龍貴福
(貴州開磷息烽合成氨有限公司,貴州貴陽 551100)
貴州開磷息烽合成氨有限公司(簡稱息烽合成氨)為了減少向大氣排放廢氣,并變廢為寶增加效益,投資建設(shè)了一套總產(chǎn)能50 kt/a液體二氧化碳回收裝置,其中食品級液體二氧化碳15 kt/a,工業(yè)級液體二氧化碳35 kt/a,產(chǎn)品投放市場后已用于飲料、卷煙、啤酒、焊接保護、鋁材加工、電子工業(yè)、醫(yī)學(xué)研究等行業(yè)。
將壓力為0.02~0.05 MPa、溫度為30~35 ℃合成氨變壓吸附脫碳裝置解吸氣中的二氧化碳氣作為原料氣,要求原料氣的成分指標為φ(CO2)≥90×10-2,φ(H2S)≤250 mg/m3(標態(tài)),φ(COS)6.0×10-6。
通過對二氧化碳原料氣進行壓縮、脫硫、除濕干燥、冷凝液化、提純等處理,得到符合國家標準GB/T 6052—93《工業(yè)液體二氧化碳》中要求的工業(yè)級液體二氧化碳產(chǎn)品,再通過對工業(yè)級液體二氧化碳產(chǎn)品進行脫烴處理,得到符合國家標準GB 10621—2006《食品添加劑液體二氧化碳》中要求的食品級二氧化碳產(chǎn)品[1-2]。
90%以上原料氣經(jīng)兩臺羅茨風(fēng)機進行加壓輸送至二氧化碳無油潤滑三級壓縮,將壓力提至2.5~3.0 MPa,用液氨在-25~-30 ℃下蒸發(fā),間接冷卻被壓縮的二氧化碳氣至-19 ℃,使其液化。
采用干法脫硫工藝,脫硫劑主要成分為氧化鐵脫硫劑,從壓縮機二段出來的二氧化碳氣體,經(jīng)一級脫硫塔用T703脫硫劑將H2S脫至≤2×10-6,然后回壓縮機三段進口再加壓至2.5~3.0 MPa,經(jīng)脫硫加熱器加熱至60 ℃后進入水解塔,在T504水解催化劑作用下將COS轉(zhuǎn)化為H2S,再經(jīng)脫硫水冷器冷卻至常溫,用精脫硫塔的T103精脫硫劑將水解轉(zhuǎn)化的H2S脫除,精脫硫后總硫(H2S+COS)≤0.1×10-6。
主要反應(yīng)如下:
COS+H2O=H2S+CO2
2H2S+O2=2S+2H2O
食品級液體二氧化碳產(chǎn)品對烴類物質(zhì)(如含CH4、C2H4等)有很高的要求,而烴類物質(zhì)的氧化脫除,若無催化劑的存在,必須在較高的溫度(如CH4的氧化必須在630 ℃以上)下才能進行,而且氧化反應(yīng)還不能徹底進行。為此,原料氣中的烴類物質(zhì)選擇在Pt、Pd催化劑存在及一定的溫度(約350~430 ℃)下與O2進行催化氧化反應(yīng),將烴類及CO、H2等雜質(zhì)徹底除去,反應(yīng)方程式如下:
CH4+2O2=CO2+2H2O
C2H4+3O2=2CO2+2H2O
2H2+O2=2H2O
2CO+O2=2CO2
經(jīng)過精脫硫的原料氣含有飽和水汽,此飽和水汽在二氧化碳液化前必須要進行脫濕干燥,滿足液體二氧化碳產(chǎn)品中水分體積分數(shù)≤20×10-6的指標;而且為了節(jié)能、充分利用余冷、延長分子篩的運行周期,脫硫后的氣體進入除濕器,用低溫提純塔放空氣冷卻,分離出二氧化碳氣體中的飽和水,然后進入干燥塔,利用分子篩吸附劑對水的吸附,將氣體中的微量水脫除,確保經(jīng)除濕干燥后的二氧化碳原料氣中水分體積分數(shù)≤20×10-6。
含二氧化碳體積分數(shù)90%以上的變壓吸附解吸氣,經(jīng)過壓縮、脫硫、脫烴、脫濕干燥等凈化工序處理后,進入冷凝器冷凝、液化。用液氨在-25~-30℃下蒸發(fā),間接冷卻壓縮二氧化碳氣體,使二氧化碳氣冷凝、液化成液體二氧化碳。
液化后的液體二氧化碳要進行提純,采用新型復(fù)合提純塔,根據(jù)二氧化碳與雜質(zhì)組分的沸點不同,利用低溫精餾原理,在特定條件下將雜質(zhì)加以分離,可提高二氧化碳純度,得到合格的液體二氧化碳產(chǎn)品[3]。
