液體二氧化碳裝置運行中存在問題與優化對策

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爲原料氣，通過脫除原料氣中的水、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，氣體經壓縮、淨化、液化，達到國家食品添加劑的标準後再制得高純食品級液體二氧化碳。分析該裝置運行中殘氣排放引發現場可燃氣體及有毒有害氣體報警儀報警、吸收劑粉化及壓縮機低負荷運行時能耗損失等問題，挖掘節能降耗措施，優化生産運行參數，確保裝置經濟、安全、穩定運行。

關鍵詞：液體二氧化碳裝置，殘氣排放，吸附劑粉化，低負荷能耗

1概述

      液體二氧化碳裝置主要採(cǎi)用精餾與吸附相結合，生産(chǎn)完全滿足國家食品級标準要求的二氧化碳産(chǎn)品。針對原料氣中存在的氫氣、氧氣、氮氣、氩氣、甲烷等輕組分氣體，通過精餾塔和熱泵精餾技術，将全部輕組分脫除到ppm級，把二氧化碳提純到99.9%以上，達到GB1886.228—2016《食品安全國家标準食品添加劑二氧化碳》和國際飲料協會的标準。再進一步通過吸附劑脫除雜質，達到國家食品級标準要求。該裝置脫硫床、幹燥和吸附系統採(cǎi)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，産(chǎn)品純度高。幹燥採(cǎi)用降壓和加熱解吸相結合，可節省熱量消耗；再生氣體用精餾塔塔頂排放的輕組分氣體，也可用無油空氣，不用外加氮氣或其他再生氣，大大降低操作費用。精餾系統採(cǎi)用熱泵技術，利用壓縮機出口氣的熱量來加熱再沸器，不需要外加蒸汽，節省能量消耗。

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，在壓力（表壓，下同）0.060~0.103MPa、溫度31.7℃、流量10000m³／h、二氧化碳含量大於98.50%的條件下進入二氧化碳壓縮機，經過壓縮機三級壓縮後壓力達到2.50MPa，溫度達到120.0℃後分爲兩部分進入後續設備，其中一部分原料氣進入精餾塔底再沸器作爲再沸器的熱源對精餾塔進行加熱，這部分換熱後的氣體與壓縮機三級的出口氣體彙合，進入級間冷卻器降溫至40.0℃，經穩壓罐穩壓後進入脫硫床，通過脫硫劑将原料氣中硫化氫和羰基硫脫除到低於0.1ppm。經過加壓、脫硫後的原料氣進入幹燥床中吸附水分、羰基硫和油脂，之後進入吸附床中脫除氨與甲醇。經上述吸附淨化後的這股高純物流依次進入第二冷卻器用7~12℃的低溫冷凍水降溫，進入第一預冷器中用精餾塔頂-50℃氣體進一步降溫，進入釜式液化器中液化，然後進入精餾塔中。在精餾塔頂排出氫氣、一氧化碳、氮氣、甲烷等輕組分，輕組分不凝氣在精餾塔頂部冷卻再經過第一預冷器後排出，作爲冷吹氣體爲脫硫床、幹燥床和吸附床降溫，然後由殘氣管道直接排至尾氣方管或高點放空。在精餾塔底得到高純的液體二氧化碳産品，經過冷器進一步降溫至-20.5℃後，送到成品儲罐中貯存，分析合格後裝車出廠。液體二氧化碳裝置工藝流程如圖1所示。

圖(tú)1 液體(tǐ)二氧化碳裝置工藝流程

3運行中存在問題

3.1殘氣直排引發GDS 報警儀報警

      二氧化碳裝置設有1台放空筒，其工作壓力0.01~0.05MPa、工作溫度-51.7~148.0℃，主要受壓元件材料爲S30408，設備(bèi)高約9m。精餾塔塔頂殘氣在作爲各脫硫床、幹燥床、吸附床冷吹氣後，與各吸附床的再生氣一起通過放空筒排入大氣，排放高度約35m。因排放的殘氣中含有少量氫氣和一氧化碳，受氣壓和風向的影響會導緻裝置出現大面積GDS（可燃氣及有毒有害氣體報(bào)警儀）報(bào)警，存在安全隐患，按照原有設計已經不能滿足當前生産運行要求。表1爲放空筒排放的冷吹氣及再生氣分析數據。

