液體二氧化碳裝置運(yùn)行中存在問(wèn)題與優(yōu)化對(duì)策

摘要：液體二氧化碳裝置以低溫甲醇洗裝置排放的高純度二氧化碳尾氣為原料氣，通過(guò)脫除原料氣中的水、硫化氫、羰基硫、氨氣、甲醇等一些輕組分，把二氧化碳提純到99.9%以上，氣體經(jīng)壓縮、凈化、液化，達(dá)到國(guó)家食品添加劑的標(biāo)準(zhǔn)后再制得高純食品級(jí)液體二氧化碳。分析該裝置運(yùn)行中殘氣排放引發(fā)現(xiàn)場(chǎng)可燃?xì)怏w及有毒有害氣體報(bào)警儀報(bào)警、吸收劑粉化及壓縮機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)能耗損失等問(wèn)題，挖掘節(jié)能降耗措施，優(yōu)化生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)，確保裝置經(jīng)濟(jì)、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：液體二氧化碳裝置，殘氣排放，吸附劑粉化，低負(fù)荷能耗

1概述

      液體二氧化碳裝置主要采用精餾與吸附相結(jié)合，生產(chǎn)完全滿(mǎn)足國(guó)家食品級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求的二氧化碳產(chǎn)品。針對(duì)原料氣中存在的氫氣、氧氣、氮?dú)?、氬氣、甲烷等輕組分氣體，通過(guò)精餾塔和熱泵精餾技術(shù)，將全部輕組分脫除到ppm級(jí)，把二氧化碳提純到99.9%以上，達(dá)到GB1886.228—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品添加劑二氧化碳》和國(guó)際飲料協(xié)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)。再進(jìn)一步通過(guò)吸附劑脫除雜質(zhì)，達(dá)到國(guó)家食品級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求。該裝置脫硫床、干燥和吸附系統(tǒng)采用多種高效添加劑組合方案，可有效脫除原料氣中多種難分離雜質(zhì)，產(chǎn)品純度高。干燥采用降壓和加熱解吸相結(jié)合，可節(jié)省熱量消耗；再生氣體用精餾塔塔頂排放的輕組分氣體，也可用無(wú)油空氣，不用外加氮?dú)饣蚱渌偕鷼猓蟠蠼档筒僮髻M(fèi)用。精餾系統(tǒng)采用熱泵技術(shù)，利用壓縮機(jī)出口氣的熱量來(lái)加熱再沸器，不需要外加蒸汽，節(jié)省能量消耗。

2工藝流程

      二氧化碳裝置使用的原料氣由低溫甲醇洗裝置二氧化碳閃蒸罐氣相引來(lái)，在壓力（表壓，下同）0.060~0.103MPa、溫度31.7℃、流量10000m³／h、二氧化碳含量大于98.50%的條件下進(jìn)入二氧化碳?jí)嚎s機(jī)，經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)三級(jí)壓縮后壓力達(dá)到2.50MPa，溫度達(dá)到120.0℃后分為兩部分進(jìn)入后續(xù)設(shè)備，其中一部分原料氣進(jìn)入精餾塔底再沸器作為再沸器的熱源對(duì)精餾塔進(jìn)行加熱，這部分換熱后的氣體與壓縮機(jī)三級(jí)的出口氣體匯合，進(jìn)入級(jí)間冷卻器降溫至40.0℃，經(jīng)穩(wěn)壓罐穩(wěn)壓后進(jìn)入脫硫床，通過(guò)脫硫劑將原料氣中硫化氫和羰基硫脫除到低于0.1ppm。經(jīng)過(guò)加壓、脫硫后的原料氣進(jìn)入干燥床中吸附水分、羰基硫和油脂，之后進(jìn)入吸附床中脫除氨與甲醇。經(jīng)上述吸附凈化后的這股高純物流依次進(jìn)入第二冷卻器用7~12℃的低溫冷凍水降溫，進(jìn)入第一預(yù)冷器中用精餾塔頂-50℃氣體進(jìn)一步降溫，進(jìn)入釜式液化器中液化，然后進(jìn)入精餾塔中。在精餾塔頂排出氫氣、一氧化碳、氮?dú)?、甲烷等輕組分，輕組分不凝氣在精餾塔頂部冷卻再經(jīng)過(guò)第一預(yù)冷器后排出，作為冷吹氣體為脫硫床、干燥床和吸附床降溫，然后由殘氣管道直接排至尾氣方管或高點(diǎn)放空。在精餾塔底得到高純的液體二氧化碳產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)冷器進(jìn)一步降溫至-20.5℃后，送到成品儲(chǔ)罐中貯存，分析合格后裝車(chē)出廠。液體二氧化碳裝置工藝流程如圖1所示。

