宋保國

（中國石油大慶石化公司煉油廠，黑龍江大慶163711）

氮氣是無色、無味的惰性氣體，在石化生產(chǎn)中主要用于隔離保護、容器置換、管道吹掃等。工業(yè)生產(chǎn)高純氮主要采用深冷制取方法，隨著變壓吸附（PSA）制氮技術(shù)提升而被廣泛使用。變壓吸附（PSA）制氮技術(shù)以空氣為原料，以碳分子篩作吸附劑，運用變壓吸附原理，利用碳分子篩對氧和氮的選擇性吸附而使氮和氧分離，通稱PSA制氮［1～3］。

某公司煉油廠加工能力為1 000×104t/a，生產(chǎn)過程中所使用的氮氣全部由15 km外的水汽廠提供，由2條管線DN150和DN100輸送，水汽廠采用深冷裝置制取氮氣，氮氣出界區(qū)壓力為0.8 MPa，正常生產(chǎn)時輸送量為1 900～2 400 Nm3/h。由于輸送距離遠(yuǎn)，管道阻力降大，到煉油廠界區(qū)壓力僅為0.65 MPa，剛好滿足煉油廠生產(chǎn)需要。但是當(dāng)煉油廠裝置容器置換、管道吹掃、催化劑再生或裝置生產(chǎn)發(fā)生異常時，氮氣用量就會增加。當(dāng)消耗總量達(dá)到3 000 Nm3/h以上時，氮氣壓力將降至0.5 MPa以下，該壓力狀態(tài)下穩(wěn)壓氮氣管網(wǎng)（高危泵等設(shè)備保護氮氣）壓力將不能滿足安全運行需要。煉油廠停工檢修期間及檢修后開工階段最大氮氣需求量7 000 Nm3/h，而水汽廠受化工區(qū)制約最大輸送氮氣量4 000 Nm3/h，用氮高峰期缺口3 000 Nm3/h。

1 變壓吸附制氮設(shè)備簡介

1.1 變壓吸附制氮工藝流程

空氣經(jīng)離心壓縮機增壓至0.7～0.8 MPa，冷卻降溫，進入活性氧化鋁干燥系統(tǒng)除去大部分水分，作為變壓吸附制氮的原料氣?？諝饨?jīng)過預(yù)處理后進入裝有碳分子篩的吸附筒，空氣在碳分子篩床內(nèi)依次完成吸附制氣、放氣、沖洗、均壓、2次均壓、充氣過程，從而連續(xù)生產(chǎn)制得氮氣。吸附筒共8個，每2個吸附筒與10個快速氣動切斷閥單獨組成1套制氮系統(tǒng)，氣動閥的啟閉由DCS設(shè)定時間程序控制，4組變壓吸附系統(tǒng)同時運行時，其切換程序相互錯開，使總管的氮氣壓力、流量更為穩(wěn)定。利用出口調(diào)節(jié)閥控制氮氣流量，可以得到不同純度的氮氣［4］。變壓吸附制氮工藝流程見圖1。

圖1 變壓吸附制氮工藝流程

1.2 變壓吸附制氮設(shè)備特點

1.2.1 生產(chǎn)氮氣方便快捷與傳統(tǒng)制氮法相比，它具有工藝流程簡單、自動化程度高、產(chǎn)氣快、操作維護方便、運行成本較低、裝置適應(yīng)性較強等特點。先進的技術(shù)，獨特的氣流分布器，使氣流分布更均勻，高效地利用碳分子篩，20 min左右即可提供合格的氮氣。當(dāng)生產(chǎn)裝置突發(fā)狀態(tài)需要大量氮氣進行保護時，變壓吸附制氮設(shè)備只要有充足的氣源便可隨時開啟生產(chǎn)氮氣；而深冷制氮從開工到生產(chǎn)出合格氮氣需要20 h以上［5］。

1.2.2 投資少見效快設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、整體撬裝，占地小，無需基建投資，投資少，見效快，現(xiàn)場只需連接電源即可制取氮氣。深冷制氮設(shè)備附屬設(shè)備多，占地面積大，投資高，見效慢。

1.2.3 供氮方式更經(jīng)濟簡便PSA制氮工藝是1種簡便的制氮方法，以空氣為原料，能耗僅為空壓機所消耗的電能，具有運行成本低、能耗低、效率高等優(yōu)點；變壓吸附制氮技術(shù)氮氣壓力穩(wěn)定，啟動快，適合頻繁啟動；氮氣出口壓力能夠達(dá)到0.5 MPa以上，可以直接進入供氮管網(wǎng)輸送到各用氮裝置。深冷制氮設(shè)備啟動慢，不適合頻繁啟動，氮氣出口壓力低，需要壓縮機增壓后才能外送用戶。

