打开文本图片集

摘要：阐述了PSA解吸气和液氮洗尾气作为天然气替代品的使用情况。通过对位于南京的中国石化集团化学工业有限公司的30万t/a合成氨装置和9万t/a制氢装置的燃料气系统及设备进行改造，成功实现了尾气的利用，用于气化炉的烘炉作业以及作为火炬的常规燃料气。通过使用PSA解吸气和液氮洗尾气替代天然气，有效降低了天然气的消耗量，从而节约了生产成本。

关键词：PSA解吸气；液氮洗尾气；天然气；燃料气

中图分类号：TQ517.5        文献标志码：A      文章编号：2095-9834（2024）02-0000-00

引文格式：徐斌.PSA解吸气及液氮洗尾气替代天然气使用探索[J].能源化工，2023，45（2）：00-00.

南京化学工业有限公司隶属于中国石化集团，其煤化工部门现运营着一套30万吨/年的合成氨设备和一套9万吨/年的制氢设备。这两套设备均采用了GE水煤浆加压气化技术，气化炉的正常运行周期为90天。一旦完成维修，设备需保持热备用状态，以便能够迅速应对生产中的紧急情况并进行切换。根据2018年的生产数据，全年天然气消耗总量达到441.7万Nm3，平均消耗量约为每小时500Nm3。合成氨气化炉的运行周期为60天，每年需倒炉6次，而制氢设备的双炉运行周期为90天，每年倒炉次数为8次。烘炉周期为20天，每小时消耗约350Nm3。总计消耗量约为235万Nm3。在30万吨/年合成氨的设计状态下，液氮洗尾气量约为每小时3500Nm3，送往火炬直接燃烧，其中可燃气体成分大约占60%。2018年对PSA进行了技术改造，将真空流程更改为冲洗流程，并新增了3#PSA设备，回收解吸气后产生的废气量约为每小时1600Nm3，这些废气直接排放至火炬。

1  装置放空可燃性尾气现状及存在的问题

1.1  可燃性尾气的基本情况

南化公司煤化工部30万t/a合成氨液氮洗单元的尾气和和9万t/a制氢装置PSA单元的解吸气均含有大量可燃组分，具有较高的回收利用价值[1]。两股气体的工艺参数见表1。

由表1可见：仅从热值方面考虑，天然气的热值按32.49 MJ/m3计算，以液氮洗尾气和取代天然气，则液氮洗尾气可达980.7万m3/a，PSA解吸气可达1 060.4万m3/a，两者合计约2 000万m3/a，若对其进行回收利用，效益较为可观。

当前，液氮洗涤尾气主要通过排放至合成氨装置的火炬总管进行处理，随后通过燃烧过程排放。在特定情况下，该尾气亦可作为备用气化炉的加热源。然而，从实际应用角度分析，其燃烧过程表现出显著的不稳定性，且难以实现稳定燃烧。对于PSA（压力摆动吸附）解吸气，在未启动解吸气压缩机的情况下，该气体通常被输送至尿素造粒塔顶部并直接排放至大气。一旦启动解吸气压缩机，解吸气则可被输送至液氮洗涤尾气管网或排放至合成氨火炬总管。然而，根据现有情况，解吸气压缩机长期处于停运状态，导致解吸气不得不持续从造粒塔顶部直接排放。

1.2  现有燃料气用户的基本情况

目前煤化工部使用燃料气的设备主要有煤气化炉升温烧嘴、CO变换装置开工加热炉的燃烧器、氨合成单元开工加热炉的燃烧器、火炬系统的长明灯及助燃气等。各设备的具体情况如下：

1） 本研究中所涉及的5台气化炉的升温烧嘴，其设计主要基于天然气作为燃烧介质。尽管在设计过程中考虑了液氮洗尾气作为潜在燃料的可能性，但并未将PSA解吸气作为燃料或两种尾气混合使用的情况纳入考量范围；

2） 在CO变换装置和氨合成系统的开工加热炉设计中，均以天然气作为燃烧介质进行规划，未将液氮洗尾气和PSA尾气作为燃料的可能性纳入设计参数；

3） 火炬系统的设计主要以天然气作为主要燃烧介质，并且在设计时考虑了液氮洗尾气作为长明灯燃料的工况，然而，对于PSA尾气作为燃料的使用情况并未进行相应的设计考量。

