CN113634088B - 切塔方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种切塔方法，适用于沼气提纯变压吸附的系统，为所述系统预先配置全塔运行模式和减塔运行模式；所述切塔方法包括以下步骤：实时监测所述系统，若某吸附塔出现故障，将出现故障的吸附塔隔离出所述系统，所述系统由全塔运行模式切换至减塔运行模式；其中，减塔运行模式参与运行的吸附塔数比全塔运行模式参与运行的吸附塔数少一。基于本发明的切塔方法在某吸附塔出现故障时能够不停产检修。

Description

切塔方法

技术领域

本发明涉及一种应用于变压吸附系统的切塔方法。

背景技术

始创于20世纪60年代的PSA (Pressure Swing Adsorption， 变压吸附)是一种成熟的、重要的、具有广泛应用的气体分离方法，也是沼气提纯至天然气使用标准的重要工序，沼气中的主要成分是甲烷、二氧化碳，PSA的主要作用是利用吸附剂吸附沼气中的二氧化碳成分，从而提升甲烷气体的浓度，使其热值达到天然气标准，实现生物质能的利用。

随着世界能源的短缺，各国和各行业越来越重视低品位资源的开发与利用，近年各国对环境污染的治理要求也越来越高，比起化学吸收提纯甲烷技术，PSA提纯甲烷的技术造成的污染更少；另一方面，PSA技术中的吸附剂也有了重大进展，性能优良的吸附剂如活性炭、碳分子筛等研制成功，以及传统的氧化铝和硅胶等吸附剂性能的不断改进等等，这些都为连续操作的大型吸附分离工艺奠定了技术基础。

PSA提纯甲烷技术的工作原理是利用吸附剂对吸附质在不同的分压下有不同的吸附容量、吸附速度和吸附力，并且在一定压力下对被分离的气体混合物的各组分有选择吸附的特性，加压吸附除去原料气中被吸附的组分，进而负压脱附这些组分而使吸附剂获得再生。变压吸附过程中为物理吸附，没有化学反应的发生。它是由吸附质分子和吸附剂表面分子之间的引力（即范德华力）所引起的，由于固体表面的分子与其内部分子不同，存在剩余的表面自由力场，当气体分子碰到固体表面时，其中一部分就被吸附，在被吸附的分子中，只有当其热运动的动能足以克服吸附剂引力场的位能时才能重新回到气相，所以在与气体接触的固体表面上总是保留着许多被吸附的分子。由于分子间的引力所引起的吸附，其吸附热较低，接近吸附质的汽化热或冷凝热，吸附和解吸速度也都较快。被吸附气体也较容易地从固体表面解吸出来，所以物理吸附是可逆的。物理吸附通常分为变温吸附和变压吸附。变压吸附主要在增压状态下进行吸附，负压状态下解吸。

在工程实践中，所适配变压吸附系统多以六塔（六座吸附塔）和五塔（五座吸附塔）为主，变压吸附必须要做到连续稳定运行，因此，变压吸附系统的运行模式主要是六塔运行-两塔吸附，五塔运行-两塔吸附的两种模式。例如六塔运行-两塔吸附，实质六座吸附塔运行，其中有两座吸附塔处于吸附状态，其余的吸附塔则处于广义的再生状态，可以理解的是，不可能只有两座吸附塔始终处于吸附状态，因此变压吸附系统需要按照一定的步序来安排吸附塔工作状态的切换，从而保证原料气的连续分离与提纯。加以适配的，变压吸附系统会配有相应的自动控制系统，自动的控制各个吸附塔的工作状态。

当前，变压吸附系统所配自动控制系统主要用于变压吸附系统正常运行时的控制，然而在实际应用中，PSA系统所采用的程序控制阀门因压缩空气不洁净、电磁阀堵塞、程控阀阀体密封垫密封不严等问题，出现阀门无法正常开关、阀门内漏的等故障。一旦发生故障，PSA系统压力紊乱，导致产品气不合格，需要停产检修，无法连续生产，也造成沼气能源的浪费。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在某吸附塔出现故障时能够不停产检修的切塔方法。

