變壓吸附制氧技術(shù)在間歇式固定層

造氣爐中的應(yīng)用

石春發(fā)

(云南云天化國際化工有限公司紅磷分公司 云南開遠(yuǎn)661600)

0 前言

云南云天化國際化工有限公司紅磷分公司(以下簡稱紅磷分公司)現(xiàn)有1套80 kt/a合成氨裝置，生產(chǎn)的液氨為磷酸銨的原料。合成氨裝置采用9臺Φ2 610 mm造氣爐固定層間歇式制氣，紅磷分公司為節(jié)能降耗，針對云南煤具有灰熔點低、活性差的特點，決定采用變壓吸附(以下簡稱VPSA)制氧技術(shù)增氧制氣工藝。

1 VPSA制氧流程工藝

1.1 VPSA制氧工藝流程及工藝

VPSA制氧工藝流程及工藝見圖1。

圖1 VPSA制氧工藝流程

VPSA制氧技術(shù)是利用吸附劑對氣體的選擇性吸附及各組分氣體吸附容量隨壓力變化呈差異性的特點，在較高壓力時易吸附組分氮被吸附，難吸附組分氧在氣相中富集后作為產(chǎn)品氣輸出；當(dāng)吸附劑對氮的吸附接近飽和時，降低吸附床的吸附壓力使易吸附組分氮解吸，吸附劑得到再生，完成1個吸附周期，然后進行下1個吸附周期。2臺吸附塔交替進行吸附和解吸再生，連續(xù)輸出產(chǎn)品氧氣，供造氣使用。在1個吸附周期內(nèi)，每臺吸附塔都經(jīng)歷吸附、順向放壓、真空解吸、真空清洗、均壓和充壓6個步驟，并且在同一時刻2臺吸附塔分別處于不同的操作階段。以吸附塔A為例工藝過程如下。

(1)吸附：原料空氣經(jīng)過濾消音器除去機械雜質(zhì)，由羅茨鼓風(fēng)機增壓至40～45 kPa后從下部進入吸附塔A，空氣中的水分和二氧化碳優(yōu)先被吸附，剩余的氧從吸附塔頂端排出。獲得的氧氣一部分作為吸附塔B充壓用氣，另一部分作為產(chǎn)品氣，調(diào)節(jié)壓力后經(jīng)增壓風(fēng)機送往造氣系統(tǒng)。

(2)順向放壓：當(dāng)吸附劑吸附氮氣接近飽和時，停止向吸附塔A送空氣，吸附塔A內(nèi)的氣體利用自身的壓力導(dǎo)入已完成再生的吸附塔B，對吸附塔B內(nèi)的氣體進行升壓。

(3)真空解吸：吸附塔A卸壓完畢后，用真空泵對其抽真空，解吸吸附劑上吸附的氮氣，使吸附劑得到再生。

(4)真空清洗：在對吸附塔A抽真空的同時用部分產(chǎn)品氧氣對其進行清洗，置換吸附劑上吸附的氮氣，使氮氣的解吸更為徹底。

(5)均壓：真空清洗步驟結(jié)束后，吸附塔A仍處于真空狀態(tài)，用吸附塔B的“順向放壓”流出氣進行升壓，并回收其中的氧氣，提高裝置氧收率。

(6)充壓：均壓步驟完成后，引入產(chǎn)品氧氣對吸附塔升壓，同時從進氣端引入空氣，重新開始吸附，進入下一個循環(huán)。

2臺吸附塔循環(huán)以上步驟，周期性切換，平穩(wěn)、連續(xù)地產(chǎn)出氧氣。

1.2 VPSA制氧工藝裝置主要設(shè)備

VPSA制氧工藝裝置主要設(shè)備見表1。

1.3 主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)

VPSA制氧裝置自開車后，運行比較平穩(wěn)，主要技術(shù)經(jīng)濟運行指標(biāo)見表2。從表2數(shù)據(jù)可知，完全達(dá)到設(shè)計要求。