1.2.4 實現(xiàn)流量、純度自動化運行采用DCS控制全自動運行，氮氣流量、壓力、純度可調(diào)并連續(xù)顯示，可實現(xiàn)無人值守，見圖2。氮氣純度、回收率與切換時間的關(guān)系見圖3。變壓吸附制取的氮氣純度在95.0%～99.9%范圍內(nèi)可任意調(diào)節(jié)，在其他條件不變情況下，氮氣排出量越大，氮氣的純度就越低，反之則越高。對于變壓吸附制氮設(shè)備，只要負(fù)荷允許，根據(jù)不同裝置對氮氣純度的需求進行調(diào)節(jié)，當(dāng)?shù)獨饧兌冉档蜁r，氮氣產(chǎn)量將大幅提高。

圖2 氮氣壓力、流量與純度之間的關(guān)系

圖3 氮氣純度、回收率與切換時間的關(guān)系

水汽廠輸送的氮氣純度為99.999 %的高純氮，煉油廠內(nèi)只有少部分裝置（加氫、重整、硫磺等）需要高純氮，大部分裝置主要用于容器置換、管道吹掃、隔離保護等，對氮氣純度要求不需要太高。煉油廠可根據(jù)裝置生產(chǎn)及設(shè)備檢修的需要，利用變壓吸附制氮設(shè)備隨時生產(chǎn)不同純度的氮氣，輸送到不同用戶管網(wǎng)，滿足生產(chǎn)裝置的需求。

2 供風(fēng)系統(tǒng)及風(fēng)質(zhì)和設(shè)備要求

2.1 供風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀

該煉油廠原來由4個空壓站負(fù)責(zé)供風(fēng)，其中1、2、3空壓站于建廠初期建成，由于設(shè)備老化，故障率高，已不能保證儀表風(fēng)、工業(yè)風(fēng)管網(wǎng)安全運行。1999～2006年逐步淘汰了1、2、3空壓站，集中對4空壓站設(shè)備全部更新，并完成擴能改造。實現(xiàn)了“2路供水、2路供電、機組2開1備1修”的供風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化配置，最大供風(fēng)能力達(dá)39 000 Nm3/h，保障了全廠供風(fēng)系統(tǒng)安全平穩(wěn)運行。

煉油廠現(xiàn)有生產(chǎn)裝置29套，輔助裝置33套，隨著自動化控制水平的不斷提高以及對安全生產(chǎn)的更高要求，風(fēng)、氮消耗不斷增加。

空壓站4臺離心壓縮機，如果開啟3臺，最大供風(fēng)量可達(dá)57 000 Nm3/h，按“2開1備1修”方案運行，最大供風(fēng)量為39 000 Nm3/h；全廠生產(chǎn)耗風(fēng)量30 100 Nm3/h，4空壓站日常運行1#、4#機，受壓縮機喘振曲線限制，最低供風(fēng)量35 000 Nm3/h，多余風(fēng)量4 900 Nm3/h。全廠用風(fēng)量波動幅度大，日常供風(fēng)須有多余的壓縮風(fēng)用于管網(wǎng)壓力調(diào)節(jié)。4空壓站設(shè)備運行狀態(tài)見表1，煉油廠供風(fēng)狀態(tài)見表2。

表1 4空壓站設(shè)備運行狀態(tài)

表2 煉油廠供風(fēng)狀態(tài)

2.2 風(fēng)質(zhì)狀態(tài)與制氮設(shè)備原料要求對比

供風(fēng)管網(wǎng)每天大部分時間壓力、流量處于穩(wěn)定狀態(tài)，調(diào)峰備用風(fēng)量只能放空，產(chǎn)生浪費。利用DCS控制系統(tǒng)可隨時監(jiān)控供風(fēng)系統(tǒng)流量與壓力［6］。

4空壓站現(xiàn)有3套21 000 Nm3/h壓縮熱式儀表風(fēng)凈化設(shè)備，采用活性氧化鋁干燥劑做吸附劑，主要吸附壓縮空氣中的水及油類物質(zhì)，凈化設(shè)備出口采用高效除塵過濾裝置，凈化后的壓縮風(fēng)指標(biāo)符合變壓吸附制氮設(shè)備要求。壓縮熱干燥設(shè)備出口含塵直徑過大，但制氮設(shè)備入口自帶過濾設(shè)備，2次過濾后能夠滿足制氮需求，原料空氣與凈化風(fēng)指標(biāo)對比見表3。