圖1 液體二氧化碳裝置工藝流程

3運(yùn)行中存在問(wèn)題

3.1殘氣直排引發(fā)GDS 報(bào)警儀報(bào)警

      二氧化碳裝置設(shè)有1臺(tái)放空筒，其工作壓力0.01~0.05MPa、工作溫度-51.7~148.0℃，主要受壓元件材料為S30408，設(shè)備高約9m。精餾塔塔頂殘氣在作為各脫硫床、干燥床、吸附床冷吹氣后，與各吸附床的再生氣一起通過(guò)放空筒排入大氣，排放高度約35m。因排放的殘氣中含有少量氫氣和一氧化碳，受氣壓和風(fēng)向的影響會(huì)導(dǎo)致裝置出現(xiàn)大面積GDS（可燃?xì)饧坝卸居泻怏w報(bào)警儀）報(bào)警，存在安全隱患，按照原有設(shè)計(jì)已經(jīng)不能滿(mǎn)足當(dāng)前生產(chǎn)運(yùn)行要求。表1為放空筒排放的冷吹氣及再生氣分析數(shù)據(jù)。

表1 冷吹氣及再生氣數(shù)據(jù)    體積分?jǐn)?shù)，%

3.2各床升降壓速率過(guò)快引起吸附劑粉化

      二氧化碳裝置分別設(shè)置2臺(tái)脫硫床、干燥床及吸附床，主要作用是脫除二氧化碳?xì)庵械牧蚧?、氮氧化物、苯系物、氮磷氰化物和水等，使其凈化達(dá)到國(guó)家食品級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各組分的指標(biāo)要求。正常生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中分別有1臺(tái)脫硫床、干燥床、吸附床處于吸附狀態(tài)下，另外1臺(tái)脫硫床、干燥床、吸附床處于再生過(guò)程，主要步序包括雙塔運(yùn)行、降壓、加熱、冷吹、升壓等。原有設(shè)計(jì)中降壓程序?yàn)?min內(nèi)各床由操作壓力2.42MPa降低至0.30MPa，升壓程序則為5min內(nèi)各床由0.30MPa升壓至操作壓力2.42MPa。在運(yùn)行初期，當(dāng)升降壓速率過(guò)快時(shí)，并沒(méi)有反應(yīng)出對(duì)系統(tǒng)有何影響，但隨時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)，通過(guò)拆檢泵及管道過(guò)濾器濾芯，發(fā)現(xiàn)有吸附劑粉化粉末痕跡。如圖2、圖3所示。

圖2 過(guò)濾器濾芯內(nèi)夾帶粉化的吸附劑

圖3 吸附劑粉末

3.3低負(fù)荷運(yùn)行造成能耗損失

      二氧化碳裝置主要是生產(chǎn)液體二氧化碳進(jìn)行外售，有2臺(tái)往復(fù)式二氧化碳?jí)嚎s機(jī)，單臺(tái)打氣量為6000m³／h，裝置運(yùn)行負(fù)荷主要根據(jù)外售計(jì)劃量進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整。因產(chǎn)品液體二氧化碳每日銷(xiāo)售計(jì)劃不確定，經(jīng)常出現(xiàn)外售量減少時(shí)單臺(tái)壓縮機(jī)產(chǎn)量無(wú)法滿(mǎn)足銷(xiāo)售需求，而2臺(tái)壓縮機(jī)同時(shí)運(yùn)行又超出負(fù)荷的問(wèn)題。目前壓縮機(jī)氣量調(diào)節(jié)閥方法主要是在滿(mǎn)足外送氣量的同時(shí)通過(guò)出口回流閥將壓縮后多余的高溫高壓氣體返回到壓縮機(jī)進(jìn)口總管，這樣在低負(fù)荷期間通過(guò)回流閥回到進(jìn)口總管氣體所耗的壓縮功就白白浪費(fèi)了。同時(shí)低負(fù)荷運(yùn)行壓縮機(jī)振動(dòng)大，并且壓縮機(jī)長(zhǎng)時(shí)間處于低負(fù)荷、打回流運(yùn)行，容易造成壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部位磨損損壞，增加檢修頻次，生產(chǎn)液體二氧化碳的成本也隨之增加。

4采取的措施

4.1放空筒殘氣由現(xiàn)場(chǎng)放空改為入低溫甲醇洗裝置尾氣管道

      由于放空筒處排放殘氣的操作壓力較低，這部分氣體只能排放至低低壓火炬或直接排放大氣。按照SH 3009—2013《石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，氧含量偏高的氣體不能通過(guò)火炬系統(tǒng)燃燒排放（表2）。