表1 VPSA制氧工藝裝置主要設(shè)備

2 造氣增氧流程

紅磷分公司有2套造氣系統(tǒng)，其中1#造氣系統(tǒng)有4臺造氣爐，2#造氣系統(tǒng)有5臺造氣爐，每臺造氣爐均設(shè)置有上加氮流程；在選擇增氧流程時，可直接將增氧空氣配入空氣中或配入上加氮中。造氣增氧流程：來自VPSA制氧裝置的增氧空氣通過總管分別分配至1#造氣系統(tǒng)空氣總管、1#造氣系統(tǒng)各臺造氣爐上加氮管、2#造氣系統(tǒng)空氣總管、2#造氣系統(tǒng)各臺造氣爐上加氮管；配入空氣總管的氧氣管道通徑為DN 150 mm，配入各臺造氣爐上加氮氧氣管道通徑為DN 100 mm；各個分配點均由手動閥門控制，各臺造氣爐上加氧除了由手動閥控制外，用油壓閥接入造氣DCS系統(tǒng)中用程序自動控制。

表2 VPSA制氧裝置主要技術(shù)經(jīng)濟運行指標(biāo)

3 采用增氧制氣后造氣工藝條件的調(diào)整

3.1 循環(huán)時間及時間分配

(1)循環(huán)時間。一般而言，循環(huán)時間長，氣化層溫度和煤氣的產(chǎn)量、質(zhì)量波動大；循環(huán)時間短，氣化層的溫度波動小，煤氣的產(chǎn)量和質(zhì)量也較穩(wěn)定，但閥門開關(guān)占用的時間相對較長，影響造氣爐的氣化強度，且因為閥門的開關(guān)過于頻繁，易于損壞。從實踐運行看，采用增氧制氣造氣，循環(huán)時間不需作大的變動，采用的循環(huán)時間為120 s。

(2)吹風(fēng)時間。一般，吹風(fēng)時間主要是根據(jù)原料煤的灰熔點、熱穩(wěn)定性、機械強度及燃料層的高度來確定，但采用VPSA增氧制氣工藝后，隨著空氣中氧體積分?jǐn)?shù)的提高，吹風(fēng)時間也必然要隨之縮短，紅磷分公司增氧空氣中的氧體積分?jǐn)?shù)(空氣總管內(nèi)氧含量自動分析儀分析結(jié)果)由VPSA制氧裝置前的21%提高至23%以上，故吹風(fēng)時間從原29～31 s縮短至24～26 s。

(3)上、下吹時間。一般情況下，在上吹階段，燃料層的溫度較高，上吹時間較長，上吹制氣的產(chǎn)量和質(zhì)量較好；但上吹時間過長，會消耗大量氣化層熱量，且氣化層上移，對以后的制氣不利。因此，在上、下吹制氣時間分配上，下吹制氣時間要比上吹制氣長一些。采用VPSA裝置增氧制氣工藝后，在調(diào)整爐況過程中，結(jié)合上、下行煤氣溫度情況，上吹時間比增氧制氣前縮短了2～4 s、相應(yīng)的下吹時間比增氧制氣前延長了2～4 s。

3.2 上、下行煤氣溫度

紅磷分公司在采用增氧制氣工藝初期，最初上行煤氣溫度控制在280～320 ℃，下行煤氣溫度控制在250～280 ℃，但操作過程中出現(xiàn)下灰堵疤嚴(yán)重現(xiàn)象。經(jīng)分析認(rèn)為，下行煤氣溫度控制過高，氣化層下移，采用增氧制氣工藝后，進入造氣爐內(nèi)空氣中氧體積分?jǐn)?shù)升高，部分氧氣在灰盤上與灰渣中殘?zhí)挤磻?yīng)，導(dǎo)致灰渣在此處結(jié)疤成塊，從而產(chǎn)生堵疤現(xiàn)象。經(jīng)降低爐條機轉(zhuǎn)速和將下行煤氣溫度調(diào)整至240～260 ℃后，造氣爐下灰堵疤現(xiàn)象大幅度減少。

3.3 蒸汽溫度

從理論上講，采用增氧制氣對蒸汽溫度無特別要求。紅磷分公司在試運行過程中，蒸汽溫度仍控制在180～220 ℃，出現(xiàn)了爐況不穩(wěn)定的現(xiàn)象。后經(jīng)摸索，將蒸汽溫度降低至160～180 ℃比較合適。

