PSA脱碳与PC脱碳的比较

PC脱碳与PSA脱碳运行总结石 锋 马中霞 王群祥（山东海化盛兴化工有限公司 青州 262500） 1 概述山东海化盛兴化工有限公司目前已具备年产120 kt氨醇、150kt尿素的生产能力。现有两套脱碳装置，一套为1997年投产的碳丙脱碳装置（以下简称PC脱碳），设计能力50kt/a，实际通过的最大气量为36000Nm3/h（60kt/a）；一套为配套“1215”技改工程新增的变压吸附脱碳装置（以下简称PSA脱碳），设计能力70kt/a，该装置2004年6月投入运行，到目前为止处理最大气量42000 Nm3/h。两套脱碳装置并联运行，满足了合成氨-尿素生产的需要。 2 脱碳装置技术及运行2.1 PC脱碳装置2.1.1工艺过程PC脱碳由吸收和再生两大部分组成，CO2含量为26%的变换气通过吸收塔后，形成合格的净化气供合成氨生产使用，吸收了CO2的碳丙液经减压在解吸塔中解吸出CO2，形成浓度98%的CO2气体供尿素生产使用。2.1.2主要设备一览表设 备 名 称规 格 型 号数量（台）吸收塔280035532（mm） 1再生塔380031960（mm） 1闪蒸洗涤塔3000/1200/70025777（mm） 1变换气分离器10005656(mm) 1净化气分离器10005656(mm) 1洗涤塔140022584(mm)1脱碳泵DJ720-605 Q=720m3/h 功率=850Kw 1200D1-437 Q=280m3/h 功率=440Kw 1200D1-437 Q=280m3/h 功率=360Kw 2多级离心泵 DG6-2512Q=6.3m3/h 功率=18.5Kw 1气体风机9-26-12NO6.3功率= 45Kw3真解风机L53LD 功率=55Kw22.1.3生产运行生产运行数据表（2006年3月中旬）项 目 设计参数 运行参数变换气组成/（V）H2 49.99 53.1N216.67 16.3CO229.56 25.8CO2.833.2CH4 0.951.6变换气压力/MPa(表压) 1.75 1.85变换气温度/ 35 22变换气量（m3/h，标态） 30000 31900净化气中CO2含量/% 1.0 0.67产品CO2气纯度/% 98.5 98.8碳丙液温度/ 35 17.2碳丙液流量（m3/h） 720 720产品CO2输送压力/MPa 0.01 0.0140.0162.2 PSA脱碳装置2.2.1工艺过程变压吸附脱碳装置由提纯段和净化段组成，工艺过程如下图所示。回收气提纯段变 换少量放空气净化系净化气净化段净化气逆放放空气真空放空逆放解析气真空解析气CO2产品气CO2含量约26%的变换气通过提纯段后，形成浓度98.5%的CO2产品气供尿素生产使用；出提纯段的中间气进入净化段，将CO2净化至0.2%供合成氨生产使用。提纯段共13台吸附塔，采用了3塔吸附8次均压流程，动力设备配套1台2BEC-40和1台2BEC-42型真空泵，真空度-0.06MPa。提纯段PSA工艺主要步骤为吸附、均压降、提纯、逆放、抽真空、二段气升压、均压升、终升等，每台吸附塔在1次循环中需经历23个步骤，操作过程在入塔原料气温度下运行。 净化段共10台吸附塔，采用2塔吸附6次均压流程，动力设备配套1台2BEC-40和1台2BEC-50型真空泵，真空度-0.072MPa。净化段PSA工艺主要步骤为吸附、均压降、逆放、抽真空、均压升、终升等，每台吸附塔在1次循环中需经历18个步骤，操作过程也在入塔原料气温度下进行。2.2.2技术特点自从二段法PSA脱碳工艺首先在湖北宜化集团投入运行后，几年来该技术得到了较快的发展，工艺流程进一步简化，H2、N2、CO2等气体回收率进一步提高，降低了项目投资和运行费用。我公司42000m3/h（标态）变换气PSA脱碳装置技术特点如下。两段吸附压力均选用1.71.9MPa在已投用的二段法PSA脱碳生产装置中，有的装置第一段和第二段吸附压力均为0.7MPa，有的装置第一段选用0.7MPa而第二段选用1.7MPa，但气体回收率均不十分令人满意。