根据气化炉升温烧嘴的设计数据，5台气化炉的升温烧嘴单台热负荷均为1.88×106～1.88×107 kJ/h，设计天然气耗量为54～540 m3/h，液氮洗尾气耗量为150～1 500 m3/h。合成氨和制氢装置的备用气化炉按全年一半时间处于备用状态计算，如按实际情况一直使用天然气升温，2套煤气化装置的天然气耗量为23.652～236.52万m3/a。

根据火炬系统的设计数据，合成氨装置火炬、制氢主火炬以及氨酸火炬的设计参数，火炬系统设计使用的燃料气量见表2。

由表2可见：火炬系统正常运行时所需的设计天然气气量约150 m3/h，因精确调节较困难，实际的天然气使用量比该数据大很多。

1.3  现有管网及燃料气使用情况

目前2套煤化工装置除有天然气管网外，还建立了一个液氮洗尾气管网，PSA解吸气回收装置建成后，PSA解吸气也与液氮洗尾气管网实现连通，可以通过液氮洗尾气管网送至各燃料气用户。

1.4  存在的问题

鉴于液氮洗涤单元尾气成分与设计值存在显著偏差，特别是氮气含量的增加远超预期，导致气化炉的烘炉过程难以达到理想状态。因此，在两套煤气化装置的备用气化炉升温过程中，大部分时间不得不依赖于天然气作为主要热源。由于设计阶段的考虑不周全，火炬系统的主要燃料气点氨酸火炬同样长期依赖于天然气，而非液氮洗涤尾气。这一做法不仅导致了天然气的大量消耗，进而增加了装置的运行成本；同时，也未能有效利用液氮洗涤尾气，且在PSA解吸气回收装置建成后，由于解吸气组成存在一定的波动性，PSA解吸气亦未能得到合理利用，从而造成了大量具有潜在利用价值的可燃气体的浪费。

2  改造方案

根据目前煤化工部天然气的使用情况及液氮洗尾气和PSA解吸气的具体情况，准备对燃料气的主要用户气化炉升温烧嘴及火炬系统进行适当改造，以实现用液氮洗尾气和PSA解吸气替代大部分天然气，节约生产成本。

2.1  方案主要内容

气化炉升温烧嘴及火炬系统改造方案如下：

1） 对气化炉升温烧嘴进行技术改造，以实现液氮洗尾气及PSA解吸气的稳定应用；

2） 对火炬系统燃料气管网实施技术革新，确保火炬燃料气主要来源于液氮洗尾气及PSA解吸气，天然气作为辅助燃料，主要用于开车及应急备用。

2.2  具体改造措施

2.2.1  气化炉升温烧嘴改造

对液氮洗涤尾气及压力摆动吸附（PSA）解吸气体的组成进行持续监测，分析其与设计参数的偏差，依据实测数据调整设备改造的燃料气参数。气化炉的加热系统已预设了天然气与液氮洗涤尾气作为双气源的供气管道，既有的控制系统及供气管道无需进行改动。5台气化炉的加热喷嘴均采用可更换喷嘴头（即燃烧器喷嘴）的设计，与专业制造商合作，依据燃料气参数的实际需求，委托制造商设计并制造出适用的喷嘴。

2.2.2  火炬系统燃料气管网改造

在现有的天然气补给至液氮洗涤尾气管网的切断阀位置，增设一台自力式压力调节阀，其设定压力为0.15 MPa。在液氮洗涤尾气（包含PSA解吸气）供应不足或供气管线压力偏低的情况下，及时补充天然气以确保长明灯的稳定燃烧。

在液氮洗涤尾气供应至长明灯切断阀组后增设一台压力变送器，其信号传输至安全仪表系统（SIS），作为联锁触发信号。据此设定供长明灯天然气切断阀与液氮洗涤尾气切断阀的压力低低联锁逻辑，当液氮洗涤尾气供应压力降至预设阈值以下时，联锁机制将自动开启天然气补充管线切断阀，并关闭液氮洗涤尾气供应切断阀，从而确保天然气能够顺利输送至长明灯。

同时，在液氮洗涤尾气送入氨酸火炬头伴烧气管线处，增加控制阀组，并配置相应的联锁逻辑。在液氮洗涤尾气供应压力低于设定的最低值时，联锁将自动激活，开启天然气管线切断阀，并关闭液氮洗涤尾气供应切断阀。

