變壓吸附制氮尾氣回收用于石灰石富氧助燃技術(shù)研究

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(唐山三友化工股份有限公司，河北 唐山 063305)

變壓吸附(PSA)制氮是利用吸附劑——碳分子篩在不同壓力下對(duì)氧、氮的吸附能力大小的不同，加壓吸附、減壓解吸，從而達(dá)到分離空氣中氧、氮的目的，得到高純度的氮?dú)鈁1]。該工藝在制得高純度氮?dú)獾耐瑫r(shí)也可得到富氧空氣，目前多采用放空的方式將富氧空氣當(dāng)做尾氣排放，然而富氧尾氣是無(wú)塵、無(wú)油、干燥的潔凈氣體，氧氣濃度在30.5%左右。該氣體回收后可代替液氧用于我公司石灰石煅燒富氧助燃，不僅可以使廢棄資源再利用，還可以降低純堿生產(chǎn)成本。

1 富氧尾氣回收技術(shù)

碳分子篩對(duì)氧氣和氮?dú)獾姆蛛x原理是基于這兩種氣體的動(dòng)力學(xué)直徑的微小差別，氧氣的動(dòng)力學(xué)直徑小于氮?dú)獾膭?dòng)力學(xué)直徑，在碳分子篩的微孔中有較快的擴(kuò)散速率，這種氣體擴(kuò)散速率的差別可使氧氣的吸附量在短時(shí)間內(nèi)大大超過(guò)氮?dú)獾奈搅縖2]，從而實(shí)現(xiàn)氮、氧分離。因此PSA制氮工藝富氧尾氣的放空為非連續(xù)周期性短時(shí)過(guò)程(放空周期約為1 min，尾氣排放時(shí)長(zhǎng)僅有6～8 s)，這為富氧尾氣的收集帶來(lái)了困難，而且收集過(guò)程中不能影響正常的制氮過(guò)程，要求放空末期放空口為常壓或微負(fù)壓狀態(tài)，以便下一周期尾氣的順利排放。

變壓吸附制氮機(jī)富氧尾氣排放初期壓力較高，壓力可達(dá)0.4 MPa，隨著富氧尾氣排放壓力逐漸降低，后期低壓尾氣壓力為接近常壓，故將富氧尾氣收集分為高壓階段富氧尾氣收集和低壓階段富氧尾氣收集。

1.1 初級(jí)收集流程

最初設(shè)計(jì)的收集流程，高壓階段的富氧尾氣通過(guò)直排管線直接進(jìn)入緩沖罐，為了防止放空后期緩沖罐內(nèi)氣體倒吸進(jìn)入引風(fēng)機(jī)，在直排管線上設(shè)置了一個(gè)單向閥。低壓尾氣收集階段為不影響制氮工藝保證放空口處于常壓或微負(fù)壓狀態(tài)，利用回收風(fēng)機(jī)抽吸低壓富氧尾氣，并將尾氣送入集氣罐，集氣罐內(nèi)收集的富氧尾氣再通過(guò)送氣風(fēng)機(jī)送至緩沖罐內(nèi)。初級(jí)收集流程如圖1所示。為避免富氧尾氣收集過(guò)程出現(xiàn)異常情況影響正常的制氮工藝，在制氮機(jī)尾氣放空口設(shè)置壓力變送器和自動(dòng)排空閥門(mén)。自動(dòng)排空閥門(mén)和壓力變送器實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)，當(dāng)放空口壓力高于設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)排空閥門(mén)自動(dòng)開(kāi)啟放空，確保制氮機(jī)組正常運(yùn)行。

初級(jí)收集流程投入運(yùn)行后，高壓階段尾氣收集效果良好，收集速率可達(dá)5 000～6 000 m3/h，然而低壓階段回收風(fēng)機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定，經(jīng)常自動(dòng)跳車(chē)，導(dǎo)致該階段尾氣通過(guò)排空閥門(mén)放空，收集效果不理想。

圖1 富氧尾氣初級(jí)收集流程圖

1.2 自力式調(diào)節(jié)閥收集流程

經(jīng)觀察分析發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致初級(jí)收集流程中低壓階段尾氣收集不理想的主要原因是高壓階段的高壓氣體對(duì)回收風(fēng)機(jī)沖擊力大，推動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，造成風(fēng)機(jī)超流跳車(chē)。為解決該問(wèn)題，在回收風(fēng)機(jī)進(jìn)氣管路上設(shè)置自力式壓力調(diào)節(jié)閥，用于控制、穩(wěn)定回收風(fēng)機(jī)的進(jìn)氣壓力。自力式調(diào)節(jié)閥工作原理如圖2所示，主要是通過(guò)閥后氣體自身的壓力控制閥門(mén)的開(kāi)度，當(dāng)閥后壓力逐漸升高，閥門(mén)逐漸關(guān)閉。直至閥后壓力穩(wěn)定在要求的給定值，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。自力式調(diào)節(jié)閥收集流程如圖3所示。