表1 冷吹氣及再生氣數據(jù)    體積(jī)分數，%

3.2各床升降壓速率過快引起吸附劑粉化

      二氧化碳裝置分别設置2台脫硫床、幹燥床及吸附床，主要作用是脫除二氧化碳氣中的硫化物、氮氧化物、苯系物、氮磷氰化物和水等，使其淨化達到國家食品級标準對各組分的指标要求。正常生産運行過程中分别有1台脫硫床、幹燥床、吸附床處於(yú)吸附狀态下，另外1台脫硫床、幹燥床、吸附床處於(yú)再生過程，主要步序包括雙塔運行、降壓、加熱、冷吹、升壓等。原有設計中降壓程序爲5min内各床由操作壓力2.42MPa降低至0.30MPa，升壓程序則爲5min内各床由0.30MPa升壓至操作壓力2.42MPa。在運行初期，當升降壓速率過快時，並(bìng)沒有反應出對系統有何影響，但随時系統運行時間增長，通過拆檢泵及管道過濾器濾芯，發現有吸附劑粉化粉末痕迹。如圖2、圖3所示。

圖2 過濾器濾芯内夾帶粉化的吸附劑

圖3 吸附劑粉末

3.3低負荷運行造成能耗損失

      二氧化碳裝置主要是生産液體二氧化碳進行外售，有2台往複式二氧化碳壓縮機，單台打氣量爲6000m³／h，裝置運行負荷主要根據外售計劃量進行負荷調整。因産品液體二氧化碳每日銷售計劃不確定，經常出現外售量減少時單台壓縮機産量無法滿足銷售需求，而2台壓縮機同時運行又超出負荷的問題。目前壓縮機氣量調節閥方法主要是在滿足外送氣量的同時通過出口回流閥将壓縮後多餘的高溫高壓氣體返回到壓縮機進口總管，這樣在低負荷期間通過回流閥回到進口總管氣體所耗的壓縮功就白白浪費瞭。同時低負荷運行壓縮機振動大，並且壓縮機長時間處於低負荷、打回流運行，容易造成壓縮機轉動部位磨損損壞，增加檢修頻次，生産液體二氧化碳的成本也随之增加。

4採取的措施

4.1放空筒殘氣由現場放空改爲入低溫甲醇洗裝置尾氣管道

      由於(yú)放空筒處排放殘(cán)氣的操作壓力較低，這部分氣體隻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設計規範》要求，氧含量偏高的氣體不能通過火炬系統燃燒排放（表2）。

表2 不應排入全廠(chǎng)可燃性氣(qì)體排放系統的氣(qì)體

      因此隻能考慮将放空筒處排放的殘氣與低溫甲醇洗尾氣混合後一起排放。日常生産過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，混合後氣體的各組分濃度（表3）符合GB31571—2015《石油化學工業污染物排放标準》要求。

表3 低溫甲醇洗尾氣(qì)及混合氣(qì)    體積(jī)分數，%

      通過論證後決定将殘氣並入低溫甲醇洗尾氣管道上，通過高度180m的煙囪排放大氣。原有流程保留，當二氧化碳裝置停車檢修時，在将二氧化碳裝置殘氣放空由低溫甲醇洗尾氣管道切換至現場放空。經過技術改造，放空筒殘氣與低甲裝置尾氣混合後通過高度180m的煙囪進行排放，解決瞭因放空筒放空位置低造成現場可燃氣及有毒有害氣體頻繁報警的問題。改造前、後放空筒排放示意如圖4所示。

圖(tú)4 改造前、後(hòu)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吸附劑強度未達(dá)到設計要求；②吸附劑裝填過(guò)程中出現“架橋”、未裝滿、未壓實；③各吸附床再生時升降壓速率過(guò)快造成吸附劑粉化。

      在最初發現過濾器濾芯有吸附劑粉化粉末痕迹時，判斷爲吸附劑強度不夠，並(bìng)且各吸附劑裝填時沒有用瓷球和絲網壓實，導緻吸附劑被帶入後系統，同時對産品液體二氧化碳成分進行分析，其中包含一定量的吸附劑粉末，根據粒度分布報告可知吸附劑粉末粒徑小於400μm的占比在70%以上，現有過濾器隻能過濾粒度在500μm以上粉末。因此更多的細小粉末被帶入液體二氧化碳儲罐内，造成産品分析指标中蒸發殘渣不能滿足不大於10ppm的要求。在各吸附床換吸附劑時，對更換前、後的吸附劑進行檢測強度均符合要求，對裝填過程也進行瞭(le)嚴格把控，但運行後仍未得到良好的解決。

