含量≤0.5%的净化气。
图1 PSA脱碳系统流程示意
4 主要设备（表3、表4）
表3 静止设备
表4 运转设备
5 运行情况
5.1 原料气（其组分见表5）
流量 195600m3／h
压力 约2.65MPa（G）
温度 23℃
表5 原料气组分 %
5.2 产品气（其组分见表6）
流量 约137800m3／h
压力 约2.6MPa（G）
温度 23℃
表6 产品气组分 %
6 优化改造措施
由于该装置设计时为国内压力级别最高、单套生产能力最大（年产总氨400kt以上），国内无成功运行装置可以借鉴，因此在设计、安装、试车及生产中暴露出一些问题。我公司通过设备改造、工艺优化、强化管理等取得了良好的经济和社会效益，具体改造内容如下。
（1）随着二期工程的投运，整套装置达到了设计要求的满负荷运行，共有吸附塔38台同时运行，考虑到程控阀使用周期，为避免程控阀同时坏两台而影响生产，我们与设计院沟通后在程序上做了调整，增加了系统故障自动检索恢复功能（即便是操作出现错误，计算机会自动检索到正确的程序并运行），大大提高了系统的安全性。
（2）本装置投运初期，程控阀内部密封垫片时有密封不严现象，造成大量有效气体流失。经多次论证，我们集中更换一批程控阀密封垫片，并把材质更换为增强四氟。更换后，程控阀运行平稳，使用周期明显增长。
（3）该装置开车期间为冬季，气温在－5～－8℃。由于我公司的仪表空气为集中供气，且距离该装置较远，致使仪表空气送达本装置后因温降而带水严重，程控阀处有积水结冰现象，导致程控阀动作失灵，且程控阀执行机构损坏严重。针对这一问题，我们采取定期更换仪表空气干燥剂，并在仪表空气进入该装置前，设置空气缓冲罐及二级空气干燥器系统一套，进一步提高空气品质，方案实施后效果较好。
（4）本装置共有真空泵9台，其填料密封水设计为采用一次软水，回水直接外排，这不仅造成大量浪费，而且也带来很大的环保压力。我们集中就地回水，并设置密封水供给泵1台，循环使用密封水，收到良好的效果。
（5）加强管理，保证安全运行。由于该系统设备、管线大部分处于交变负荷作用下，为避免设备故障而影响生产，除操作、维修人员的正常巡检外，我们每个月对所有设备、管线焊缝、密封垫等进行专项检查一次，并做好记录，及时发现隐患及时处理。
采取上述措施后，系统技术经济分析如表7。
表7 改进前后系统技术经济分析表
