天然氣制氣中優(yōu)化PSA裝置操作

上海石洞口煤氣制氣有限公司 馬龍

0 前言

上海石洞口煤氣制氣有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)石煤)有三條生產(chǎn)線，原生產(chǎn)工藝是以輕質(zhì)石腦油為原料生產(chǎn)城市人工煤氣，從2009年6月開(kāi)始，制氣原料改為天然氣。

天然氣制氣工藝是天然氣在高溫高壓下與蒸汽發(fā)生催化反應(yīng)，生成熱值較低、比重較輕的合成氣，經(jīng)減壓后與來(lái)自石洞口天然氣門(mén)站的摻混天然氣和 PSA變壓吸附裝置出口富氮?dú)饣靸稙榉腺|(zhì)量要求的城市人工煤氣，送入管網(wǎng)。

PSA變壓吸附裝置的作用是接收來(lái)自摻混空氣壓縮機(jī)的壓縮空氣，通過(guò)變壓吸附除去壓縮空氣中部分氧氣，生成的富氮?dú)夤┟簹鈸交?。PSA裝置的運(yùn)行直接影響到煤氣生產(chǎn)穩(wěn)定和煤氣摻混質(zhì)量，石煤技術(shù)人員經(jīng)過(guò)一年多的摸索，進(jìn)行了詳細(xì)的生產(chǎn)測(cè)試，研究出了一套適合實(shí)際生產(chǎn)工況的PSA變壓吸附裝置操作方法。

1 PSA裝置在煤氣生產(chǎn)中的作用

天然氣制氣工藝中，生產(chǎn)線(閥門(mén)PV2725)出來(lái)的合成氣比重較小，為使產(chǎn)品煤氣達(dá)到質(zhì)量要求，必須摻入比重較大的惰性氣體。PSA變壓吸附裝置接收來(lái)自摻混空氣壓縮機(jī)出口的壓縮空氣，除去其中部分氧氣后生成的富氮?dú)馐欠瞎に囈?、調(diào)節(jié)煤氣質(zhì)量的適合氣源。

PSA裝置制富氮?dú)夂兔簹鈸交炝鞒桃?jiàn)圖1。

圖1 PSA裝置制富氮?dú)夂兔簹鈸交焓疽?/p>

2 分析技術(shù)難點(diǎn)

石煤 PSA裝置是由四川天一公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)建造的，當(dāng)初用石腦油生產(chǎn)煤氣時(shí)，為了增加煤氣產(chǎn)量，通過(guò)摻入氣態(tài)液化氣(來(lái)自液化氣汽化器)，同時(shí)摻入來(lái)自PSA變壓吸附裝置的富氮?dú)膺M(jìn)行混兌，使產(chǎn)品煤氣達(dá)到質(zhì)量要求。

2009年，由于制氣原料改為天然氣后，改變了生產(chǎn)方法，PSA裝置操作工況也相應(yīng)發(fā)生了變化，主要有以下兩個(gè)方面：

(1)PSA裝置進(jìn)口壓縮空氣壓力與流量對(duì) PSA系統(tǒng)的影響：進(jìn)口壓縮空氣由空氣壓縮機(jī)生產(chǎn)，石煤原有RWBII—856雙螺桿壓縮機(jī)四臺(tái)，每臺(tái)排氣壓力900~1 200 kPa，排氣流量5 000~10 000 m3/h。PSA變壓吸附裝置制富氮?dú)夥譃閱蜗盗泻碗p系列兩種運(yùn)行方式。根據(jù)PSA裝置生產(chǎn)要求，當(dāng)進(jìn)口壓縮空氣流量低于11 000 m3/h時(shí)，變壓吸附裝置需采用單系列吸附，進(jìn)口壓縮空氣流量大于11 000 m3/h時(shí)需采用雙系列吸附方式。PSA變壓吸附裝置制富氮?dú)獾脷饴室话阍?0.45~0.50之間，其受進(jìn)口壓縮空氣流量影響較大，進(jìn)口壓縮空氣流量越小，出口富氮?dú)獾脷饴试降?。設(shè)計(jì)要求PSA裝置單系列運(yùn)行時(shí)進(jìn)口壓縮空氣流量不低于8 000 m3/h。

在石腦油制氣工況下，煤氣摻混所需富氮?dú)饬髁枯^大，相應(yīng)所需PSA裝置的進(jìn)口壓縮空氣流量在8 000 m3/h以上，因而PSA裝置運(yùn)行狀況較為穩(wěn)定。天然氣制氣工況下，煤氣摻混所需富氮?dú)饬髁看蟠鬁p少，變壓吸附裝置在大多數(shù)情況下采用單系列吸附，且運(yùn)行負(fù)荷(以進(jìn)口處壓縮空氣流量作為參照)較低。低于PSA裝置的進(jìn)口壓縮空氣最低設(shè)計(jì)流量8 000 m3/h，PSA裝置運(yùn)行狀況波動(dòng)很大。

(2)PSA裝置出口富氮?dú)獾膲毫εc流量對(duì)出廠煤氣摻混的影響：PSA裝置出口富氮?dú)鈮毫κ请S著PSA裝置運(yùn)行的不同階段動(dòng)態(tài)變化的。生產(chǎn)實(shí)踐證明：石腦油制氣工況下，PSA裝置運(yùn)行狀況較為穩(wěn)定，相應(yīng)出口富氮?dú)饬髁亢蛽交靿毫?閥門(mén)PV8202控制)也較為穩(wěn)定。天然氣制氣工況下，煤氣生產(chǎn)負(fù)荷較高、富氮?dú)庑枨罅枯^大時(shí)，進(jìn)入變壓吸附裝置的壓縮空氣流量較大，變壓吸附裝置運(yùn)行較為穩(wěn)定，富氮?dú)饬髁枯^為穩(wěn)定，計(jì)量孔板FI8301也能正確顯示，摻混煤氣質(zhì)量較高。當(dāng)煤氣生產(chǎn)負(fù)荷較低、富氮?dú)庑枨罅枯^小，且在計(jì)量孔板量程的低位導(dǎo)致不能準(zhǔn)確提供真實(shí)數(shù)據(jù)，會(huì)造成摻混煤氣質(zhì)量不穩(wěn)定。由于富氮?dú)鈸交靿毫?閥門(mén) PV8202控制)隨出廠煤氣壓力波動(dòng)，影響了PSA裝置系統(tǒng)的壓力，最終影響了吸附的正常運(yùn)行。

