楊明亮，李京嶸,2*

(1.大連石油化工工程公司，遼寧 大連 116031； 2.大連交通大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

1 二氧化碳回收裝置簡介

1.1 裝置概況

本公司二氧化碳回收裝置采用中壓吸附精餾這一物理降溫的方法對二氧化碳進行液化回收。二氧化碳原料氣由上游大連石化公司制氫裝置PSA(變壓吸附)單元副產(chǎn)提供，制氫裝置主要產(chǎn)品為氫氣、副產(chǎn)品為解吸氣(組分包括二氧化碳、水、氫氣、甲烷、一氧化碳等)，解吸氣的組成會隨原料氣和產(chǎn)品氣的不同而不同。大連石油化工工程公司白土加工廠二氧化碳回收裝置于2013年建成投產(chǎn)，裝置設(shè)計規(guī)模為50 000 t/a的二氧化碳回收量，每年開車時間為7200 h左右，投產(chǎn)以來產(chǎn)品質(zhì)量均能滿足工業(yè)液體二氧化碳的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 6052—93)優(yōu)級品的指標(biāo)要求，平均回收率達到80%。

1.2 工藝流程簡述

含量為95%的粗二氧化碳?xì)怏w首先進入緩沖罐經(jīng)過緩沖分水后送入干燥器中干燥，干燥后的原料氣經(jīng)二氧化碳冷卻器冷卻、預(yù)冷器預(yù)冷、液化器液化后進入精餾塔精餾提純，最后在塔底得到純度為99.5%以上的工業(yè)級液體二氧化碳產(chǎn)品。

在這一過程中，原料氣中的水分經(jīng)緩沖罐冷凝分離和分子篩深度吸附脫除，油分經(jīng)干燥器內(nèi)的吸附劑吸附，含量較高的輕組分經(jīng)精餾塔精餾后由塔頂排出。

整套裝置主要分為三個系統(tǒng)，分別是干燥吸附系統(tǒng)、冷凍液化系統(tǒng)、精餾儲存系統(tǒng)。干燥吸附系統(tǒng)主要是除去CO2原料氣中的水分，輕組分氣體雜質(zhì)；冷凍液化系統(tǒng)是利用氨制冷系統(tǒng)提供冷量對干燥除雜后的氣體CO2進行冷凍液化，氨制冷系統(tǒng)同時還為精餾塔提純提供冷源，為精餾塔塔底再沸器提供熱源；精餾儲存系統(tǒng)是將液化后的液體二氧化碳中的雜質(zhì)進一步凈化，經(jīng)精餾分離出液體二氧化碳中絕大部分輕組分雜質(zhì)，精餾合格產(chǎn)品經(jīng)精餾塔塔底進入成品儲罐。

2 運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

由于二氧化碳回收裝置的總體回收率受到原料氣狀態(tài)、環(huán)境溫度、設(shè)備狀況及人員操作等多方面因素影響，綜合分析這些因素對回收率的影響屬于多變量分析，因此采用多組數(shù)據(jù)單變量分析法，即在其他變量相同或相近的條件下改變其中一項變量，最終分析出改變量對統(tǒng)計結(jié)果的影響。

各組數(shù)據(jù)選取裝置相對穩(wěn)定狀態(tài)下的運行數(shù)據(jù)，原料氣氣量應(yīng)保持充足且選取的24 h范圍內(nèi)波動較小，由于氣源受上游大連石化公司制氫裝置生產(chǎn)影響，在生產(chǎn)過程中偶爾會出現(xiàn)原料氣量不足的情況，對生產(chǎn)造成一定的影響，因此應(yīng)最大限度避免裝置波動對統(tǒng)計結(jié)果產(chǎn)生影響；每一組組內(nèi)進行對比的數(shù)據(jù)，其選取日期要臨近，以避免環(huán)境溫度差異較大對分析結(jié)果產(chǎn)生影響。A組數(shù)據(jù)與B組數(shù)據(jù)之間不做比較。

數(shù)據(jù)以早上8：00至次日早上8：00為一個分析時段，記錄數(shù)據(jù)為每間隔2 h的實際記錄(氨壓機吸氣壓力為每間隔1 h的實際記錄)，取平均值作為分析對象。

2.1 原料氣流量對回收率的影響分析

分析原料氣流量因素時選取數(shù)據(jù)需滿足以下要求：原料氣氣量應(yīng)保持充足且選取的24 h范圍內(nèi)波動較小，同組內(nèi)兩日原料氣流量平均值具有明顯差異；應(yīng)保持環(huán)境溫度相似、原料氣溫度相近；原料氣純度在正常指標(biāo)(93.6%)以上并且相同，避免純度差異以及較低純度對裝置穩(wěn)定性產(chǎn)生影響；氨制冷壓縮機吸氣壓力相近，避免制冷系統(tǒng)調(diào)節(jié)不同的影響。

表1中原料氣及環(huán)境溫度非常接近、化驗純度相同、氨壓縮機操作調(diào)節(jié)壓力也近乎相同，其影響可以忽略。A組數(shù)據(jù)中2019年10月5日流量明顯低于23日，B組數(shù)據(jù)中2020年9月7日流量明顯低于23日，因此在純度達標(biāo)的情況下回收率存在明顯差距，分析結(jié)果說明較高數(shù)值的原料氣流量對提高回收率至關(guān)重要。