表2 不應(yīng)排入全廠可燃性氣體排放系統(tǒng)的氣體

      因此只能考慮將放空筒處排放的殘氣與低溫甲醇洗尾氣混合后一起排放。日常生產(chǎn)過(guò)程中低溫甲醇洗裝置尾氣排放量在42.5×104m³／h，冷吹氣排放量在310m³／h，再生氣排放量在4250m³／h，混合后氣體的各組分濃度（表3）符合GB31571—2015《石油化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》要求。

表3 低溫甲醇洗尾氣及混合氣    體積分?jǐn)?shù)，%

      通過(guò)論證后決定將殘氣并入低溫甲醇洗尾氣管道上，通過(guò)高度180m的煙囪排放大氣。原有流程保留，當(dāng)二氧化碳裝置停車(chē)檢修時(shí)，在將二氧化碳裝置殘氣放空由低溫甲醇洗尾氣管道切換至現(xiàn)場(chǎng)放空。經(jīng)過(guò)技術(shù)改造，放空筒殘氣與低甲裝置尾氣混合后通過(guò)高度180m的煙囪進(jìn)行排放，解決了因放空筒放空位置低造成現(xiàn)場(chǎng)可燃?xì)饧坝卸居泻怏w頻繁報(bào)警的問(wèn)題。改造前、后放空筒排放示意如圖4所示。

圖4 改造前、后放空筒排放示意

4.2控制各床升降壓速率，避免吸附劑粉化

      造成各吸附床中吸附劑粉化的主要原因有：①吸附劑強(qiáng)度未達(dá)到設(shè)計(jì)要求；②吸附劑裝填過(guò)程中出現(xiàn)“架橋”、未裝滿(mǎn)、未壓實(shí)；③各吸附床再生時(shí)升降壓速率過(guò)快造成吸附劑粉化。

      在最初發(fā)現(xiàn)過(guò)濾器濾芯有吸附劑粉化粉末痕跡時(shí)，判斷為吸附劑強(qiáng)度不夠，并且各吸附劑裝填時(shí)沒(méi)有用瓷球和絲網(wǎng)壓實(shí)，導(dǎo)致吸附劑被帶入后系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)產(chǎn)品液體二氧化碳成分進(jìn)行分析，其中包含一定量的吸附劑粉末，根據(jù)粒度分布報(bào)告可知吸附劑粉末粒徑小于400μm的占比在70%以上，現(xiàn)有過(guò)濾器只能過(guò)濾粒度在500μm以上粉末。因此更多的細(xì)小粉末被帶入液體二氧化碳儲(chǔ)罐內(nèi)，造成產(chǎn)品分析指標(biāo)中蒸發(fā)殘?jiān)荒軡M(mǎn)足不大于10ppm的要求。在各吸附床換吸附劑時(shí)，對(duì)更換前、后的吸附劑進(jìn)行檢測(cè)強(qiáng)度均符合要求，對(duì)裝填過(guò)程也進(jìn)行了嚴(yán)格把控，但運(yùn)行后仍未得到良好的解決。

      通過(guò)總結(jié)摸索，考慮各吸附劑固有強(qiáng)度，判斷系統(tǒng)出現(xiàn)吸附劑粉末問(wèn)題可能是因?yàn)楦魑酱苍偕鷷r(shí)升降壓速率過(guò)快導(dǎo)致的，因此嘗試控制升降壓速率來(lái)改善此問(wèn)題，通過(guò)在脫硫床、干燥床及吸附床泄壓管線上分別增加1臺(tái)閘閥，各吸附床再生過(guò)程中利用閥門(mén)的開(kāi)度來(lái)控制升降壓速率（圖5）。

圖5 吸附塔改造前、后降壓速率曲線

     經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行觀察，各過(guò)濾器處吸附劑粉化粉末明顯減少，產(chǎn)品中未發(fā)現(xiàn)夾帶粉末，同時(shí)各床層壓差（通過(guò)操作畫(huà)面記錄看）較換吸附劑前好，同等負(fù)荷下，各吸附床壓差由62kPa降低至30kPa，吸附劑粉化的問(wèn)題得到有效的解決。

4.3增加無(wú)級(jí)變速調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)