3 調(diào)整PSA裝置操作規(guī)程和設(shè)備的改造

3.1 制定PSA裝置新規(guī)程及參數(shù)調(diào)整

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐得出的經(jīng)驗(yàn)，邀請(qǐng)四川天一公司的專(zhuān)家一同考察和研究，制定了新的PSA變壓吸附操作規(guī)程，分別對(duì)變壓吸附的干燥系統(tǒng)和吸附系統(tǒng)的各階段作了調(diào)整，具體調(diào)整了單系列運(yùn)行狀態(tài)下PSA裝置操作指標(biāo)(如吸附時(shí)間、熱吹溫度等)到合適的范圍。

3.1.1 PSA裝置干燥變溫吸附部分

(1)變溫吸附步驟：每個(gè)干燥塔在一次循環(huán)中都要經(jīng)歷：吸附、逆向放壓、熱吹、冷吹和升壓等五個(gè)步驟。

(2)調(diào)整后變溫吸附工藝參數(shù)，見(jiàn)表1：

表1 變溫吸附新工藝參數(shù)參考值

3.1.2 PSA裝置變壓吸附部分

(1)PSA裝置變壓吸附工作步驟：變壓吸附在一次循環(huán)內(nèi)經(jīng)歷：吸附、降壓平衡、順?lè)?、順?lè)?、沖洗、升壓平衡和終充等七個(gè)步驟。

(2)調(diào)整后變壓吸附裝置的工藝參數(shù)，見(jiàn)表2：

表2 變壓吸附裝置新工藝參數(shù)參考值

經(jīng)過(guò)各項(xiàng)工藝參數(shù)調(diào)整后，使得PSA裝置進(jìn)口壓縮空氣流量保持在5 000 m3/h(還是低于設(shè)計(jì)指標(biāo)8 000 m3/h)以上時(shí)，PSA裝置即能穩(wěn)定運(yùn)行，且有較為穩(wěn)定的富氮?dú)獾脷饴?0.42~0.45)，即新規(guī)程要求PSA裝置進(jìn)口壓縮空氣流量必須在5 000 m3/h以上，以使變壓吸附裝置運(yùn)行穩(wěn)定。

3.2 進(jìn)行設(shè)備改造

(1)新購(gòu)置三臺(tái)TS32S—600XHWC壓縮機(jī)，替代原有的空氣摻混壓縮機(jī)。每臺(tái)新壓縮機(jī)排氣壓力800~1 100 kPa，排氣流量3 100~3 400 m3/h。天然氣制氣工況下，PSA裝置大多數(shù)情況下采用單系列吸附，且運(yùn)行負(fù)荷(以進(jìn)口壓縮空氣流量作為參照)較低，因而采取排氣量較小且運(yùn)行較為穩(wěn)定的新型壓縮機(jī)。按照新的變壓吸附操作規(guī)程進(jìn)行操作。采用同時(shí)開(kāi)兩臺(tái)以上節(jié)能型摻混空氣壓縮機(jī)的方法，變壓吸附裝置進(jìn)口壓縮空氣流量控制在6 500 m3/h以上，滿足了PSA變壓吸附裝置在單系列運(yùn)行狀態(tài)下的最低進(jìn)氣量要求，PSA變壓吸附裝置運(yùn)行穩(wěn)定。

(2)在PSA裝置出口安裝壓力調(diào)節(jié)閥PIC8401，控制出口富氮?dú)鈮毫Ψ€(wěn)定，不隨PSA裝置運(yùn)行的不同階段發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，保障了PSA裝置正常運(yùn)行。通過(guò) PIC8401穩(wěn)定控制在 830 kPa，也保障了PV8202穩(wěn)定控制富氮?dú)馀c出廠煤氣保持一定壓差摻混。當(dāng)煤氣生產(chǎn)負(fù)荷較低，所需摻混富氮?dú)饬髁枯^小時(shí)，通過(guò)PIC8401控制對(duì)PSA裝置出口富氮?dú)膺M(jìn)行分流，除一部分用于必要的煤氣摻混，其余的轉(zhuǎn)向放散，見(jiàn)表3。

表3 不同生產(chǎn)負(fù)荷下的富氮?dú)鈸交炝髁靠刂?/p>

(3)調(diào)整了孔板FI8301量程1500 m3~8 000 m3，摻混富氮?dú)饬髁坑?jì)量的準(zhǔn)確性明顯提高。

4 結(jié)論

雖然生產(chǎn)方式改為天然氣制氣，但通過(guò)優(yōu)化PSA裝置操作的研究，改進(jìn)PSA裝置操作方法，制定了新的 PSA裝置操作規(guī)程并進(jìn)行了相關(guān)設(shè)備改造，仍可保障煤氣生產(chǎn)過(guò)程中PSA裝置運(yùn)行穩(wěn)定、操作安全，進(jìn)而提高煤氣生產(chǎn)的安全性和穩(wěn)定性、保證煤氣質(zhì)量。