脫碳高閃氣回收裝置項目總結

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(山西陽煤豐喜集團臨猗分公司，山西 臨猗 044100)

1 背 景

陽煤豐喜臨猗分公司是山西省化肥行業的重點骨干企業之一，經過近二十年的發展，形成了年產氨醇750 kt、尿素1 100 kt的規?！，F有兩個分廠，共四套尿素生產裝置和一套甲醇生產裝置。與之配套的脫碳裝置共五套，除一分廠2#系統為VPSA-CO2脫碳工藝，其余四套均為濕法脫碳工藝：一分廠1#、3#系統為NHD脫碳，二分廠1#系統為MDEA脫碳，2#系統為低溫甲醇洗脫硫脫碳。

四套濕法脫碳裝置產生的高閃氣總量約為7 500 m3/h，各自的氣體組成、溫度、流量等參數如表1所示。

表1 脫碳高閃氣組成

由表1看出，四種脫碳高閃氣中有效氣體H2的總量為1 525.6 m3/h。此項目建成之前，脫碳高閃氣大部分放空，不僅造成環境污染，而且浪費了寶貴資源，因此有必要對脫碳高閃氣作凈化處理，回收其中的有效氣體。

本項目采用VPSA(真空變壓吸附)裝置，回收四套濕法脫碳裝置高閃氣中的有效氣體。項目總投資約580萬元，設計處理原料氣量8 000 m3/h，實際原料氣量5 600 m3/h，產品氣量1 536 m3/h。

經過三個多月的緊張施工，于2012年8月20日試運行。項目設計由杭州普菲科空分設備有限公司承擔，并提供裝置內的吸附劑、程控閥以及儀器儀表等；土建工作主要包括羅茨風機、分離器、緩沖罐、7臺吸附塔等基礎的施工；安裝防腐由陽煤豐喜建安公司完成，主要工作是原球罐及其管線的拆除、管線的預制、吸附塔安裝、羅茨風機就位安裝等。

2 設計方案

2.1 設計工藝指標

(1)凈化氣

凈化氣體中含CO2≤10.0%

凈化氣中含H2S ≤5.0×10-6

凈化氣壓力 0.4 MPa(表)

產品氣溫度 常溫

H2回收率 ≥90.0%

CO收率 ≥90%

(2)解吸氣

解吸氣 CO2≥98%

解吸氣壓力 ≥0.025 MPa(表)

2.2 工藝流程

脫碳高閃氣經過變壓吸附裝置處理之后，得到凈化氣和解吸氣兩種氣體，如圖1。

圖1

脫碳高閃氣(以下稱原料氣)以壓力0.5 MPa、溫度35 ℃進入界區內分離緩沖罐，經計量后入變壓吸附單元。

采用7-2-3 VPSA抽真空流程，即裝置由7個吸附塔組成，其中2個吸附塔始終處于同時進料吸附狀態。其工藝過程由吸附、3次均壓降壓、順放、逆放、抽真空、3次均壓升壓和產品氣最終升壓等步驟組成。

以吸附塔A為例說明其工藝過程。

(1)吸附過程

經洗滌后的原料氣以壓力0.5 MPa，溫度34 ℃進入吸附塔A，自下而上經過吸附床層，氣體中的水分、二氧化碳等雜質被塔內吸附劑吸附，氫氮氣等組分從吸附塔頂部連續排出送壓縮單元。

當被吸附雜質的傳質區前沿(稱為吸附前沿)到達床層出口預留段某一位置時，關掉A塔的原料氣進料閥和產品氣出口閥，停止吸附，轉入再生過程。

(2)均壓降壓過程

吸附過程結束后，順著吸附方向將塔內較高壓力的氫氮氣放入其他已完成再生的較低壓力吸附塔。這一過程不僅是降過壓程，更是回收床層死空間氫氣的過程，本流程共包括了3次連續均壓降壓過程，以保證氫氣的充分回收。

