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

邊 峰，袁成義，薛振岐

(陜西延長中煤榆林能源化工有限公司，陜西 榆林 718500)

陜西延長中煤榆林能源化工有限公司在靖邊工業園區建有世界首套煤、油、氣綜合利用項目裝置，生產規模為180萬t/a甲醇、150萬t/a渣油催化裂解(DCC)、60萬t/a MTO、60萬t/a聚乙烯(PE)和60萬t/a聚丙烯。與其配套的空分裝置采用法液空技術，兩套空分為KDON42000/31000，采用汽輪機驅動，空氣壓縮、增壓一體機組、常溫分子篩空氣凈化、液氧內壓縮、下塔抽取壓力氮、中壓增壓透平膨脹機、膨脹空氣進下塔、規整填料精餾塔等先進的空分單元。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年空分投入生產以來，設備運行穩定，但出現了55次分子篩吸附器出口空氣中CO2含量超標的現象，造成每年對設備要進行一次復熱，給空分的安全、長周期運行帶來較大影響。我們組織相關專業人員進行排查，分子篩性能、分子篩床層、分子篩設計裝填數量、出空冷塔空氣溫度都正常，對可能存在的其它原因進行了如下分析：

1.1 分子篩吸附器進口空氣中水含量是否正常

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

1.2 分子篩純化系統各程控閥是否泄漏

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 。儀表人員現場進行閥位確認排查，未聽見閥門內漏串氣聲音，確認分子篩純化系統各程控閥不存在泄漏現象。

1.3 分子篩蒸氣加熱器是否泄漏，造成再生氣露點不合格

低壓塔抽出的污氮氣經蒸汽加熱器加熱到160℃后作為分子篩吸附器的加熱再生氣。用便攜式露點分析儀進行檢測與在線露點儀MI1258數據相近，顯示再生氣露點為-75℃以下，說明蒸汽加熱器正常，沒有發生蒸汽加熱器內漏現象。

1.4 空壓機進口空氣中CO2含量偶爾嚴重超標

空分設備設計時，大氣中CO2含量以 600 ppm為基準值，如果分子篩吸附器進口空氣中CO2含量過高，分子篩吸附容量飽和后出口空氣中CO2含量會超標。經過排查，分子篩每次CO2穿透時均為北風。聯系分析取樣，此時空壓機吸入口空氣中CO2含量最高達2000 ppm。最終排查確認分子篩CO2穿透原因為低溫甲醇洗裝置產生的CO2氣體排放擴散至空分區域造成。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穿透后的應急操作

分子篩后CO2含量設計邏輯關系為：當微量CO2達到3 ppm時，延時15 min空分冷箱跳車。如果不人為干預，空分將會停車，無法滿足后系統連續生產運行。對此我們采取以下應急操作措施：

(1)當分子篩程序處于冷吹階段，且距離冷吹結束時間小于20 min，啟動該預案。

(2)當分子篩出口CO2含量超標后及時將指標打至“校驗”位置，并給出一個小于報警值的假值(一般是0.1～1.0 ppm之間)。

(3) 人為手動干預分子篩順控。點擊分子篩順控“強制”按鈕，待程序有效后，點擊“下一步”，進入低壓隔離階段，強制讓分子篩進入下一步順控程序，提前結束歩序，進行切換。之后將按照正常順控程序進行。

(4)在該分子篩進入第四步“加熱”階段時，將電加熱器啟動(一般啟動兩組)，進行特殊再生，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，再將聯鎖恢復，退出“校驗”模式。

按照以上預案處理，保證了空分系統的正常運行，但多次分子篩出口CO2超標，CO2將會在換熱器、膨脹機、精餾塔以及液氧泵入口濾網處沉積，造成設備堵塞，導致裝置生產負荷降低，甚至停車。另外，液氧中懸浮的CO2干冰在摩擦過程中，容易產生靜電，所產生的靜電高達幾千伏，若遇碳氫化合物含量超標，極易產生主冷局部微爆或爆炸，對空分裝置穩定運行造成安全隱患。

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齊項目將在目前低溫甲醇洗裝置北側再建設一套低溫甲醇洗裝置，屆時又有大量CO2氣體排放，為保障空分裝置穩定運行，且不影響低溫甲醇洗運行前提下，對尾氣排放口進行改造。成立專項小組，聯系有關設計院到現場實地考察，根據企業所在的環境、風向、風速、大氣壓等，初步研究制定三種方案并進行研究論證。

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。在低溫甲醇洗原有放空筒和去鍋爐處增加三通、管線、閥門，當鍋爐煙囪出現故障或其它問題時可改為就地排放；

方案二：將低溫甲醇洗裝置尾氣引至火炬區域排放，遠離空分裝置高點排放，在現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內建設新放空筒，根據氣體擴散計算結果確定放空高度。經過對以上三種方案的研究論證，并且為確保低溫甲醇洗裝置運行穩定，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，因輸送距離較遠且排放高度較高，可能會造成低溫甲醇洗尾氣排放不暢、系統壓力波動等情況，造成低溫甲醇洗裝置無法正常運行；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。最終經過設計計算和現場實地考察，決定在現有低溫甲醇洗尾氣排放口就近新建160 m尾氣放空筒，將一期項目和填平補齊項目的低溫甲醇洗裝置尾氣合并排放至新加的放空筒進行排放，以避免對空分裝置造成影響。

一期項目和填平補齊項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，則排放點高度至少需要160 m。

4 尾氣改造前后效果對比

2018年5月30日，低溫甲醇洗尾氣放空筒項目開始建設，其位置在低溫甲醇洗裝置區內，離在用設備不足5 m，為確保施工安全高質量按計劃完成特制定安全施工方案并嚴格把關。該改造項目經過6個月的施工，完成了組對焊接、空中組裝，經過“三查四定”、尾項處理、啟動前安全檢查等一系列工作后，于2018年12月3日在線投入運行，投運后低溫甲醇洗系統各工藝指標數據均正常。

改造前：當刮北風時候，空分裝置空壓機空氣吸入口CO2含量為600～750 ppm，最高為：2000 ppm；新放空筒投用前，兩年運行周期內分子篩CO2穿透55次；改造后：新建放空筒投用一年來，當刮北風時候，空分裝置空壓機空氣吸入口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，空壓機吸入口CO2降低約260 ppm，分子篩后CO2含量≤1 ppm，未出現分子篩后CO2穿透現象，達到預期效果。同時，低溫甲醇洗尾氣現場160 m高點放空后，現場噪音有明顯降低。

該放空筒投用后，將空分裝置運行周期由原來的一年預計將會延長至三年，避免了空分裝置因為空氣CO2含量超標每年復熱，也避免了空分設備管道頻繁的高、低溫度應力交變，延長了空分運行周期和設備管道的使用壽命。

5 結束語

為保證空分裝置的安全運行，對危險氣體進行分析是一項十分重要的工作。近些年，經濟的快速發展和化工企業密集集中建設對空氣質量有一定的影響，空氣中的有害成分不斷增加。本改造項目僅對榆能化公司低溫甲醇洗CO2放空有效，對于已建成的煤化工項目來說，需要進行方案論證、計算和技術改造。而對于新建項目，在設計階段考慮尾氣排放對空分裝置的影響(空壓機吸入口在污染源上風向、遠離污染源、加高排放口及采用高效優質分子篩等)，這樣才能保證裝置的安全平穩運行。