此外，在制氢装置的低温甲醇洗涤单元附近，新增一条液氮洗涤尾气/PSA解吸气输送至酸性气火炬总管的管线，并配备压力控制阀组，以维持尾气总管压力的稳定性。通过此措施，确保将适量的液氮洗涤尾气/PSA解吸气送入酸性气火炬总管，以保障酸性气火炬的完全伴烧。

3  改造方案的可行性及安全风险分析

3.1  气化炉升温烧嘴

此次改造，只对气化炉升温烧嘴的枪头部分增加可更换的、适应实际的液氮洗尾气/PSA解吸气成分的喷嘴，对原有的升温控制系统、燃料气供气管线均不作变更，只是在实际应用时，根据燃料气的供应情况，更换升温烧嘴的枪头。因此改造后不会对气化炉的升温造成任何影响。

3.2  火炬燃料气改造

为防止安全环保事故，确保火炬长明灯持续燃烧，技术改造将燃料改为液氮洗尾气和PSA解吸气。引入自力式压力调节阀，应对供应不足或压力低，通过补充天然气保障稳定燃烧。设置压力低低联锁系统，确保在液氮洗尾气压力低时自动切换至天然气，保障长明灯稳定燃烧。针对火炬头部分的酸性气体伴烧气，目的是确保其完全燃烧，避免产生H2S臭味。燃料来源改变后，设置联锁系统自动切换至天然气供应，确保稳定供应。在酸性气火炬总管增设液氮洗尾气/PSA解吸补入管线，增加可燃气体组分，确保酸性气体充分燃烧。

4  经济性分析

4.1  气化炉升温节省的费用

根据估算，合成氨和制氢装置的备用气化炉按全年一半时间处于备用状态计算，一直使用天然气升温，2套煤气化装置的天然气耗量约236.52万m3/a。如成功实现用液氮洗尾气/PSA解吸气进行烘炉，考虑到各方面的影响因素，在800 ℃以上再改用尾气升温，全年可以节省天然气用量按总耗量的40%计算，预计可以节省天然气100万m3/a。天然气价格按2.93元/m3计算，预计可节省成本293万元/a。

4.2  火炬系统燃料气节省的费用

根据火炬系统燃料气的设计用量，3台火炬头长明灯用燃料气设计总量为33 m3/h，如不考虑到间断使用的酸性气火炬伴烧气，则可节省天然气用量26.4万m3/a，预计可节省成本77.4万元/a。

以上两项合计，则预计可节省成本至少370万元/a，从煤化工部历年统计的实际天然气耗量看，气化炉升温及火炬系统的天然气耗量远大于设计值，因此实际的效益应高于以上的估算数据。

5  实际效益情况

液氮洗尾气和PSA解吸气利用项目建成投用后，煤化工部天然气消耗量下降明显。改造前，煤化工部天然气月平均消耗量为34.56万m3，最高月度消耗量接近50万m3；改造后，天然气月平均消耗量下降为20万m3左右，改造效果显著。

1）火炬区域的燃料气完全可以用解吸气和尾气取代，燃烧状态稳定。

2）酸性气火炬伴烧采用解吸气和尾气，可以取代放空氢气，未出现异常。

3）新预热烧嘴使用解吸气和尾气，完全可以满足气化炉烘炉需求。

4）煤化工部合成氨装置和制氢装置采用解吸气给气化炉升温，累计烘炉1 141 h，以平均每小时用气350m3计算，累计节约天然气39.95万m3，减少费用117万元。

6 结论

通过对南化公司煤化工部30万t/a合成氨装置和9万t/a制氢装置燃料气用户的流程及设备进行改造，设计了适用的开工烧嘴，进行了火炬燃料气管网改造，并增加了联锁控制回路，提高本质安全度。项目投用后，实现利用尾气进行气化炉烘炉和作为火炬的正常用燃料气，用PSA解吸气和液氮洗尾气替代天然气，减少天然气的耗量，节约了生产成本。投用后取得了良好的经济效益，当年收回了全部投资。

参考文献：

[1]李青云，何凯，李云，等.解吸气部分替代天然气制合成气可行性分析[J].化学工程，2013，41（3）：67-71.

[2]贺永德．现代煤化工技术手册［Ｍ］．北京：化学工业出版社，2003：926—930．

[3]王勇.水煤浆气化装置运行中的问题探讨[J].大氮肥，2011，卷（4）：282-283.

作者简介：徐斌（1975～   ），男，江苏南京人，，主要从事化工管理工作。E-mail：xub.nhgs@sinopec.com。