祁宏亮
（安阳九天精细化工有限责任公司，河南 安阳455133）
［摘 要］安阳九天精细化工有限责任公司第二套120 kt/a DMF装置于2007年建成投运，2014年对其CO制气系统之PSA提纯工序进行了扩能改造，并在PSA-Ⅰ段增设1台300 m3的CO2湿式气柜（气柜A）用于收集储存PSA-Ⅰ段抽真空气；2015年气柜A投用后，其运行中存在操作难度大、运行周期短、CO2回收量少等问题。经分析与论证，基于现有工艺、设备条件进行了优化改造——将空分装置闲置的1台CO2气柜（气柜B，各项参数与气柜A相同）移装至气柜A西侧，2台气柜并联运行(亦可互为备用)，并对2台气柜的导轮、导轨进行了改造。2022年4月底全部改造完成，2台CO2气柜同时投运，均运行平稳，CO2回收量增加，消除了影响CO制气系统及上游空分装置与下游DMF合成系统安全稳定运行的隐患，经济效益与环保效益明显。
［关键词］CO制气系统；PSA-CO单元；CO2湿式气柜；运行问题；原因分析；改造方案；改造效果
［中图分类号］TQ053.2 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2024）02-0076-05
0 引 言
安阳九天精细化工有限责任公司（简称安阳九天）共有2套甲胺/DMF（二甲基甲酰胺）装置，其中，第二套DMF装置于2007年建成投运，产能为120 kt/a，主要由空分装置、CO制气系统、DMF合成系统组成，以CO制气系统提供的高纯度CO和甲胺装置提供的二甲胺为原料，在加压及催化剂的作用下采用CO一步法生产DMF。
第二套DMF装置CO制气系统由四川同盛科技有限责任公司（简称四川同盛）设计，采用焦炭+纯氧连续造气（固定床）—PSA-CO生产工艺，主要为后续DMF合成系统提供原料气，设计产品CO气量6 800 m3/h。CO制气系统共有4个工序：① 造气工序，外界来的纯度为95%的CO2与空分装置来的O2按一定比例混合后作为气化剂进入φ2 800 mm造气炉（两开两备）造气（主要气化反应有C+O2====CO2、C+CO2====2CO、2C+O2====2CO），在造气炉上部得到富含CO的粗煤气（造气炉炉顶温度320～450 ℃、出口压力约10 kPa），经旋风除尘器、废热锅炉、洗气塔初步净化及回收热量后收集至原料气气柜；② 煤气净化工序，经充分混合、缓冲后的原料气送入静电除尘器除尘及除焦油，然后经罗茨鼓风机加压、冷却器降温后进入脱硫塔进行粗脱硫；③ 压缩工序，净化（脱硫）后的原料气经原料气压缩机提压至0.65 MPa并降温至40 ℃送往PSA提纯工序；④ PSA提纯工序（主要任务是制取纯度≥97%的CO和纯度＞92%的CO2，原设计CO2未予以回收而是直接放空），PSA-Ⅰ段先通过吸附塔、水环式真空泵等设备将原料气中的强吸附组分硫化物、CO2脱除，再通过PSA-Ⅱ段对较小吸附容量的弱吸附组分O2、N2、CH4、CO中的CO进一步提纯至97%后进入PSA-Ⅲ段进行精脱硫，最后经压缩工序产品CO压缩机提压至2.6 MPa并经精脱碳后送往DMF合成系统。
2014年，为满足后续DMF合成系统及其他用气系统生产需要，由四川同盛对PSA提纯工序进行了扩能改造设计，主要通过对PSA-Ⅰ段吸附塔吸附剂进行更换、PSA-Ⅲ段流程进行改造以达到扩能的目的；同时，在PSA-Ⅰ段增设1台容积为300 m3的CO2湿式气柜及辅助设施，用于收集储存通过水环式真空泵输送来的PSA-Ⅰ段抽真空气（主要组分CO2≥92%、CO＜5%，其余主要为N2），经缓冲后送往CO2缓冲罐；在CO2缓冲罐中，PSA-Ⅰ段抽真空气与界外来的CO2气混合，然后通过CO2鼓风机加压后作为气化剂进入造气炉参与反应，达到降碳减排、减少消耗的目的。但自2015年CO2气柜投用后，运行中存在操作难度大、运行周期短、CO2回收量少等一系列问题，CO2气柜运行状态、运行周期均未达到预期目标，设备非计划检修频次居高不下，不能实现长周期运行，安全风险日益加大；而且，CO2气柜投用后，虽CO2回收利用有所增加，但其回收量不大，仍有部分CO2气放空。为此，通过分析与论证，安阳九天基于现有工艺、设备条件进行一系列的优化改造（设计、施工均由内部单位完成）后，达到了消除系统隐患、提升设备运行周期、增加CO2气回收量、降耗减排的目的，取得了显著的效益。以下对有关情况作一介绍。
