摘要：文章主要是介绍了CO深冷分离装置工艺的主要流程，同时对其中存在的问题进行了分析，且采取到了相应的解决措施。
关键字：CO；深冷分离；波动
1深冷分离装置的原理和工艺流程
乙二醇项目配套工程是以五环炉煤气化生产出的粗煤气为原料,经变换、低温甲醇洗、深冷分离、PSA等装置制取合格的CO和H２产品气,以满足乙二醇生产的需要深冷分离装置的工作原理是根据各种气体在相同压力下冷凝温度不同的特性,利用高压气体绝热膨胀和液氮降温来降低气体温度,发生相变分离,并采用分压冷凝工艺达到分离混合气体的目的.正常情况下,原料合成气中含有一定量的氮,为满足CO产品纯度的要求,必须使用特定的脱氮分离塔,精馏生产低压气态CO,闪蒸生产高压富氢气体,其产品CO气体纯度可以达到９８．５％以上.深冷分离装置主要由前端净化单元、冷箱、一氧化碳压缩及低温排放４部分组成.自低温甲醇洗的原料气在前端净化单元进行合成气的吸附净化,吸附净化合成气中的CO２和甲醇等气体,净化后的原料气经低温甲醇洗单元的原料气最终冷却器和原料气/合成气换热器进行换热,换热后的原料气进入冷箱,在冷箱主换热器里被部分冷凝后送到气液分离器中,气相部分即富氢气体,在主换热器里复热至常温,然后离开冷箱,以较高压力输送至PSA界区生产氢气.液相部分通过阀门膨胀后送到闪蒸容器内去除少量的氢气,顶部的闪蒸气在主换热器里复热到常温,在中等压力下输送至低温甲醇洗单元循环气压缩机压缩后循环利用.底部的液体被送到一氧化碳/氮分离塔,该塔底部产生高纯度的一氧化碳液体产品,后经一氧化碳/氮分离塔顶冷凝器蒸发和主换热器复热后回复常温,送一氧化碳压缩机组使产品达到所需压力,以供下游乙二醇装置需要.一氧化碳压缩机同时通过部分一氧化碳循环以提供冷箱分离所需的负荷.冷箱各处置换及排放的低温液体和低温气体进入装置低温排放部分,被加热蒸发和复温为常温气体状态后排放进入火炬系统,进行废气燃烧处理.
2深冷分离装置在系统运行时存在的问题
随着整体系统负荷的不断提升,深冷分离装置也在不断提升负荷,目前,装置的入口气量已达到设计值１２万Nm３/h.２０１８年１０月,深冷分离装置在高负荷运行过程中先后出现５次大幅度的波动,每次都会造成一氧化碳/氮分离塔出口排放的废气量激增,甚至超量程,然后又快速的降低,短时间、高频次地来回震荡,造成一氧化碳/氮分离塔的压力高低波动.排放废气组分中CO和氢气含量快速上涨,产品CO纯度下降,流量也随之波动,从而造成一氧化碳压缩机入口气量变化,返回冷箱CO气量的波动震荡,最终造成全系统工况周期性的变化.
3深冷分离装置波动原因分析及对策
深冷分离装置系统波动表现在一氧化碳/氮分离塔排放废气量激增,根本原因是排放废气中的有效气体增加,没有冷凝为液体,导致氧化碳/氮分离塔压力波动,无法正常工作.造成系统波动影响的因素是多方面的,原料气的组成、CO压缩机的循环量、主换热器各进出物料温度、分离塔压力、冷箱内各容器液位及系统冷量分布等都会对装置操作产生较大的影响.
3.1原料气成分变化对冷箱的影响
深冷分离原设计入口的净化气为低温甲醇洗出来的经过脱硫、脱碳的煤气,其主要成分为H２、CO和N２,气体组成为H２４６．４７％,CO５１．４５％,N２１．９６％,其他０．１２％.
3.1.1入口煤气中甲烷含量的影响
通过深冷分离装置没有进行CH４脱除设计,低温甲醇洗出口净化气中含有０．１５％左右的CH４,其主要来源为气化炉和变换炉副反应产生的气体.由于其性质稳定,且在相同条件下更容易液化,所有CH４最后都会进入产品CO气体中,经过气体的提纯浓缩,CH４对CO纯度影响较大,尤其是变换催化剂使用末期,CH４在CO产品气中含量可高达０．９％左右,严重影响产品指标,最终造成冷箱波动.采取如下措施:适当降低CO产品气纯度,提升冷箱操作弹性,加强产品气体蒸发分离罐底部液体产品的排放,减少CH４进入CO产品气中.