      通過總結摸索，考慮各吸附劑固有強度，判斷系統出現吸附劑粉末問題可能是因爲各吸附床再生時升降壓速率過快導(dǎo)緻的，因此嘗(cháng)試控制升降壓速率來改善此問題，通過在脫硫床、幹燥床及吸附床洩壓管線上分别增加1台閘閥，各吸附床再生過程中利用閥門的開度來控制升降壓速率（圖5）。

圖5 吸附塔改造前、後降壓速率曲線

     經過一段時間的運行觀察，各過濾器處吸附劑粉化粉末明顯減少，産(chǎn)品中未發現夾帶粉末，同時各床層(céng)壓差（通過操作畫面記錄看）較換吸附劑前好，同等負荷下，各吸附床壓差由62kPa降低至30kPa，吸附劑粉化的問題得到有效的解決。

4.3增加無級變速調節閥系統

      二氧化碳壓縮機負荷主要根據液體二氧化碳外售情況而定，當(dāng)外售量低於(yú)壓縮機100%負荷時，需要将壓縮機出口一部分氣量返回至進口，相對負荷越低時能耗損失越大，表4是以1台功率爲1100kW壓縮機進行電耗對比。按照理論計算，100%負荷下壓縮機功率爲1100kW，80%負荷下壓縮機功率仍爲1100kW，但有20%的負荷回到壓縮機入口，相當(dāng)於(yú)做無用功。因此電能損耗爲1100×20%=220kW。按照0.5元／kW·h電計算，年電耗浪費費用220×0.5×8000／10000=88萬元。

表4 二氧化碳壓縮機旁路閥能源損耗

      對比壓縮機傳統的氣量調節方式，在降低能耗方面，可以引進無級調節系統。無級調節系統的基本原理是僅對實際需要的氣體進行壓縮，餘下的氣體在壓縮行程開始階段回流到進氣腔内。採用計算機信号處理，該系統液壓傳動卸荷裝置在壓縮開始階段使進氣閥保持一定時間的開啓，通過延遲關閉進氣閥的方式，使氣缸中部分氣體返回進氣腔，提高進氣量，從而控制排氣量，實現0~100%氣量連續調節。通過改變壓縮機負荷最大限度的節約能源，利用狀态監測軟件和智能化液壓調節機構，快速、精準地控制進氣壓力和流量。理論上可實現負荷0~100%連續調節（因壓縮機而異，一般在30%~100%調節），還可以輕松實現壓縮機的平穩啓動、切換和停機，保障壓縮機運行。另外由往複式壓縮機運行特點可知，往複壓縮機十字頭銷受力反向時需要持續一段時間，保證潤滑油充分進入運動部件並(bìng)發揮作用，這個時間以曲柄轉角來表示，稱爲“反向角”，API618标準規定反向角不小於15°。基於往複壓縮機機組參數及氣缸動态壓力曲線，計算10%~100%負荷下的反向角，以10%爲一檔，根據受力分析得到結果。随著(zhe)壓縮機負荷降低，十字頭銷受力換向次數增加，出現多段式反向角，十字頭銷與小頭瓦的沖擊次數增加，但是各段反向角均滿足API 618标準。從機械性能的角度分析該壓縮機具備增加無級調節系統的條件。改造實施後二氧化碳壓縮機負荷由固定負荷器改爲無級調節系統，可根據裝置運行需求進行負荷調節。壓縮機70%負荷時三回一閥閥位由30%優化至0，電動機電流降低明顯。無級調節系統安裝完成後運行較好，能滿足系統負荷需求，達到瞭節能降耗目的（表5）。

表5 二氧化碳壓縮機改造前、後電耗對比

5結束語

      液體二氧化碳裝置主要回收廢棄資源及再利用，生産成本較低，可以通過提高産品自身價值爲企業創造新的經濟增長點。日常生産維護主要是保證産品質量合格，大比例降低操作成本，提高裝置運行的安全、環保、經濟性。通過總結和分析液态二氧化碳裝置生産運行過程中存在的問題，找出問題産生的原因，並(bìng)進行瞭(le)探索研究，提出瞭(le)有效合理的處理方案，確保裝置長期安全穩定運行，對同類型裝置的早期設計和穩定運行有一定的借鑒意義。