而两段吸附压力均为1.71.9MPa时，氢气回收率可提高0.51%，氮气回收率可提高23%，CO回收率可提高45%。采用均压流程代替置换流程随着变压吸附技术研究的深入和不断改进，针对置换流程较复杂、控制难度大等不足，选用运行更可靠的均压流程可以简化工艺流程，取消2台置换气压缩机和3台置换气缓冲罐，降低了投资和运行费用。置换流程是将部分产品CO2气循环使用，用置换气压缩机将该部分气体输送至吸附塔内，对塔内死空间的H2、N2进行置换以提高CO2产品气的纯度。而均压流程是利用均压降的吸附塔内吸附剂所吸附的高浓度C02对自身塔内死空间的H2、N2等杂质进行置换，以提高自身吸附塔内的C02产品气纯度，而被置换出的H2、N2等气体进入其他均升吸附塔，作为该塔的均压升气体，即在提高CO2产品气纯度的同时最大限度地回收H2、N2等气体。在置换流程中，由于CO2产品气输送起始压力高，为了减小CO2产品气负荷的波动，必须通过罗茨鼓风机、调节阀、气柜、缓冲罐等设备以达到稳定输送的目的。而均压流程的CO2产品气输送起始压力低，通过简单的缓冲贮罐和调节伐即可实现稳定的输送。 无气体返回脱碳前工序净化段的部分解吸气回收至提纯段，部分解吸气放空，整套装置经过自身处理解吸气，完全没有解吸气回收至脱碳前系统，且能达到较高的有效气体高回收率。吸附塔数量配置合理与其他的二段法PSA脱碳技术相比，本装置吸附塔的数量有所增加，但由于配置合理，工艺流程得以优化，在保证有效的均压次数满足生产要求的同时，使投资费用降低，因此比其它二段法PSA脱碳装置运行更为稳定，且CO2纯度和H2、N2、CO的收率更高，运行的电耗更低。经比较，吸附塔数量配置与脱碳装置内其它设备的配套完全满足投资节省、运行费用低、工艺指标符合生产要求的技改目标。可省去变换气脱硫工段PC脱碳工艺一般要求变换气中的H2S脱除到10-20mg/m3（标态）以下进入脱碳系统，否则易在吸收塔中析出大量单质硫沉积在填料层，造成吸收塔的堵塞，影响脱碳效果。而PSA脱碳工艺允许进入系统的变换气中H2S300 mg/m3（标态），甚至H2S含量在500-600 mg/m3(标态)时，也未对装置运行造成影响，从而可省去变换气脱硫工段。2.2.3主要设备一览表设 备 名 称规 格 型 号数量（台）提纯段吸附塔22006794（mm）13净化段吸附塔24006839（mm） 10气水分离器16005770（mm）1过滤器26007100（mm）1混合器缓冲器200011333（mm）1CO2中间缓冲罐260014000（mm）2产品CO2贮罐260016820（mm）1提纯段真空泵2BEC-40 80Nm3/min2 2BEC-42 132Nm3/min 1净化段真空泵2BEC-50 140Nm3/min1 2BEC-40 80Nm3/min1泵站CB100232.2.4生产运行生产运行数据表（2006年3月中旬）项 目 设计参数运行参数变换气组份/H2 53.153.2N215.116.3CO227.425.8CO3.43CH41.01.7变换气压力/MPa(表压) 1.7-1.91.75变换气温度/ 4032变换气H2S含量（mg/m3，标态） 30085处理变换气量（mg/m3，标态） 42000 42300H2回收率/% 99.599.5N2回收率/% 9594.4CO回收率/% 94 94.3净化气中CO2含量/% 0.20.6产品CO2气纯度/% 98.598.5产品CO2输送压力/MPa 0.010.014-0.016产品CO2回收率/% 7059.1吨氨电耗/kWh 51 23.34吨氨循环水/m3 3.7 2.873 气体成份的回收率3.1 PC脱碳当PC脱碳处理气量31900Nm3/h时、变换气进吸收塔压力1.85MPa(表压)、PC贫液Q=720m3/h温度18时，闪蒸气压力（表压）与对应的流量数据如下表。