1 CO2气柜运行问题
1.1 气柜钟罩升降频次高、速度快、幅度大
CO2气柜投运后，其钟罩升降频次高、速度快、升降幅度大。钟罩上升高度工艺指标为不超过总高度的75%，但实际运行中钟罩上升高度常常达到90%，有时会有“冲顶”。操作人员发现气柜高度过高时，一般采取调节（开大）自动放空阀或手动放空阀开度进行控制，但往往因为钟罩上升速度过快调节正在进行时气柜高度已超标，随后又因气柜高度下降再次对放空阀开度进行调节，操作频繁，操作空间小、难度大。
1.2 部件故障致气柜运行周期短、检修频繁
CO2气柜导轮磨损快、钟罩卡顿、导轮支座焊缝开裂等问题造成设备运行周期短。2015—2020年CO2气柜共进行了10次检修，其中大修3次，平均运行6个月就会出现导轮磨损、钟罩变形的情况，需要经常性停运进行检修；随着CO2气柜服役时间的延长，2020年以来开始出现导轨变形、导轮支座焊缝开裂、钟罩泄漏的情况，平均运行3～4个月就需停运进行检修，且基本上每年都需要大修1次，严重时1 a内曾出现过2次钟罩倾斜事故，安全风险高。
1.3 频繁检修造成系统消耗高、运行风险大
CO2气柜频繁检修，首先是导致PSA-Ⅰ段抽真空CO2气无法回收，造成系统消耗大幅上升。造气炉所需CO2原设计由安阳化学工业集团有限责任公司（简称安化公司）合成氨装置放空气经安阳九天CO2提纯装置提纯后提供，但2020年因环保及淘汰落后产能等方面的原因，安化公司合成氨装置及安阳九天CO2提纯装置停运，造气炉所需CO2全部变为外部采购液体CO2经汽化器汽化后送CO制气系统。以CO制气系统外送CO负荷4 000 m3/h计，CO2气柜正常运行时回收CO2约1 200 m3/h，系统生产1 000 m3 CO需消耗外购CO2 440 m3，每天需外购CO2 42 240 m3（约合液体CO2 84.5 t）；CO2气柜停运检修后，PSA-Ⅰ段抽真空气全部放空，生产1 000 m3 CO需消耗外购CO2 740 m3，每天需外购CO2 71 040 m3（约合液体CO2 142 t），每天需多采购液体CO2 57.5 t，合每天增加生产成本约3.5万元，CO2气柜每次检修平均耗时以5 d计，则每次检修增加生产成本约17.5万元。
其次，CO2气柜频繁检修导致系统运行风险增大。由于系统所需高纯度CO2除CO2气柜正常运行时回收PSA-Ⅰ段抽真空CO2气外，其余均需外购液体CO2通过汽化器汽化后送往CO2缓冲罐，现场液体CO2储罐容量为150 t，正常生产时每日只需到运液体CO2罐车3～4辆（每辆罐车液体CO2装载量约23 t），CO2气柜检修时每日则需要到运液体CO2罐车至少7辆，由于现场库容受限，液体CO2基本上处于边卸车边使用的状态，供应压力和现场卸车压力非常大，一旦供应不及时或者现场卸车出现异常，系统随时有减负荷乃至停车的风险，进而造成上游空分装置、下游DMF合成系统减负荷或停车，严重影响整套DMF装置的安全、稳定运行。
1.4 气柜不能完全回收PSA-Ⅰ段抽真空气
PSA-Ⅰ段抽真空气仍有部分放空，存在减排降耗的空间。据系统年度生产负荷进行核算，CO制气量4 000 m3/h时，PSA-Ⅰ段抽真空CO2气约有1 800 m3/h，CO2气柜只能回收CO2约1 200 m3/h，其余约600 m3/h的CO2气需放空处理，造成环境污染、资源浪费、系统消耗高。
2 原因分析
更多内容详见《中氮肥》2024年第2期