(3)順放過程

均壓降壓過程結束后，塔內還有一定壓力，此時順著吸附方向將塔內的壓力進一步降低，順放氣體直接放空，同時可提高解吸氣體中二氧化碳濃度。

(4)逆放過程

在均壓結束、吸附前沿達到床層出口后，逆著吸附方向將吸附塔壓力降至接近常壓，此時被吸附的雜質開始從吸附劑中大量解吸出來，低濃度的解吸氣直接放空,逆放后期的氣體送CO2工段。

(5)真空過程

逆放過程結束后，逆著吸附方向對吸附塔抽真空，進一步降低壓力，使被吸附的雜質完全解吸出來，抽空CO2氣外送。

(6)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氫氮氣對該吸附塔進行升壓。這一過程與均壓降壓過程相對應，不僅是升壓過程，而且更是回收其他塔床層死空間氫氣的過程。

(7)產品氣升壓過程

在均壓升壓過程完成后，為了使吸附塔平穩地切換至下一次吸附并保證產品純度在這一過程中不發生波動，需要通過升壓調節閥緩慢而平穩地用排放氣將吸附塔升至吸附壓力，保證產品升壓過程的充分和減少吸附壓力波動的影響。

經這一過程后吸附塔便完成了一個完整的“吸附-再生”循環，并為下一次吸附做好了準備。

這樣，A塔就完成了一個完整的循環過程，又可以進入下一次吸附循環。

7臺吸附塔交替進行以上的吸附、再生操作(始終有2臺吸附塔處于吸附狀態，同時有1臺吸附塔處于抽空再生)，即可實現氣體的連續分離與提純。

2.3 工藝技術特點

(1)裝置采用一段法VPSA流程，確保一氧化碳與氫氣回收率指標。

(2)本裝置的吸附劑采用密相裝填技術，可進一步減小床層死空間，提高有效組分回收率。

(3)采用專用吸附劑，選擇性高，吸附劑用量少，配比合理，投資更省，運行費用更低，指標更先進。

(4)裝置配置了性能可靠、功能齊備的PLC控制系統，實現對裝置的自動控制和調節；自控系統可實現對溫度、壓力、流量以及程控閥閥位等主要操作參數的數據采集、過程監視，并能對裝置運行工況進行自動跟蹤監測，對故障進行自動診斷。

(5)采用多塔運行，若與某一吸附塔有關的程控閥(或控制部件)出現故障，PSA專家診斷切換系統可以進行自適應無擾動切換，以保證裝置長期穩定運行和便于維修。

(6)本裝置配備切塔軟件系統，當某臺吸附塔出現故障時可切除故障塔運行，保證裝置連續穩定運行。

(7)本裝置采用先進、可靠的氣動系統作為程控閥的驅動源，具有運行穩定、長周期、程控閥動作快、使用壽命長等優點。

2.4 主要設備(表2)

表2 主要設備一覽表

3 試運行數據及效益分析

本裝置運行狀況良好，基本達到了設計要求。試運行數據見表3。

表3 試運行數據一覽表

取6天運行數據的平均值計算，H2回收率為1 536×70%/(5 607×20.7%)=92.6%

由于本套裝置投運前，一分廠3#脫碳產生的高閃氣回到壓縮工段循環使用，因此不考慮此部分H2回收產生的效益。此部分高閃氣經過變壓吸附裝置處理后回收的H2量為：

1 900×26.2%×92%=458 m3/h

根據運行數據表可知，回收的H2年可產尿素：

(1 536×70%-458)/2 000/0.595×8 000

=4 149 t

尿素售價按1 993元/t計算，年增加銷售收入：

4 149×1 993=826萬元

4 結 語

截止目前，本套脫碳高閃氣回收裝置已投運一年零三個月，期間原料氣處理量約6 000 m3/h(H2含量21%)，產品凈化氣約1 620 m3/h(H2含量69.5%，CO2含量9.5%)，H2回收率為約 92.5%。脫碳高閃氣經本套裝置處理之后，回收了大量有效氣體H2，降低了合成氨消耗，減少了生產成本。