变压吸附脱碳技术的应用

变压吸附脱碳技术的应用

一、前言化肥厂是一九六六年投产的3000吨 /年规模的小合成氨厂，经过三十多年的发展与改造，现已达到年产4万吨合成氨的能力。1995年我厂采用了由西南化工研究设计院（现四川天一科技股份有限公司）设计的5000Nm3/h变压吸附脱除变换气中CO2装置，以生产液氨和氨水为目的，并且分别于1998年和2000年对原5000Nm3/h脱碳装置进行改造。现该装置已达到处理变换气气量9000Nm3/h的能力，目前该装置生产运行正常。

二、变压吸附脱碳原理与工艺过程

2.1 变压吸附脱碳原理

变压吸附的基本原理是利用吸附剂对吸附质在不同分压下有不同的吸附容量、吸附速度和吸附力，并在一定压力下对被分离的气体混合物的各组分有选择吸附的特性，加压时吸附原料气中的杂质组分，减压时脱附这些杂质而使吸附剂获得再生。因此采用多个吸附器，循环地变动各吸附器压力就可达到连续分离气体混合物的目的。

合成氨变换气中主要含有饱和水、无机硫、有机硫、二氧化碳、一氧化碳、甲烷、氮气、氩气、氢气。在一定温度和压力下，吸附剂对上述气体的吸附力和吸附容量依次减弱和减少，即合成氨变换气通过吸附剂时，在前的组分优先被吸附，即使吸附剂吸附了在后面的组分，在前的组分也能把它置换出来，不同种类的吸附剂对同一种气体组分的吸附力和吸附容量有很大差异。本装置所装填的吸附剂有三种，它们是活性氧化铝、活性炭、硅胶，分别对合成氨变换气中的饱和水、无机硫、有机硫、二氧化碳等进行吸附，经脱碳后的净化气中CO2含量可在0.2%以下，氢气的回收率可大于95％。

2.2工艺流程及过程

该装置采用四塔二均式变压吸附工艺，其主要设备由一台气水分离器、一台缓冲罐、一台真空罐、四台吸附器、五台真空泵（W－300）组成，由21套程控切换阀采用微机自动控制。其流程叙述如下：具有一定压力（0.7MPa）和温度（常温）的变换气进入气水分离器，分离出游离水后的原料气经流量计FIQ101计量和流量调节阀调节后分布到各吸附器，脱除有害气体（CO2、H2S等）后的净化气进入缓冲罐，后经流量计FIQ102计量和调节压力阀输出界外，被吸附剂吸附的气体经过减压后分两部分排出，一部分由逆向放空时排出，另一部分经真空泵抽吸放空，同时吸附剂获得再生。

该工艺中每个吸附塔是按照吸附、均压、逆放、抽空、充压等步骤循环操作的。当其中某个吸附塔进行吸附时，其它三个塔分别处于再生的不同阶段，四个塔按照编排好的工作程序连续循环执行这些步骤，达到脱碳之目的。本装置操作压力为0.7MPa，净化气中CO2含量小于0.2%，可以通过调整吸附时间或原料气流量来控制净化气中二氧化碳指标。

三、流程改造

3.1第一次改造过程

随着液氨市场需求量的增大，我厂原5000Nm3/h变压吸附脱碳装置变换气处理量偏小，在1998年大修中对其进行改造。本着投资省、见效快的目的，在原有四台吸附器的基础上增加两台吸附器，原真空罐改中间罐，同时新增二台W-300真空泵。运行过程有四种流程可供选择：6-2-2/V（直接抽空）、6-2-3/V（带真

空罐）、6-2-3/V（带中间罐）、6-1-3/V（无真空罐、无中间罐）工艺流程。在改造结束后，四种流程都进行了试运行比较。从运行情况看，开二台吸附器同时进料的流程不很理想，通过查找原因，分析主要是由于各吸附器吸附剂使用时间不同，使得各吸附器床层的阻力有差异，以及进入各吸附器的原料气管道阻力不同，造成各吸附器净化气出口单向阀的开启度不一样，从而引起进气量偏流，使各吸附器在相等时间内引起吸附容量发生差异，最终使净化气出口CO2含量波动大，有效气体收率偏低。我们最后采用6-1-3/V流程，变换气处理量达到7000Nm3/h，H2收率在95％左右，净化气中CO2基本达到设计要求。

3.2 第二次改造过程

针对第一次改造的情况，我厂在2000年大修中对此脱碳装置又进行了改造，把原每台吸附器出口单向阀改成程控阀，同时把六台吸附器分成两个系列，由7台W300真空泵分为二组抽真空，增加两只逆放程控阀，采用6-2-3/V（带中间罐）工艺流程运行，大修后开车经过72小时的试运行，在不增加真空泵台数的情况下（7台），装置处理气量达到9000Nm3/h以上，净化气中CO2含量基本稳定在0.2%左右，有效气体收率比改造前有所提高，到目前为止运行正常。

四、运行情况及结论

4.1 运行情况

装置的改造设计处理变换气量为9000Nm3/h，变换气压力为0.7MPa，净化气中CO2体积分数为0.2%左右，H2的回收率大于95%。该装置其中的四台吸附器中的吸附剂自1996年运行至今很正常，吸附剂的损耗较小，每年大修时每台吸附器仅添加吸附剂30kg左右。正常运行时，进口变换气中CO2体积分数约27％，吸附压力约0.65MPa，一均后压力约0.4MPa，二均后压力约0.2MPa，三均后压力约0.07MPa，逆放终压力约0.02MPa，抽真空至-0.08MPa，处理量为9000Nm3/h 时开七台W300真空泵，一均时间为30秒，二均时间为90秒，三均和逆放时间各为30秒，一次循环周期为1080秒，净化气CO2体积分数为0.2%～0.4％，净化气中H2的回收率达到95％以上，但由于此装置1995年安装时吸附器中吸附剂活性炭占的比例较大，占吸附剂总重的40％，故N2的回收率不理想，对合成氨产量有些影响，此装置与我厂2001年投运的6000Nm3/h脱碳装置相比，有效气体的总收率低一些。

4.2 结论

(1)变压吸附脱碳工艺技术先进，自动化程度高，开停车及正常操作方便，只需调整吸附时间或原料气流量就可调节净化气中CO2含量。

(2)装置集脱碳和脱硫于一体，节省了后工段精脱硫装置的建设投资，精炼工段铜耗明显减少。

(3)吸附剂使用寿命可达10年以上，运行费用低。

(4)检修工作量小，整套装置仅对真空泵每年大修一次。

(5)与湿法脱碳相比，变压吸附流程简单，无液位控制，操作安全性更大；与膜分离相比，变压吸附技术对原料气杂质组分要求较宽。