在本发明的实施例中，提供了一种切塔方法，适用于沼气提纯变压吸附的系统，为所述系统预先配置全塔运行模式和减塔运行模式；所述切塔方法包括以下步骤：

实时监测所述系统，若某吸附塔出现故障，将出现故障的吸附塔隔离出所述系统，所述系统由全塔运行模式切换至减塔运行模式；

其中，减塔运行模式参与运行的吸附塔数比全塔运行模式参与运行的吸附塔数少一。

可选地，由全塔运行模式切换至减塔运行模式的时机为：

第一时机，为监测到某吸附塔出现故障时的时刻或自出现故障预定时间后所至的时刻；

第二时机，为检测到某吸附塔出现故障后，除出现故障的吸附塔外，其余吸附塔在全塔运行模式第一次运行到减塔运行模式步序一致的时刻；或

第三时机，为检测到某吸附塔出现故障后，出现故障的吸附塔处于工作间隔状态时段的任一时刻；

其中，工作间隔状态为包含吸附状态和三均降状态时段中出现故障的吸附塔内压力降至0及负压状态时的状态或吸附状态。

可选地，第一时机选择为出现故障的吸附塔处于三均降状态，且塔压与外界大气压一致时；

切塔后，出现故障的吸附塔在其内部气体经过氮气置换后进行检修。

可选地，第一时机为监测到某吸附塔出现故障时的时刻时，按照减塔运行模式安排其余吸附塔的步序，第一步序均为抽真空步序，并且除出现故障的吸附塔外的其余吸附塔第一次抽空步序前至少增加一道逆放步序。

可选地，在增加的逆放步序前还至少增加一道顺放步序。

可选地，在出现故障的吸附塔检修完毕后由减塔运行模式切换为全塔运行模式时，各吸附塔的第一步序为吸附，且在各吸附塔第一次吸附前均增加顺放步序。

可选地，适配于第二时机或第三时机，在出现故障的吸附塔检修完毕后由减塔运行模式切换为全塔运行模式时，在全塔运行模式下出现故障的吸附塔切恰好处于间隔状态而其余吸附塔按照适配于出现故障的吸附塔处于间隔状态的步序运行。

可选地，切换时采用手动切换或自动切换；

若采用手动切换，则适配于所述系统的监测装置向系统前端发送故障码或警示信息，由操作人员根据故障码或警示信息手动切换；

若采用自动切换，则系统按照预设的切换步骤进行切换，并向系统前端发送检修指示信息或警示信息。

可选地，系统响应手动切换，立即将全塔运行模式切换为减塔运行模式或延时缓冲时间后将全塔运行模式切换为减塔运行模式；

其中，缓冲时间为等待除出现故障的吸附塔外，其余吸附塔完成当前的步序。

可选地，全塔运行模式为六塔运行模式，减塔运行模式为五塔运行模式。

在本发明的实施例中，所提供切塔方法适用于沼气提纯变压吸附的系统，为其配置两套工作模式，其一是全塔运行模式，即全部的吸附塔参与沼气提纯变压吸附，另一是减塔运行模式，即减去一个吸附塔时所适配的运行模式，若某一吸附塔出现故障，则将该吸附塔隔离出去，其余的吸附塔仍然能够满足减塔运行模式工作的需要，而能够正常运行，从而可以不停产而对出现故障的吸附塔进行检修。

附图说明

图1为沼气提纯六塔变压吸附系统架构图。

图2为沼气提纯五塔变压吸附系统架构图。

图中：1.压缩后沼气导入，2.气体回流至压缩机，3.仪表风总管，4.循环水回水总管，5.循环水上水总管，6.调压计量加臭撬，7.产品气去管网，8.放空总管。

1301a~1301f.阀门，1302a~1302f.阀门，1303a~1303f.阀门，1304a~1304f.阀门，1305a~1305f.阀门，1306a~1306b.阀门，1307.阀门，1308a~1308b.阀门，1309a~1309b.阀门。

具体实施方式

为有助于理解，下面先就未配置切塔程序的沼气吸附提纯系统（下称正常吸附模式）进行说明，这里的切塔并非是吸附塔间步序的切换，而是全塔运行模式于减塔运行模式间的切换。

关于吸附塔，其常用术语如下：

吸附：开启罐体的进气阀、出气阀，沼气按某一恒定压力下持续稳定的通过该罐，罐内吸附剂吸附沼气中的二氧化碳，使气体变成甲烷含量超过95%以上符合二类天然气气体的产品气，即吸附阶段。

一均降：表示为PSA中吸附塔的罐体在某一循环的第一次降压。一均降必定在吸附后，降压的目的是释放吸附状态罐体的部分气体，让该罐通过三次或两次（根据工艺的不同进行选择）降到0MPa，使真空系统更容易进行抽真空。抽真空的目的在于通过低压解吸，从而对吸附剂进行再生。

二均降：罐体的第二次降压。必定在一均降之后。

顺放：将罐体剩余气体输送回流至前端，目的还是进行罐体内压力降低。有时可以配置在二均降后，有时则配置在三均降后。

三均降：罐体的第三次降压，根据工艺的不同，有时在二均降后，有时在顺放后。无论是三均降还是顺放在后，以上所述的一均降、二均降、三均降、顺放都执行完成后，罐体压力为0MPa（相对压力，即一个标准大气压，也可以以环境大气压为基准），可以进行抽真空。