表3 原料空氣與凈化風(fēng)指標(biāo)對比

3 氮氣生產(chǎn)及需注意事項

3.1 利用變壓吸附制氮設(shè)備生產(chǎn)氮氣

利用變壓吸附制氮設(shè)備將供風(fēng)系統(tǒng)管網(wǎng)用于調(diào)峰的風(fēng)量來生產(chǎn)氮氣，既可以緩解煉油廠氮氣不足的問題，同時可減少多余風(fēng)量放空產(chǎn)生的浪費，不同供風(fēng)狀態(tài)下2種純度的氮氣產(chǎn)量見表4。

從表4可以看出，1#、4#機滿負(fù)荷運行產(chǎn)風(fēng)量39 000 Nm3/h，最大可調(diào)余風(fēng)量13 200 Nm3/h。按日常耗風(fēng)量計算，可調(diào)配風(fēng)量8900 Nm3/h。應(yīng)用變壓吸附制氮設(shè)備，利用多余的壓縮風(fēng)生產(chǎn)氮氣。利用變壓吸附制氮設(shè)備可生產(chǎn)99%純度的氮氣，最低產(chǎn)量為1 176 Nm3/h，最大產(chǎn)量可達(dá)3 168 Nm3/h；生產(chǎn)98%純度的氮氣最低產(chǎn)量為1 960 Nm3/h，最大產(chǎn)量5 280 Nm3/h。

表4 不同供風(fēng)狀態(tài)下2種純度的氮氣產(chǎn)量/Nm3·h-1

氮氣純度和氮氣回收率隨產(chǎn)品流量的變化曲線見圖4。

圖4 氮氣純度和氮氣回收率隨產(chǎn)品流量的變化曲線

由圖4可以看出，氮氣純度越高，產(chǎn)氮率越低，反之，氮氣純度越低，產(chǎn)氮率越高。當(dāng)生產(chǎn)98%純度的氮氣時，氮氣回收率40%；當(dāng)生產(chǎn)99%純度的氮氣時，氮氣回收率24%。

煉油廠日常生產(chǎn)中，99%純度的氮氣可以滿足大部分裝置使用，當(dāng)裝置開停工期間使用氮氣吹掃管線或容器置換時，使用98%純度的氮氣就可以滿足需要。

3.2 需注意的問題

（1）變壓吸附制氮設(shè)備運行中氮氣的純度與工作壓力、吸附時間（切換頻率）、氮氣產(chǎn)量（回收率）、吸附溫度及原料氣體的露點、含塵直徑有直接關(guān)系，在運行中還要進一步總結(jié)經(jīng)驗，選擇最佳運行參數(shù)。

（2）需要相關(guān)技術(shù)部門進一步確認(rèn)各生產(chǎn)裝置對氮氣純度指標(biāo)的要求，針對各裝置的需要將PSA生產(chǎn)的氮氣分配到不同的氮氣管網(wǎng)中。

4 結(jié)束語

（1）有效利用供風(fēng)管網(wǎng)調(diào)峰用的凈化風(fēng)生產(chǎn)氮氣，減少非用風(fēng)高峰時間多余風(fēng)量放空而產(chǎn)生的浪費。

（2）因水汽廠空分檢修減少氮氣產(chǎn)量時，加大變壓吸附制氮產(chǎn)氣量，可以避免以往因氮氣量不足而對煉油廠正常生產(chǎn)造成的影響。

（3）當(dāng)生產(chǎn)裝置發(fā)生異常急需大量氮氣保護，且管網(wǎng)來氮量不能滿足需求時，需要開啟空壓站備用壓縮機，利用PSA增加氮氣產(chǎn)量，可以在短時間內(nèi)有效緩解煉油廠生產(chǎn)發(fā)生異常時氮氣供應(yīng)不足的矛盾。

（4）經(jīng)濟效益：4空壓站日常生產(chǎn)中運行1#、4#機，控制產(chǎn)風(fēng)量35 000 Nm3/h，全廠平均耗風(fēng)量為30 100 Nm3/h，平均剩余風(fēng)量（用于管網(wǎng)調(diào)峰備用）4 900 Nm3/h，可生產(chǎn)純度99%的氮氣1 176 Nm3/h，全年可生產(chǎn)氮氣1 030×104Nm3。煉油廠同水汽廠氮氣結(jié)算價格為0.86元/m3，全年可為煉油廠節(jié)約生產(chǎn)成本885.8×104元。

通過以上論證，煉油廠在空壓站供風(fēng)系統(tǒng)安裝變壓吸附制氮設(shè)備是可行的。