压 力(MPa)0.320.330.340.350.360.370.380.390.400.410.420.43流量(Nm3/h)181418081804171817101690166715551434135913321250我公司运行的PC脱碳闪蒸气压力为0.36-0.38MPa，则闪蒸气流量取1690Nm3/h，气体成份 %（V）：H2N2COCO2CH4变换气53.116.33.225.81.6闪蒸气21.910.83.661.91.8H2的回收率：1-（169021.9%）（3190053.1%）=97.8%N2的回收率：1-（169010.8%）（3190016.3%）=96.5%CO的回收率：1-（16903.6%）（319003.3%）=94.2%CO2的回收率：1-（169061.9%）（3190025.8%）=87.3%CH4的回收率：1-（16901.8%）（319001.6%）=94%说明：因PC脱碳净化气出口、产品气出口未安装流量计，只能以闪蒸气计算PC脱碳的回收率，以上回收率中含混解气、气提气中的成份，仅供参考。3.2 PSA脱碳当PSA压力1.75MPa、处理气量42300Nm3/h时，净化气流量为30700Nm3/h ，产品气流量为6550 Nm3/h。气体成份%（V）H2N2COCO2CH4变换气53.216.3325.81.7净化气72.921.23.90.61.4产品气98.5H2的回收率：3070072.9%（4230053.2%）=99.5%N2的回收率：3070021.2%（4230016.3%）=94.4%CO的回收率：307003.9%（423003%）=94.3%CO2的回收率：655098.5%（4230025.8%）=59.1% CH4的回收率：307001.4%（423001.7%）=59.8%说明：因回收的CO2气体生产尿素有剩余，所以在操作中加大了CO2气体的放空量。4 主要物料消耗及经济效益4.1 水、电消耗2006年3月对PC脱碳和PSA脱碳进行了生产考核，吨氨水、电消耗数据如下：水(m3)电（kWh）P C 脱碳27104.44PSA脱碳2.8723.344.2 碳丙消耗2005年共产合成氨113795吨，PC脱碳产氨49764吨，消耗碳丙液48吨，则吨氨碳丙消耗为0.96kg，按碳丙液10元/kg计算，吨氨费用为：100.96=9.6（元）。4.3吸附剂消耗PSA脱碳装填氧化铝35.143m3、硅胶335.366m3，合计161.2万元，吸附剂设计寿命15年，按使用寿命10年、年产7万吨氨醇计，吨氨消耗吸附剂费用为16120001070000=2.3（元）。4.4、吨氨费用比较 按电费0.32元/kWh计算，PC脱碳吨氨费用：0.32104.44+9.6=43.02（元）PSA脱碳吨氨费用：0.3223.34+2.3=9.77（元）仅此两项，PSA脱碳比PC脱碳吨氨费用节省43.02-9.77=33.25（元），按年产7万吨氨醇计算，则PSA脱碳年节约费用33.2570000=232.75（万元）。5 结束语5.1 PC脱除CO2是一种物理吸收法，工艺技术成熟，具有能耗较低，溶液性质稳定，不易降解等特点。二十世纪八十年代开始，在中小型氮肥厂得到较多的应用，大多数企业生产运行正常，但部分1.7MPa压力操作的装置净化气中CO2含量较高，在无联醇的生产工艺中，致使铜洗负荷增大，个别厂只能串氨洗装置降低CO2含量。5.2 我公司PSA脱碳因联醇生产的需要，提高了净化气中CO2含量指标，联醇停运时净化气中CO2含量完全可以达到设计值（0.2%）。由于PSA脱碳的工艺特点，决定了净化气中CO2含量越低，H2、N2气的回收率就越低，因此在生产操作中不应单纯追求净化气中低的CO2含量，而应视实际需要控制适当的含量，以获得更高的有效气体回收率。就此而言，PSA脱碳更适合有联醇的合成氨生产工艺。5.3 二段法PSA脱碳技术具有工艺流程简单、原料气净化度高、运行稳定可靠、自动化程度高、运行费用低等特点，完全可满足合成氨生产气体净化和尿素生产的需要，是一种值得推广的脱碳新工艺。 （收稿日期2006年3月28日）9