抽真空：使真空系统与罐体相连，利用罐体内形成负压，从而将吸附剂中含有的二氧化碳组分抽出，使吸附剂完成再生。

三均升：完成抽真空的罐体的第一次升压过程。该罐三均升就与需要三均降的罐体相连，在PSA系统内，只要有一罐处于三均升，必定有一罐进行三均降。

二均升：罐体第二次升压过程。该罐二均升就与需要二均降的罐体相连，在PSA系统内，只要有一罐处于二均升，必定有一罐进行二均降。

一均升：罐体第三次升压过程。该罐一均升就与需要一均降的罐体相连，在PSA系统内，只要有一罐处于一均升，必定有一罐进行一均降。

终充：罐体第四次升压过程。由于一均升是与刚结束吸附的罐均压，一均升完成的罐的压力是未达到吸附压力的，因此利用产品气对罐进行终充，将罐体升压至吸附压力，从而使产气量更加稳定。

以上为常用术语，下面描述正常吸附模式的工作方式：

目前大多数的沼气吸附提纯系统主要采用六塔吸附和五塔吸附两种，换言之，六塔吸附系统和五塔吸附系统都能够保证各个吸附塔在给定的步序中流转。

下面先以六塔吸附为例进行工作方式的说明，六塔吸附即六塔投入运行，两塔同时吸附，三次均压，当六个吸附塔中某一吸附塔所配的例如程控阀出现故障时，在中控室上位机上选择“瞬间切塔”，即可将出现故障的吸附塔所配全部程控阀封闭，即从沼气吸附提纯系统中隔离出去，整体程序切换到5-2-2（即五塔吸附模式，两塔同时吸附，两次均压）的形式继续进行生产。五塔吸附模式相对于六塔吸附模式少了一个吸附塔参与工作，属于相对于六塔吸附模式的减塔运行模式。相对而言，六塔吸附模式相对于五塔吸附模式即为全塔运行模式。

正常六塔运行的每个吸附塔在一次循环中均需经历吸附（A）、一均降（E1D）、二均降（E2D）、顺放（PP）、三均降（E3D）、抽空（V）、三均升（E3R）、二均升(E2R)、一均升（E1R）以及终充（FR）等步骤。六个吸附塔执行工艺步序相互错开，保证原料气连续输入和产品气不断输出。程控阀的作用就是确保在均升均降、吸附、抽真空的时候开启正确的阀门。请参照图1所示六塔吸附的流程图，例如130x就表示程控阀的位号。

在一些实施例中，参见说明书附图1，若吸附压力在1MPa：

假定吸附塔A和吸附塔B处于吸附状态，吸附压力处于1MPa。此时开启的阀门是阀门1301a/b和阀门1302a/b。吸附塔A和吸附塔B其他相连的阀门全关闭。此时沼气从1301a阀门进入，产品气从阀门1302a输出。

吸附塔D抽真空，压力为-0.09MPa，开启的阀门是阀门1305d，配置给吸附塔D的其他阀门关闭。此时真空系统抽吸吸附塔D吸附剂里吸附的二氧化碳，对吸附剂进行再生。

吸附塔F顺放，从0.33MPa顺放至0.1MPa，开启的阀门是阀门1304f，阀门1306b，此时，吸附塔F把该塔的气体放至压缩机入口，作为回流气重新循环，此处的意义是最大程度回收甲烷，提高装置的收率。

吸附塔E进行一均降，吸附塔C进行一均升，开启的阀门是阀门1303e和阀门1303c，相应阀门开启后中间的管道相连通，两罐压力均等，吸附塔E从吸附压力的1mpa降低至0.65mpa，吸附塔C从二均升的0.33MPa提升至0.65MPa，两吸附塔压力均等。

进一步地：

若吸附塔A和吸附塔B仍然在吸附状态，压力处于1MPa。此时开启的阀门是阀门1301a/b和阀门1302a/b。吸附塔A和吸附塔B所配其他的阀门全关闭。此时沼气从阀门1301a进入，产品气从阀门1302a输出。

吸附塔D抽完真空，进入三均升阶段。吸附塔F顺放完成，进入三均降阶段。此时开启阀门1303d和阀门1303f， 吸附塔D和吸附塔F经过两个阀门和中间管路进行相连，吸附塔D从-0.09mpa提升至0.01mpa，吸附塔F从0.1MPa降低至0.01mpa。两塔压力均等后完成三均降。

吸附塔E进行二均降，需要与中间罐配合，打开阀门1304e和阀门1306a，关闭阀门1306b。吸附塔E压力从0.65降低至0.33MPa，

吸附塔C进行间隔，等待吸附塔D吸附塔F均压完成，关闭相应阀门后，进行终充阶段，开启的阀门1307和阀门1303c，相应阀门开启后产品气管道与吸附塔C联通，让吸附塔C压力提升到1MPa，等终充完成后原料气不再进入吸附塔A，开始进入吸附塔C，成为吸附塔B\吸附塔C吸附，吸附塔A进行一均降开始再生阶段。

