二氧化碳回收裝置回收率影響因素分析

楊明亮，李京嶸,2*

(1.大連石油化工工程公司，遼寧 大連 116031； 2.大連交通大學 環境與化學工程學院，遼寧 大連 116028)

1 二氧化碳回收裝置簡介

1.1 裝置概況

本公司二氧化碳回收裝置采用中壓吸附精餾這一物理降溫的方法對二氧化碳進行液化回收。二氧化碳原料氣由上游大連石化公司制氫裝置PSA(變壓吸附)單元副產提供，制氫裝置主要產品為氫氣、副產品為解吸氣(組分包括二氧化碳、水、氫氣、甲烷、一氧化碳等)，解吸氣的組成會隨原料氣和產品氣的不同而不同。大連石油化工工程公司白土加工廠二氧化碳回收裝置于2013年建成投產，裝置設計規模為50 000 t/a的二氧化碳回收量，每年開車時間為7200 h左右，投產以來產品質量均能滿足工業液體二氧化碳的質量標準(GB/T 6052—93)優級品的指標要求，平均回收率達到80%。

1.2 工藝流程簡述

含量為95%的粗二氧化碳氣體首先進入緩沖罐經過緩沖分水后送入干燥器中干燥，干燥后的原料氣經二氧化碳冷卻器冷卻、預冷器預冷、液化器液化后進入精餾塔精餾提純，最后在塔底得到純度為99.5%以上的工業級液體二氧化碳產品。

在這一過程中，原料氣中的水分經緩沖罐冷凝分離和分子篩深度吸附脫除，油分經干燥器內的吸附劑吸附，含量較高的輕組分經精餾塔精餾后由塔頂排出。

整套裝置主要分為三個系統，分別是干燥吸附系統、冷凍液化系統、精餾儲存系統。干燥吸附系統主要是除去CO2原料氣中的水分，輕組分氣體雜質；冷凍液化系統是利用氨制冷系統提供冷量對干燥除雜后的氣體CO2進行冷凍液化，氨制冷系統同時還為精餾塔提純提供冷源，為精餾塔塔底再沸器提供熱源；精餾儲存系統是將液化后的液體二氧化碳中的雜質進一步凈化，經精餾分離出液體二氧化碳中絕大部分輕組分雜質，精餾合格產品經精餾塔塔底進入成品儲罐。

2 運行數據統計分析

由于二氧化碳回收裝置的總體回收率受到原料氣狀態、環境溫度、設備狀況及人員操作等多方面因素影響，綜合分析這些因素對回收率的影響屬于多變量分析，因此采用多組數據單變量分析法，即在其他變量相同或相近的條件下改變其中一項變量，最終分析出改變量對統計結果的影響。

各組數據選取裝置相對穩定狀態下的運行數據，原料氣氣量應保持充足且選取的24 h范圍內波動較小，由于氣源受上游大連石化公司制氫裝置生產影響，在生產過程中偶爾會出現原料氣量不足的情況，對生產造成一定的影響，因此應最大限度避免裝置波動對統計結果產生影響；每一組組內進行對比的數據，其選取日期要臨近，以避免環境溫度差異較大對分析結果產生影響。A組數據與B組數據之間不做比較。

數據以早上8：00至次日早上8：00為一個分析時段，記錄數據為每間隔2 h的實際記錄(氨壓機吸氣壓力為每間隔1 h的實際記錄)，取平均值作為分析對象。

2.1 原料氣流量對回收率的影響分析

分析原料氣流量因素時選取數據需滿足以下要求：原料氣氣量應保持充足且選取的24 h范圍內波動較小，同組內兩日原料氣流量平均值具有明顯差異；應保持環境溫度相似、原料氣溫度相近；原料氣純度在正常指標(93.6%)以上并且相同，避免純度差異以及較低純度對裝置穩定性產生影響；氨制冷壓縮機吸氣壓力相近，避免制冷系統調節不同的影響。

表1中原料氣及環境溫度非常接近、化驗純度相同、氨壓縮機操作調節壓力也近乎相同，其影響可以忽略。A組數據中2019年10月5日流量明顯低于23日，B組數據中2020年9月7日流量明顯低于23日，因此在純度達標的情況下回收率存在明顯差距，分析結果說明較高數值的原料氣流量對提高回收率至關重要。

