空分纯化器改造方案对比分析

空分纯化器改造方案对比分析

梁晓玲

浙江石油化工有限公司，浙江省舟山市  316000

摘要：某石化4000万吨炼化一体化（一期）项目入口二氧化碳超标，频繁造成装置减负荷，影响装置正常生产。通过专题研究，工厂实验等过程。对1#空分、2#空分进行改造。改造后效果显著，解决纯化系统入口频繁超标的问题。

关键词：二氧化碳、超标、空分纯化系统、高效分子筛

1. 概述

某石化4000万吨炼化一体化（一期）项目配套4套产氧量为83000Nm³/h的空分装置，纯化系统选用国产公司的分子筛。但自开车以来，由于周边存在多处排放点（锅炉烟囱、低温甲醇洗、全厂火炬等），导致空分装置整体处于高污染环境中。由于进口空气中C02含量远超于设计值（现在最高3000PPM,设计值750PPM）,所以从2019年11月份开始出现分子筛出口CO2含量超标（＞1PPM）的情况，装置被迫减负荷，且将分子筛吸附时间由4小时/罐缩短至3.8小时/罐。分子筛目前的吸附能力无法满足装置安、稳、长、满、优的运行要求，针对分子筛存在的问题，研究对比纯化系统技术改造方案。

2. 目的

针对目前分子筛的吸附能力及相关的问题进行研究，比选纯化系统技术改造方案。

3.研究内容

（1）风险分析

分子筛出口二氧化碳超标后，二氧化碳、乙块及其他碳氢化合物等有机杂质会进入板式换热器及精馏塔。二氧化碳极易造成液氧泵、膨胀机入口滤网及板换通道堵塞，导致装置无法提升负荷，情况严重时需停车对系统进行大加温，影响对后系统的正常供气；乙炔等碳氢化合物进入主冷后浓缩集聚，有爆炸风险。

（2）运行数据分析（部分）

空分装置：

分析结果：

1. 统计上表影响分子筛吸附效果的主要风向为西风、西北风。

2. 统计表中加工空气负荷在83.9%～91.7%之间。

3. 出现出口CO₂超标的情况有两种状态：<1>工作周期中有连续时间60min以上CO₂含量大于1300ppm；<2>整个工作周期内CO₂含量平均值在850PPm以上。

4. 目前装置未达到满负荷运行，当后系统达到满负时CO₂出现超标状态，只能通过缩短工作周期进行控制，严重影响装置长周期运行。

5. 运行中已出现液体膨胀机由于入口压差高高跳车、高压氧泵入口压差高被迫停泵加温。

6. 二氧化碳颗粒进入主冷中存在潜在风险，随着液氧流动会产生静电荷，当二氧化碳含量为200×10^-4~300×10^-4所产生静电位可达3000V，引起主冷的爆炸。其次二氧化碳颗粒在主冷中大量积聚造成通道堵塞，液氧流通不畅引起碳氢化合物（乙炔）将在主冷凝蒸发器的液氧中积聚，当其含量高于规定值时极易引起主冷爆炸等严重安全事故。

3. 技改方案一（某国际公司）

方案说明:

1. 当前操作条件下，氧化铝过多占据床层有效空间，因此新方案中优化了活性氧化铝和分子筛装的装填比例，可以提供很好的整体吸附性能。

2. 新方案中活性氧化铝为大、小球组合，可以提供足够的底部支撑、逐渐过渡气流使气流分布均匀，同时中长期来看，也可以减小因罐体本体应力形变而可能导致的底部格栅开缝、漏剂等。

3. 新方案结合设备图纸，充分利用剩余空间，以满足入口 3000ppm CO₂为前提，适当增加了分子筛，提高对 CO₂的吸附容量。

4. 新方案考虑堆填总高不超过人孔下沿（即1.71米），如果高度达到了 1.8-1.85米，则过于靠近顶部气流分布器，在再生反吹时会被吹出凹陷，导致床层不平，阻力不均，从而影响再生效果，长期运行难以保证。

5. 新方案中分子筛寿命保证值为5-6年，预估最长寿命大于10年。

6. 新方案中不考虑加入冷冻机，原因是基于通常经验，夏季气温升高，地表受热，空气上升强制扰动大气,同时季节风向的改变，会使入口 CO₂浓度降低。长期来看，增加冷冻机会使分子筛单元运行更加稳定，但同时带来运行成本的增加。未来加装冷冻机可以作为双保险，同时以UOP高性能分子筛为主要性能保证，可以大大缩短冷冻机的开启率，实现能耗最小化。

7. 新方案均是通过Unisim模拟软件计算得到。Unisim是UOP经大量工业经验积累，以及实际验证后的专业工业模拟工具软件，是目前最为可靠的设计平台。普通设计案例中，手算或通过经验的倍数法则去估算，误差较大，但仍可适用，原因是存在较大的设计余量但本案例中，留给设计者进行优化的空间非常有限，因此对设计计算的精确度要求很高。

8. 其它考虑的因素也很多，包括但不限于：水份吸附层及二氧化碳吸附层在正常工况和极限工况下的厚度、再生热量的分配、再生加热-冷却时间的优化、再生残留率，吸附及再生气气流分布，床层阻力，床层抬升风险等等。

3. 技改方案二（国内公司）

具方案

方案说明：

1. 基于目前的运行条件，在加工空气进口温度≤10℃,污氮进纯化系统温度≤10℃,再生气量 85000~89000Nm³/h 时：

a、吸附周期（4小时）内，入口C0₂浓度≤3000ppm；

b、考核状态下，吸附周期（6小时）内，C0₂浓度≤1500ppm；

c、吸附周期内，环境中短时峰值CO₂浓度≤4500ppm；

2. 在夏天环境温度较高时，进入纯化系统的加工空气进口温度≤16℃,此时在吸附周期（4小时）内，C0₂浓度≤1800ppm；

3. 夏季或冬季工况下，单罐吸附时间满足4小时以上，保证分子筛吸附剂能够连续运行,达到吸附器出口气体的CO₂含量≤0.5ppm,水含量低于露点-74℃, N₂0≤0.5ppm, CnHn≤1ppm （除甲烷以外）,分子筛的使用寿命为六年以上。

4. 新增设冷水机组，制冷量为175×104kcal/h，满负荷运行电耗约420kW，水耗约437 m3/h。冷冻水泵扬程已考虑冷水机组阻力，无需变更。空气出口温度降低至10℃，循环水温度降低至6.5℃，循环水温度如降至4度以下时，加药有可能导致冷冻水结晶，堵塞冷水机组的蒸发器换热管和空冷塔上部布水器的流液孔。加药前需要特别注意冷冻水温度。

3. 方案对比

两个方案均为取消原有惰性氧化铝，通过改变活性氧化铝和分子筛的装填比例和装填高度来实现对CO₂吸附能力的提升。方案一中更换全新的分子筛和氧化铝，方案二中活性氧化铝需要利旧，且在预冷系统增加了冷水机组。从两个方案本身来看均能满足当前最大浓度下分子筛对CO₂的吸附能力，具体结果还需要对改造效果进行考核后定论。

4、结论及建议

1#空分纯化系统用方案一（国际公司）进行技术改造，2#空分纯化系统用方案二（国内）进行技术改造（取消冷水机组）。通过三个月改造后运行效果方案一、方案二均有效解决目前入口二氧化碳超标问题。