由于息烽合成氨半水煤氣造氣工段使用的原料煤為本地煤,基本上為高硫煤,變壓吸附脫碳工段解吸放空氣中硫的質(zhì)量濃度平均高達約800 mg/m3(標態(tài)),大大超出裝置設(shè)計指標250 mg/m3(標態(tài))的要求,同時二氧化碳回收系統(tǒng)脫硫采用干法脫硫,雖然干法脫硫既能脫除無機硫,又能脫除有機硫,且脫硫后氣體中硫的質(zhì)量濃度可達1~2 mg/m3,但脫硫劑不能再生或再生非常困難,干法脫硫法只能用在硫含量較低的場所進行周期性操作,而息烽合成氨二氧化碳回收裝置實際所用的原料氣中硫含量是設(shè)計指標的3倍,脫硫劑運行時間短即飽和穿透,出口硫含量超標,嚴重影響了二氧化碳回收裝置的長周期正常運行,同時,脫硫劑的更換又增加了裝置的運行成本,為達到降本增效的目的,必須對二氧化碳回收裝置原料氣脫硫進行改造。改造前二氧化碳回收流程見圖1。
圖1 改造前二氧化碳回收流程
在二氧化碳回收裝置原料氣進壓縮機之前,增設(shè)一套脫硫塔,直徑Φ2 000 mm,高度H為20 000 mm(φ76×76鮑爾環(huán)填料高度為4 m×2,溶液循環(huán)量L為100 m3/h),氣液分離器為DN 1200的濕法脫硫裝置。其所用貧液,從半水煤氣脫硫二級貧液泵出口總管接一直徑Φ15 9×6 mm的支管進脫硫塔,接一Φ273×6 mm富液管采用自流式流入半水煤氣脫硫二級富液槽,將二氧化碳回收原料氣中硫含量降至指標內(nèi),降低二氧化碳回收裝置進口硫含量,減小干法脫硫的負荷,從而延長脫硫劑的運行周期,降低二氧化碳回收裝置的運行成本,達到降本增效的目的。改造后二氧化碳回收流程見圖2。
圖2 改造后二氧化碳回收流程
二氧化碳回收裝置脫硫改造前生產(chǎn)時,液體二氧化碳產(chǎn)量為5 t/h,1 t液體二氧化碳平均需消耗原料氣約1 000 m3,原料氣平均含硫化氫質(zhì)量濃度為800 mg/m3,3個粗脫硫塔脫硫劑為(25+45+45 =120 m3)84 t,脫硫劑穿透硫容按12%計,可吸收硫量10.08 t,按此計算,脫硫劑在未飽和穿透時間內(nèi)可生產(chǎn)液體二氧化碳13 388 t;推算3個粗脫硫塔120 m3脫硫劑可運行時間為2 678 h,即可運行近4個月。
(1)二氧化碳回收裝置脫硫增設(shè)濕法脫硫改造后生產(chǎn)時,進二氧化碳壓縮機進口原料氣平均硫化氫質(zhì)量濃度為150 mg/m3,液體二氧化碳產(chǎn)量仍為5 t/h,1 t液體二氧化碳平均需消耗原料氣約1 000 m3,3個粗脫硫塔脫硫劑為(25+45+45 =120 m3)84 t,脫硫劑穿透硫容按12%計,可吸收硫量10.08 t,按此計算,脫硫劑在未飽和穿透時間內(nèi)可生產(chǎn)液體二氧化碳71 388 t,推算3個粗脫硫塔120 m3脫硫劑可運行時間為14 278 h,即可運行近20個月,較改造前延長16個月。
(2)新增濕法脫硫所用的脫硫液為栲膠脫硫液,主要成分為純堿,液體呈堿性,而二氧化碳原料氣主要成分為二氧化碳,為酸性氣體,在脫除硫化氫的同時,將有原料氣二氧化碳被吸收,造成原料氣二氧化碳濃度降低,通過實際取樣分析,合成氨變壓吸附脫碳裝置解吸氣中的二氧化碳體積分數(shù)為95%~98%,通過濕法脫硫后原料氣中二氧化碳體積分數(shù)為92%~96%,大于設(shè)計指標,可滿足生產(chǎn)需求。
(3)從直接經(jīng)濟來看,改造后較改造前粗脫硫氧化鐵干法脫硫劑的使用延長16個月,可減少粗脫硫氧化鐵干法脫硫劑更換4次,節(jié)省粗脫硫氧化鐵干法脫硫劑共計480 m3,按1 500元/m3計算,直接成本可節(jié)約72萬元,年節(jié)約成本54萬元。