表1 原料氣流量對回收率的影響

2.2 原料氣純度對回收率的影響分析

分析原料氣純度因素時選取數據需滿足以下要求：環境溫度相似、原料氣溫度相近；原料氣流量處于正常水平并且同組內兩日數據相近、純度在正常工藝指標范圍內，且同組內兩日化驗純度要有一定差異，避免流量大幅波動以及較低純度對裝置穩定性產生影響；壓縮機吸氣壓力相近，避免制冷系統調節不同的影響。

表2中原料氣流量穩定而且數值接近、環境及原料氣溫度非常接近、氨壓縮機操作調節壓力近乎相同，其影響可以忽略；A組數據中2019年10月8日原料氣化驗純度低于10月16日，B組數據中2020年4月3日化驗純度低于4月13日，最終造成回收率的差異。分析結果說明較高的原料氣純度對提高回收率至關重要。綜合實際情況來看原料氣純度低于90%后生產成本上升明顯，除非特殊情況，一般應做停機處理，不應低負荷生產[1]。

表2 原料氣純度對回收率的影響

2.3 原料氣溫度對回收率的影響分析

分析原料氣溫度因素時選取數據需滿足以下要求：環境溫度相近，同組內兩日的原料氣溫度差異較大；原料氣流量處于正常水平且波動較小，并且同組內兩日的數據相近；純度在正常指標以上并且相同，避免流量大幅波動或者純度差異以及較低純度對裝置穩定性產生影響；壓縮機吸氣壓力相近，避免操作員對壓縮機載位調節不同的影響。

表3中原料氣流量穩定而且數值接近、氨壓縮機操作調節壓力近乎相同、純度完全相同，其影響可以忽略；A組數據中2019年10月2日原料氣溫度明顯高于10月8日，B組數據中2020年4月1日原料氣溫度明顯高于4月13日，最終造成后者回收率明顯高于前者，說明原料氣溫度越低越有利于回收率的提高。

表3 原料氣溫度對回收率的影響

2.4 氨壓機吸氣壓力對回收率的影響分析

使二氧化碳降溫液化的液氨是由制冷系統提供的。制冷系統設計為兩臺螺桿式氨壓縮機，一用一備[2]。氨制冷壓縮機是裝置運行所需冷量的直接提供者。分析氨壓機吸氣壓力因素時選取數據具備以下要求：環境溫度相似、原料氣溫度相近；流量處于正常水平、波動較小并且相近；純度在正常指標以上并且相同；氨壓機吸氣壓力在正常操作指標范圍內且差異較大。

表4中環境溫度、原料氣溫度、流量都非常接近，化驗純度相同，其影響可以忽略；氨壓縮機操作調節壓力的平均值明顯存在差異，甚至個別時段差異明顯，A組數據中2019年4月5日吸氣壓力低于4月8日，B組數據中2020年4月8日吸氣壓力低于4月3日，分析可以看出在壓縮機正常工況范圍內，控制吸氣壓力較低，可以有效提高回收率。

表4 氨制冷壓縮機吸氣壓力對回收率的影響

3 結 論

通過對以上多變量數組定量分析，我們可以在二氧化碳回收裝置的日常生產運行中采取以下有針對性的措施，有效提高產品回收率及產量。

1.保持與上游原料氣供給單位的溝通，確保原料氣流量穩定且盡可能保持較高數值，最好不要低于1300 Nm3/h，流量數值波動較大時要及時將裝置的殘氣自動控制改為手動控制，保持流量穩定。

2.要求上游裝置保證原料氣純度，盡可能保持在94%以上。

3.根據季節不同及環境溫度的變化及時采取應對措施，保證原料氣溫度處于較低數值。夏季及時投用冷卻器并保證水冷系統運行良好，冬季開啟伴熱后應在保證防凍凝的基礎上盡量調低伴熱溫度，避免溫度過高造成回收率降低。

4.由于本廠氨壓縮機是手動控制，所以應該加強操作人員培訓和巡檢監督，保證壓縮機載位處于合適位置，使吸氣壓力盡可能接近正常范圍內的較低值。未來如果進行設備改造升級，可以考慮將氨壓機改為自動控制，這樣可以更好地提高二氧化碳回收率及產量。

提高二氧化碳回收裝置的回收率，既能使原料氣更大程度地轉化成液態二氧化碳產品，還能有效減少殘氣的排放，即減少溫室氣體排放。此外對于緩解本區域內二氧化碳產品供求緊張狀況，為企業增加經濟效益，都有著重要的實際意義[3]。