安裝自力式調(diào)節(jié)閥后，尾氣收集系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性提高了很多，收集效率有所提高，收集速率達(dá)到9 000 m3/h左右。然而由于尾氣放空周期短，自力式調(diào)節(jié)閥動(dòng)作滯后，偶爾還會(huì)出現(xiàn)回收風(fēng)機(jī)跳車(chē)現(xiàn)象。

圖2 自力式調(diào)節(jié)閥的工作原理

圖3 富氧尾氣自力式調(diào)節(jié)閥收集流程圖

1.3 自動(dòng)調(diào)節(jié)收集流程

根據(jù)尾氣收集過(guò)程對(duì)回收風(fēng)機(jī)以及回收風(fēng)機(jī)對(duì)環(huán)境的要求，高壓收集階段要減輕高壓氣流對(duì)回收風(fēng)機(jī)的影響，保證風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行；低壓收集階段要求風(fēng)機(jī)能高效運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)放空口處常壓或微負(fù)壓狀態(tài)。為滿足以上要求，借鑒自力式調(diào)節(jié)閥的作用原理，我們通過(guò)自主研發(fā)設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置。自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示，工作原理為高壓階段高壓氣體作用在閥門(mén)片上，致使閥門(mén)關(guān)閉，阻止大量氣體進(jìn)入回收風(fēng)機(jī)，避免了對(duì)回收風(fēng)機(jī)的沖擊；在低壓階段氣流作用在閥門(mén)片上的作用力小，此時(shí)閥門(mén)打開(kāi)，氣體可以通過(guò)進(jìn)入回收風(fēng)機(jī)。自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置有效改善了自力式調(diào)節(jié)閥收集流程中回收風(fēng)機(jī)跳車(chē)的問(wèn)題，從而使富氧尾氣收集過(guò)程平穩(wěn)、連續(xù)，收集流程如圖5所示。

圖4 自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)圖

圖5 富氧尾氣自動(dòng)調(diào)節(jié)收集流程

2 收集效果分析

富氧尾氣收集過(guò)程加入自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置后能保證富氧尾氣收集過(guò)程平穩(wěn)、連續(xù)，而且能使放空口在收集末期處于常壓或微負(fù)壓的狀態(tài)，不影響制氮過(guò)程的正常進(jìn)行。不僅如此，自動(dòng)調(diào)節(jié)流程收集的富氧尾氣含氧量高，能保證石灰窯進(jìn)窯空氣含氧量達(dá)到21.65%，實(shí)現(xiàn)液氧零消耗。

3 效益分析

該技術(shù)的成功研發(fā)是對(duì)我公司氨堿法純堿生產(chǎn)混料豎式石灰窯富氧助燃技術(shù)的進(jìn)一步升級(jí)，形成了一種制氮機(jī)尾氣收集、配送的工藝技術(shù)及控制方法，在國(guó)內(nèi)純堿生產(chǎn)企業(yè)中首次將制氮機(jī)副產(chǎn)尾氣回收應(yīng)用于純堿生產(chǎn)，并完全代替液氧用于石灰石煅燒富氧助燃，同時(shí)還提高了石灰窯單窯能力及石灰石的活性，石焦消耗有所降低，促進(jìn)了純堿產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，最大回收制氮乏氣能力達(dá)到10 500 m3/h左右。正常生產(chǎn)時(shí)制氮機(jī)組并非全部開(kāi)啟，每小時(shí)可收集富氧尾氣2 500～3 500 m3，能夠保證石灰窯進(jìn)窯空氣氧氣濃度在21.4%到21.9%之間，年可節(jié)約液氧約9 600 t，經(jīng)濟(jì)效益為642萬(wàn)元/年。

4 結(jié) 語(yǔ)

利用變壓吸附制氮工藝不僅可以得到高純度的氮?dú)?，該工藝放空的尾氣中含有高濃度的氧氣。本文通過(guò)研究幾種不同的富氧尾氣收集流程發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)調(diào)節(jié)收集流程能夠很好地解決其他流程中回收風(fēng)機(jī)跳車(chē)的問(wèn)題，而且該流程運(yùn)行連續(xù)、平穩(wěn)，對(duì)正常的制氮工藝不產(chǎn)生影響。本文研究了富氧尾氣回收利用新工藝、新技術(shù)，合理回收了工業(yè)廢棄物，實(shí)現(xiàn)了氨堿法純堿生產(chǎn)中石灰石煅燒富氧助燃過(guò)程液氧的零消耗，實(shí)現(xiàn)了變廢為寶，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益。

[1] 顧飛龍，張力鈞，張麗華，等. 變壓吸附制氮裝置用于工業(yè)生產(chǎn)中的惰性保護(hù)[J]. 化工機(jī)械,2002,29(2):87-88

[2] 顧飛龍，張力鈞，陳棟，等. 變壓吸附制氮技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 化工進(jìn)展,2007,26(9):1356-1358