表1 原料氣流量對回收率的影響

2.2 原料氣純度對回收率的影響分析

分析原料氣純度因素時選取數(shù)據(jù)需滿足以下要求：環(huán)境溫度相似、原料氣溫度相近；原料氣流量處于正常水平并且同組內(nèi)兩日數(shù)據(jù)相近、純度在正常工藝指標(biāo)范圍內(nèi)，且同組內(nèi)兩日化驗純度要有一定差異，避免流量大幅波動以及較低純度對裝置穩(wěn)定性產(chǎn)生影響；壓縮機吸氣壓力相近，避免制冷系統(tǒng)調(diào)節(jié)不同的影響。

表2中原料氣流量穩(wěn)定而且數(shù)值接近、環(huán)境及原料氣溫度非常接近、氨壓縮機操作調(diào)節(jié)壓力近乎相同，其影響可以忽略；A組數(shù)據(jù)中2019年10月8日原料氣化驗純度低于10月16日，B組數(shù)據(jù)中2020年4月3日化驗純度低于4月13日，最終造成回收率的差異。分析結(jié)果說明較高的原料氣純度對提高回收率至關(guān)重要。綜合實際情況來看原料氣純度低于90%后生產(chǎn)成本上升明顯，除非特殊情況，一般應(yīng)做停機處理，不應(yīng)低負(fù)荷生產(chǎn)[1]。

表2 原料氣純度對回收率的影響

2.3 原料氣溫度對回收率的影響分析

分析原料氣溫度因素時選取數(shù)據(jù)需滿足以下要求：環(huán)境溫度相近，同組內(nèi)兩日的原料氣溫度差異較大；原料氣流量處于正常水平且波動較小，并且同組內(nèi)兩日的數(shù)據(jù)相近；純度在正常指標(biāo)以上并且相同，避免流量大幅波動或者純度差異以及較低純度對裝置穩(wěn)定性產(chǎn)生影響；壓縮機吸氣壓力相近，避免操作員對壓縮機載位調(diào)節(jié)不同的影響。

表3中原料氣流量穩(wěn)定而且數(shù)值接近、氨壓縮機操作調(diào)節(jié)壓力近乎相同、純度完全相同，其影響可以忽略；A組數(shù)據(jù)中2019年10月2日原料氣溫度明顯高于10月8日，B組數(shù)據(jù)中2020年4月1日原料氣溫度明顯高于4月13日，最終造成后者回收率明顯高于前者，說明原料氣溫度越低越有利于回收率的提高。

表3 原料氣溫度對回收率的影響

2.4 氨壓機吸氣壓力對回收率的影響分析

使二氧化碳降溫液化的液氨是由制冷系統(tǒng)提供的。制冷系統(tǒng)設(shè)計為兩臺螺桿式氨壓縮機，一用一備[2]。氨制冷壓縮機是裝置運行所需冷量的直接提供者。分析氨壓機吸氣壓力因素時選取數(shù)據(jù)具備以下要求：環(huán)境溫度相似、原料氣溫度相近；流量處于正常水平、波動較小并且相近；純度在正常指標(biāo)以上并且相同；氨壓機吸氣壓力在正常操作指標(biāo)范圍內(nèi)且差異較大。

表4中環(huán)境溫度、原料氣溫度、流量都非常接近，化驗純度相同，其影響可以忽略；氨壓縮機操作調(diào)節(jié)壓力的平均值明顯存在差異，甚至個別時段差異明顯，A組數(shù)據(jù)中2019年4月5日吸氣壓力低于4月8日，B組數(shù)據(jù)中2020年4月8日吸氣壓力低于4月3日，分析可以看出在壓縮機正常工況范圍內(nèi)，控制吸氣壓力較低，可以有效提高回收率。

表4 氨制冷壓縮機吸氣壓力對回收率的影響

3 結(jié) 論

通過對以上多變量數(shù)組定量分析，我們可以在二氧化碳回收裝置的日常生產(chǎn)運行中采取以下有針對性的措施，有效提高產(chǎn)品回收率及產(chǎn)量。

1.保持與上游原料氣供給單位的溝通，確保原料氣流量穩(wěn)定且盡可能保持較高數(shù)值，最好不要低于1300 Nm3/h，流量數(shù)值波動較大時要及時將裝置的殘氣自動控制改為手動控制，保持流量穩(wěn)定。

2.要求上游裝置保證原料氣純度，盡可能保持在94%以上。

3.根據(jù)季節(jié)不同及環(huán)境溫度的變化及時采取應(yīng)對措施，保證原料氣溫度處于較低數(shù)值。夏季及時投用冷卻器并保證水冷系統(tǒng)運行良好，冬季開啟伴熱后應(yīng)在保證防凍凝的基礎(chǔ)上盡量調(diào)低伴熱溫度，避免溫度過高造成回收率降低。

4.由于本廠氨壓縮機是手動控制，所以應(yīng)該加強操作人員培訓(xùn)和巡檢監(jiān)督，保證壓縮機載位處于合適位置，使吸氣壓力盡可能接近正常范圍內(nèi)的較低值。未來如果進行設(shè)備改造升級，可以考慮將氨壓機改為自動控制，這樣可以更好地提高二氧化碳回收率及產(chǎn)量。

提高二氧化碳回收裝置的回收率，既能使原料氣更大程度地轉(zhuǎn)化成液態(tài)二氧化碳產(chǎn)品，還能有效減少殘氣的排放，即減少溫室氣體排放。此外對于緩解本區(qū)域內(nèi)二氧化碳產(chǎn)品供求緊張狀況，為企業(yè)增加經(jīng)濟效益，都有著重要的實際意義[3]。