3.4 炭層高度

炭層高度的控制取決于原料特性、鼓風(fēng)機能力、生產(chǎn)負(fù)荷、夾套高度。采用增氧制氣工藝后，空氣中的氧含量提高，相當(dāng)于提高了造氣鼓風(fēng)機能力，需要提高炭層高度操作；但由于受造氣爐夾套高度限制，紅磷分公司沒有提高炭層高度，僅采用調(diào)節(jié)上、下吹時間分配來控制上行煤氣溫度。

4 采用增氧制氣工藝前、后造氣工藝指標(biāo)

4.1 半水煤氣成分

半水煤氣成分是衡量煤氣質(zhì)量的因素，從半水煤氣各成分可間接看出造氣爐工況的好壞。造氣系統(tǒng)采用VPSA增氧制氣工藝前、后半水煤氣成分對比見表3。

表3 采用增氧制氣工藝前、后半水煤氣 成分(體積分?jǐn)?shù))對比 %

從理論上講，采用增氧制氣工藝后，隨著空氣中氧含量和上加氮過程中氧含量升高，造氣爐制氣溫度高，半水煤氣中CO2體積分?jǐn)?shù)應(yīng)該降低，CO和H2體積分?jǐn)?shù)應(yīng)該升高；但從表3數(shù)據(jù)上看，半水煤氣中CO2體積分?jǐn)?shù)略有升高，CO和H2體積分?jǐn)?shù)略有降低，這與理論相矛盾。為此，經(jīng)過仔細(xì)查找發(fā)現(xiàn)，主要原因是采用增氧制氣工藝之后，吹風(fēng)效率得到提高，吹風(fēng)氣中CO2體積分?jǐn)?shù)也有所提高(從表4采用增氧制氣工藝前、后吹風(fēng)氣中CO2體積分?jǐn)?shù)對比可看出)，為保證半水煤氣中氮體積分?jǐn)?shù)，在制氣循環(huán)中加氮時間不變情況下，帶入半水煤氣中CO2量相對較多，從而導(dǎo)致采用增氧制氣工藝后半水煤氣中CO2體積分?jǐn)?shù)升高，CO和H2體積分?jǐn)?shù)降低。

4.2 吹風(fēng)氣成分

吹風(fēng)氣中CO2體積分?jǐn)?shù)是衡量吹風(fēng)效率的一項指標(biāo)。吹風(fēng)氣中CO2體積分?jǐn)?shù)高，說明吹風(fēng)效率較高，可降低消耗，增加制氣時間。

從表4可以看出，采用增氧制氣工藝后，各臺造氣爐吹風(fēng)氣中CO2體積分?jǐn)?shù)均明顯上升，表明每臺造氣爐的吹風(fēng)效率有很明顯提高。

表4 采用增氧制氣工藝前、后1#～9#造氣爐吹風(fēng)氣中CO2體積分?jǐn)?shù)對比 %

4.3 單爐發(fā)氣量

在采用增氧制氣工藝前，平均單爐發(fā)氣量為4 500 m3/ h(標(biāo)態(tài))左右；采用增氧制氣工藝后，平均單爐發(fā)氣量5 500 m3/ h(標(biāo)態(tài))左右，增加了1 000 m3/ h(標(biāo)態(tài))左右。

4.4 產(chǎn)量及主要消耗

采用增氧制氣工藝后，無論是液氨產(chǎn)量、原料消耗都有很大改觀。采用增氧制氣工藝前、后產(chǎn)量及主要消耗對比見表5。

表5 造氣采用增氧制氣工藝前、后產(chǎn)量、主要消耗對比

5 增氧制氣后經(jīng)濟效益

(1)采用增氧制氣工藝后，噸氨耗型煤降低28 kg，以無煙粉煤價格780元/t、型煤加工費100元/t計，噸氨節(jié)約24.64元；噸氨電耗增加37 kW·h，電價以0.35元/(kW·h)計，噸氨增加電費12.95元，則噸氨成本降低約11.69元；液氨產(chǎn)量80 kt/a計，每年可節(jié)約93.52萬元。

(2)每天增加液氨產(chǎn)量25 t，每年可增產(chǎn)液氨8 250 t。以液氨市場價格2 700元/t、年生產(chǎn)330 d計，每年可增加2 227.5萬元的產(chǎn)值。