變壓吸附脫碳裝置在氮肥生產中的應用

鄭高潮

（安徽昊源化工集團有限公司，安徽 阜陽 236800）

0 前 言

安徽昊源化工集團有限公司是由原安徽阜陽化工總廠改制而成的大型化工企業。主要產品有總氨1000kt／a（甲醇400kt／a）、尿素1000kt／a、碳酸氫銨400kt／a等。

據公司發展需要，2007年新上一套200000 m3／h的變壓吸附脫碳裝置，分兩期實施（每期各100000m3／h），于2008年底全部完成并投入生產。本裝置共投資8000萬元，操作采用DCS控制系統，自動化程度高、運行平穩、無污染，達到了節能、降耗、減排的目的。現將該裝置的設計、運行及改造情況總結如下。

1 工作原理

本裝置采用變壓吸附脫碳技術，從合成氨變換氣中脫除二氧化碳。利用吸附劑對氣體中各組分的吸附容量隨壓力變化而呈現差異的特性及吸附劑的選擇性，實現加壓時吸附雜質（二氧化碳）產出凈化氣體（含氫氣、氮氣、一氧化碳、甲烷等）；減壓時釋放雜質（二氧化碳），同時吸附劑完成再生。

2 設計參數

2.1 變換氣（其組分見表1）

流量 200000m3／h

壓力 約2.7MPa（G）

溫度 ≤40℃

表1 變換氣組分 %

2.2 凈化氣（其組分見表2）

流量 140938m3／h

壓力 約2.6MPa（G）

溫度 35～40℃

表2 凈化氣組分 %

3 工藝流程（圖1）簡介

原料氣（變換氣）在壓力2.6～2.7MPa、溫度≤40℃下進入系統，先進入水分離器除去游離水后，經流量計計量進入由20臺吸附器組成的PSA－1系統（一段變壓吸附），該系統在任何時刻總有5臺吸附器處于吸附狀態，出口端獲得CO2含量為8%～12%的半成品氣。半成品氣經半成品氣緩沖罐緩沖后，以穩定的流量、壓力輸出，直接進入PSA－2系統（二段變壓吸附），該系統在任何時刻總有4臺吸附器處于吸附狀態，出口端獲得CO2含量≤0.5%的凈化氣。

圖1 PSA脫碳系統流程示意

4 主要設備（表3、表4）

表3 靜止設備

表4 運轉設備

5 運行情況

5.1 原料氣（其組分見表5）

流量 195600m3／h

壓力 約2.65MPa（G）

溫度 23℃

表5 原料氣組分 %

5.2 產品氣（其組分見表6）

流量 約137800m3／h

壓力 約2.6MPa（G）

溫度 23℃

表6 產品氣組分 %

6 優化改造措施

由于該裝置設計時為國內壓力級別最高、單套生產能力最大（年產總氨400kt以上），國內無成功運行裝置可以借鑒，因此在設計、安裝、試車及生產中暴露出一些問題。我公司通過設備改造、工藝優化、強化管理等取得了良好的經濟和社會效益，具體改造內容如下。

（1）隨著二期工程的投運，整套裝置達到了設計要求的滿負荷運行，共有吸附塔38臺同時運行，考慮到程控閥使用周期，為避免程控閥同時壞兩臺而影響生產，我們與設計院溝通后在程序上做了調整，增加了系統故障自動檢索恢復功能（即便是操作出現錯誤，計算機會自動檢索到正確的程序并運行），大大提高了系統的安全性。

（2）本裝置投運初期，程控閥內部密封墊片時有密封不嚴現象，造成大量有效氣體流失。經多次論證，我們集中更換一批程控閥密封墊片，并把材質更換為增強四氟。更換后，程控閥運行平穩，使用周期明顯增長。

（3）該裝置開車期間為冬季，氣溫在－5～－8℃。由于我公司的儀表空氣為集中供氣，且距離該裝置較遠，致使儀表空氣送達本裝置后因溫降而帶水嚴重，程控閥處有積水結冰現象，導致程控閥動作失靈，且程控閥執行機構損壞嚴重。針對這一問題，我們采取定期更換儀表空氣干燥劑，并在儀表空氣進入該裝置前，設置空氣緩沖罐及二級空氣干燥器系統一套，進一步提高空氣品質，方案實施后效果較好。

（4）本裝置共有真空泵9臺，其填料密封水設計為采用一次軟水，回水直接外排，這不僅造成大量浪費，而且也帶來很大的環保壓力。我們集中就地回水，并設置密封水供給泵1臺，循環使用密封水，收到良好的效果。

（5）加強管理，保證安全運行。由于該系統設備、管線大部分處于交變負荷作用下，為避免設備故障而影響生產，除操作、維修人員的正常巡檢外，我們每個月對所有設備、管線焊縫、密封墊等進行專項檢查一次，并做好記錄，及時發現隱患及時處理。

采取上述措施后，系統技術經濟分析如表7。

表7 改進前后系統技術經濟分析表