      二氧化碳?jí)嚎s機(jī)負(fù)荷主要根據(jù)液體二氧化碳外售情況而定，當(dāng)外售量低于壓縮機(jī)100%負(fù)荷時(shí)，需要將壓縮機(jī)出口一部分氣量返回至進(jìn)口，相對(duì)負(fù)荷越低時(shí)能耗損失越大，表4是以1臺(tái)功率為1100kW壓縮機(jī)進(jìn)行電耗對(duì)比。按照理論計(jì)算，100%負(fù)荷下壓縮機(jī)功率為1100kW，80%負(fù)荷下壓縮機(jī)功率仍為1100kW，但有20%的負(fù)荷回到壓縮機(jī)入口，相當(dāng)于做無(wú)用功。因此電能損耗為1100×20%=220kW。按照0.5元／kW·h電計(jì)算，年電耗浪費(fèi)費(fèi)用220×0.5×8000／10000=88萬(wàn)元。

表4 二氧化碳?jí)嚎s機(jī)旁路閥能源損耗

      對(duì)比壓縮機(jī)傳統(tǒng)的氣量調(diào)節(jié)方式，在降低能耗方面，可以引進(jìn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基本原理是僅對(duì)實(shí)際需要的氣體進(jìn)行壓縮，余下的氣體在壓縮行程開(kāi)始階段回流到進(jìn)氣腔內(nèi)。采用計(jì)算機(jī)信號(hào)處理，該系統(tǒng)液壓傳動(dòng)卸荷裝置在壓縮開(kāi)始階段使進(jìn)氣閥保持一定時(shí)間的開(kāi)啟，通過(guò)延遲關(guān)閉進(jìn)氣閥的方式，使氣缸中部分氣體返回進(jìn)氣腔，提高進(jìn)氣量，從而控制排氣量，實(shí)現(xiàn)0~100%氣量連續(xù)調(diào)節(jié)。通過(guò)改變壓縮機(jī)負(fù)荷最大限度的節(jié)約能源，利用狀態(tài)監(jiān)測(cè)軟件和智能化液壓調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，快速、精準(zhǔn)地控制進(jìn)氣壓力和流量。理論上可實(shí)現(xiàn)負(fù)荷0~100%連續(xù)調(diào)節(jié)（因壓縮機(jī)而異，一般在30%~100%調(diào)節(jié)），還可以輕松實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的平穩(wěn)啟動(dòng)、切換和停機(jī)，保障壓縮機(jī)運(yùn)行。另外由往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)可知，往復(fù)壓縮機(jī)十字頭銷(xiāo)受力反向時(shí)需要持續(xù)一段時(shí)間，保證潤(rùn)滑油充分進(jìn)入運(yùn)動(dòng)部件并發(fā)揮作用，這個(gè)時(shí)間以曲柄轉(zhuǎn)角來(lái)表示，稱(chēng)為“反向角”，API618標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定反向角不小于15°?；谕鶑?fù)壓縮機(jī)機(jī)組參數(shù)及氣缸動(dòng)態(tài)壓力曲線，計(jì)算10%~100%負(fù)荷下的反向角，以10%為一檔，根據(jù)受力分析得到結(jié)果。隨著壓縮機(jī)負(fù)荷降低，十字頭銷(xiāo)受力換向次數(shù)增加，出現(xiàn)多段式反向角，十字頭銷(xiāo)與小頭瓦的沖擊次數(shù)增加，但是各段反向角均滿(mǎn)足API 618標(biāo)準(zhǔn)。從機(jī)械性能的角度分析該壓縮機(jī)具備增加無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的條件。改造實(shí)施后二氧化碳?jí)嚎s機(jī)負(fù)荷由固定負(fù)荷器改為無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可根據(jù)裝置運(yùn)行需求進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)。壓縮機(jī)70%負(fù)荷時(shí)三回一閥閥位由30%優(yōu)化至0，電動(dòng)機(jī)電流降低明顯。無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)安裝完成后運(yùn)行較好，能滿(mǎn)足系統(tǒng)負(fù)荷需求，達(dá)到了節(jié)能降耗目的（表5）。

表5 二氧化碳?jí)嚎s機(jī)改造前、后電耗對(duì)比

5結(jié)束語(yǔ)

      液體二氧化碳裝置主要回收廢棄資源及再利用，生產(chǎn)成本較低，可以通過(guò)提高產(chǎn)品自身價(jià)值為企業(yè)創(chuàng)造新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。日常生產(chǎn)維護(hù)主要是保證產(chǎn)品質(zhì)量合格，大比例降低操作成本，提高裝置運(yùn)行的安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)性。通過(guò)總結(jié)和分析液態(tài)二氧化碳裝置生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中存在的問(wèn)題，找出問(wèn)題產(chǎn)生的原因，并進(jìn)行了探索研究，提出了有效合理的處理方案，確保裝置長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)同類(lèi)型裝置的早期設(shè)計(jì)和穩(wěn)定運(yùn)行有一定的借鑒意義。