3.1.2入口煤气中氮气含量的影响
冷箱分离部分N元素主要由净化气带入,N元素除煤中含有少量外,其余N元素主要从气化炉生产中的各个环节带入、煤粉的气力输送、各安全阀和振打器的吹扫,以及煤气循环压缩机干气密封的漏入等.净化气中N２含量偏高会造成冷箱的热负荷过大、分离塔负荷偏高、产品纯度下降的现象.在装置开车初期,气化炉使用氮气进行煤粉输送,系统中氮气含量较高,冷箱只能以低负荷接气运行,分离塔负荷偏高,系统需要较多液氮补充冷量.在转入用９８．７％的CO２输送煤粉时,净化气中的N２含量有了大幅度的降低.正常运行过程中,冷箱入口的氮气含量在２％左右,经过调整和工况优化,CO产品纯度在９８．５％左右,达到设计指标.但由于CH４的存在,操作弹性很小,微弱的影响因素干扰就会造成冷箱及装置的波动.采取如下措施:积极调整前系统低温甲醇洗工况,提高CO２产品纯度,减少系统氮气的循环,考虑用CO２代替氮气,减少系统高压氮气和低压氮气的漏入,用盲板把氮气管网和各系统进行可靠隔离.通过调整,目前冷箱入口氮气含量在１．１％左右,CO产品纯度提升到９９％左右.氮含量的降低使分离塔的操作弹性有所放宽,避免了系统波动,CO纯度的提升也降低了后系统乙二醇的单耗.
3.1.3冷箱入口净化气中氢气含量的影响
冷箱入口氢气含量过高也会对装置造成影响.装置在高负荷运行时入口净化气的氢气含量在５３％左右,远超设值４６．４７％,过多的氢气会被带入到分离塔中,由于液态氢气的沸点远低于液氮和液体一氧化碳,最终带入到分离塔中的所有氢气都会进入到排放的含氮废气中,增加了含氮废气排放量.在分离塔中过多的氢气也提高了氮气与液体CO分离的难度,增加了分离塔的负荷,降低了冷箱操作弹性.在实际冷箱高负荷运行时,每次波动检测均发现分离塔顶排出含氮废气中的氢气含量都大于３５％,远高于设计值２５％,这也证明了氢气含量的过多是造成冷箱波动的原因之一.采取如下措施:在整个园区有效气平衡的条件下,通过上游变换装置降低变换率,尽可能减少净化气中氢气的含量.同时,在深冷分离装置满足输送压力和物料流速的条件下,降低闪蒸罐V０３３的压力,让更多的氢气进入闪蒸气中,然后再通过低温甲醇洗的循环气压缩机回收到系统中.最后适当增加分离塔顶冷凝蒸发器的冷负荷,使更多的气体冷凝下来,稳定分离塔的压力,减少冷箱气量波动.
3.2分离塔压力偏低的影响
在运行初期,由于深冷分离装置负荷偏低,分离塔的操作压力控制低于设计值,而深冷分离装置波动则首先表现在分离塔压力的波动上.依据AnＧtoine公式lgP＝A－B/(t＋C),计算得到N２、CO、CH４、H２在相同饱和蒸汽压下的温度,H２最高,其次是CH４,在相同的饱和蒸汽压下N２和CO的温度差值会随着压力的提升不断变大,也就是说,提高分离塔的压力有利于N２和CO的分离提纯,也有利于塔顶部气相的冷凝,防止分离塔超压波动.采取如下措施:逐步提高分离塔的操作压力,每次提高０．０１MPa,直到达到设计值.随着塔压的提升,装置出口含氮废气中的CO也随之降低.分离塔压力趋于稳定。
结束语
由上可知，影响到深冷分离装置正常运行的因素是互相影响的一个有机整体，为此只有在实际施工的过程中进行全面的分析和判断，才能有效避免到冷箱出现波动的情况，从而确保到装置的正常运行。
参考文献
[1]杨鑫源,郑家启,任泽华.美国熔断机制连续触发的原因及对策分析[J].中国商论,2020(9):13-14.