浅析分子筛纯化系统再生氮气的回收利用

(河南省煤气(集团)有限责任公司义马气化厂，河南义马 472300)

1 项目实施背景概述

天然气西气东输二线工程即将完工，河南省煤气(集团)有限责任公司义马气化厂(简称气化厂)，在面对城市煤气产品将退出燃气市场的形势，为使企业效益增加新的增长点，进行了产业结构调整改造项目，即该项目中的甲烷分离子项:利用法液空深冷分离装置，将原城市煤气中的CH4分离出来，通过压缩机增压，作为煤制天然气送到天然气管网。气化厂原有空分装置三套、产氮气能力分别为11 000 Nm3/h一套，12 000 Nm3/h两套，现有工况条件下，开两套空分装置就能满足全厂氧气、氮气负荷;新产品结构调整改造项目完成后气化厂氮气最大用量为42000 Nm3/h，其中低压氮气用量为32 000 Nm3/h，现有空分装置无法满足全厂氮气用量。

因此在义马气化厂内现有装置或在建装置上进行技术改造，对氮气进行回收以满足全厂氮气需求势在必行。

2 分子筛净化单元概述

目前国外的大型空分设备对原料空气的净化均采用分子筛再生系统［1］，新产品结构调整项目的分子筛是为甲烷分离项目设定的，分子筛具有低温高压吸附，高温低压脱附的特点，设备操作简单方便［2］，位于鲁奇炉煤气化装置［3］下游，为甲烷分离装置净化原料煤气中含有的H2O、CO2、CH3OH等微量杂质。由于这些杂质在低温状况下有容易结冰的特性［4］，同时，这些杂质在原料煤气中占有一定的组分，因此必须用分子筛床层将这些杂质吸附掉。分子筛系统包含两个吸附罐，并由一套由程序控制的阀门系统实现操作，两个填有相同数量吸附剂的吸附器并行交替工作;当A分子筛吸附器工作的时候，B分子筛吸附器就进行再生。再生过程发生在分子筛的吸附量达到最大吸附能力时，即吸附结束时进行。吸附剂再生的介质为空分装置生产并输送到界区的15 000 Nm3/h的低压氮气。氮气在对分子筛吸附剂进行再生后，再生后的氮气被排放到大气中。

甲烷分离装置分子筛再生氮气:压力规格，0.6 MPa;用量，15000 nm3/h;纯度，99.9%;露点温度，－40℃。

分子筛纯化系统示意图见图1。

3 改造的方案及比较

方案一:回收原有厂区空分车间水冷塔氮气，将工艺冷却氮气压缩后通过变压吸附将纯度由95%提高至100%，再增压送至净化车间用于汽提工艺。

方案二:将原有水冷塔进行改造，将氮气制冷改为氨冷，改造后的氮气压缩后送至净化车间用于汽提工艺。

方案三:将新增甲烷分离前段净化单元分子筛进行改造。

图1 分子筛纯化系统

改造后的分子筛纯化系统示意图见图2。

①在为分子筛再生系统添加旁路，并把旁路阀开关程序做到分子筛阀门控制系统中，满足再生氮气为后续系统的稳定供应。②在分子筛再生氮气出口，添加冷却装置，降温后送到后续净化系统。

下面对改造方案进行比较见表1。

表1 改造方案比较

方案一产气量较多，但投资较大，占地面积大、能耗高，检修周期较短，而且由于氮气中压力较低，含水量较大，进行氮气回收的可实施性不强。方案二产气量较多，一次性投资较少，占地面积较大，空分车间场地条件制约，无法实施。方案三投资最少、能耗最少、场地适宜，作为推荐方案。

4 再生氮气进行回收的风险性问题分析

如果进行改造主要存在下列问题:

①再生后的氮气，加热时温度过高，回收后送往低温甲醇洗工段无法满足低温甲醇洗工段温度要求。②再生后的氮气，压力不稳定，在分子筛泄压、均压阶段会中断。③改造后回收初期的氮气可能含有杂质，会对低温甲醇洗工艺工况造成影响。④回收的低压氮气，通过分子筛装置后有一定的压力降，对低温甲醇洗工艺有一定影响。

风险性问题的解决方案:

①设置再生氮气加热/冷却器对回收的氮气进行温度控制。②在再生氮气加热器前，设置分子筛氮气旁通阀，通过逻辑程序控制保证氮气连续供应。③通过计算不影响低温甲醇洗工艺。④经过同液体空气工程公司专家讨论及论证，分子筛的压力降很小，完全可以满足后续工况需要。

5 结论

本文通过氮气回收方案的讨论和比较，确定回收分子筛纯化系统再生用氮气的方案占地少、能耗小、气源稳定，具有很大的可操作性，方案实施以后，能够为企业回收15 000 Nm3/h的氮气，为企业创造巨大经济效益，同时达到了节能减排的效果。

图2 改造后的分子筛纯化系统

［1］CASTLE W F.Air separation and liquefaction:recent developments and propescts for the beginning of the new millennium ［J］.International Journal of Refrigeration 2002.25:158－172

［2］徐如人，庞文琴.分子筛与多孔化学［M］.北京:科学出版社，2004.

［3］易希朗.天然气深冷分离装置中CO2的冻结计算［J］.天然气工业，1988，9:84－87.