由此，构成一个闭路循环。

关于切塔与五塔吸附：

PSA变压吸附提纯沼气六塔切五塔技术，采用5-2-2(五个吸附塔，两个塔吸附、两次均压)的真空解吸方式。每个吸附塔在一次循环中均需经历吸附（A）、一均降（E1D）、二均降（E2D）、顺放（PP）、逆放（D）、抽真空（V）、二均升（E2R）、一均升（E1R）以及终充（FR）等九个步骤。

五个吸附塔在执行程序的安排上相互错开，构成1个闭路循环，以保证原料气不断输入和产品气连续输出。5个吸附塔交替进行以上的吸附、再生操作（始终有两个塔处于吸附状态）即可实现甲烷的连续提纯。

也就是说，五塔吸附是单独的另一套吸附循环系统。当吸附塔A出现故障时，程序变为五塔吸附，正常五塔吸附的编号是吸附塔A~吸附塔E，那么由于吸附塔A故障，六塔吸附切换五塔时，五塔里面的吸附塔A~吸附塔E对应的就是六塔中的吸附塔B~吸附塔F，吸附塔A完全隔离。

由于瞬间切塔，吸附塔A的压力此时无法判断，需要让吸附塔内的气体变为常压后方可进行检修操作。因此，一般来说瞬间切塔适用于吸附塔A处于三均降，塔压在0.01MPa时，此时切塔的压力与外界相差不远，为避免爆燃等事故，经过氮气置换后即可进行塔器检维修操作。

关于切塔，以目标切吸附塔A为例，而如果在吸附塔D正在吸附的时候切塔，A 塔落下所有阀门，此时吸附塔D在吸附直接转为抽真空步序，这很容易对真空系统造成过大冲击压力，从而导致设备损坏。

进一步地，将切塔后5-2-2形式的时间片重新设置，依然是任选一个时间进行5-2-2吸附程序的切换，但是切换后抽真空步序前加了两道顺放逆放步序，即使正在吸附的吸附塔也会先经过顺放、再经过逆放后进入抽真空步序，这样排出了真空系统设备存在的工艺隐患问题。

同样在从5-2-2吸附程序切回6-2-3时，6-2-3程序的第一段步序也是先经过逆放后再接抽真空，排除了高压气体直接冲击真空系统入口的可能。这样经过改进后的切塔程序经过调试后运行稳定，切换流畅。

作为更为有利的选择，记为稳定切塔：

稳定切塔是将五塔PSA程控系统与六塔PSA程控系统无缝连接的方式，由于程控系统并不能随时合拍，需要等待一段时间完成切塔，但是此方式切塔稳定，保证产品气气量气质不受影响，在低气量无需检修的时候可以采用此方式，从六塔吸附变为五塔吸附，增加的抽真空时间，对于吸附剂的寿命延长起到保护作用。

此切塔的方式思路为：点切吸附塔C后不立即切塔，等到六塔PSA进行到某一阶段如吸附塔D\E吸附，吸附塔A/F均压，吸附塔B抽真空，吸附塔C间隔，此时吸附塔C继续保持间隔，进入五塔PSA的初步阶段，五塔系统的第一步也是吸附塔D\E吸附，吸附塔A\F均压，吸附塔B抽真空，从而保证时序的完全一致，使原气量不受影响。

总体而言：

1、通过以上切换方式避免了因程控阀故障导致PSA装置的停车停产，提高了整体装置的容错率，大大减少了停产因此带来的损失。

2、除了需要编程时在上位机多编写程序外，无需新增其他点位，无需增加其他管道、阀门、设备，新技术作为几乎0成本，在某些时刻却能起到关键作用。

3、具有瞬间切塔、稳定切塔的两种模式，分别对应在出现危机问题的时刻立刻切塔、保证系统不发生更大的问题、出现局部小问题稳定切塔，保证产品气气质不超标，连续生产；同时稳定切塔还具有应对沼气气量变动，在小气量状态下保证吸附剂的抽真空时间延长，增加吸附剂的使用寿命等优势。

可以理解的是，对于沼气提纯变压吸附，其通常配有五塔及以上的吸附塔，对于有更多个吸附塔时，同样满足减塔运行和全塔运行模式的要求，因而满足本发明的构思。

关于切塔，可以人为干预，也可以根据设置由系统完成，例如监测系统监测到某阀门出现故障，势必导致所配属给的吸附塔不能正常运行，系统根据设定，确定该吸附塔为出现故障的吸附塔，而自动完成切塔工作。同时，系统向前端或者说控制室发送警示信息等，提示工人进行检修等操作。

人为干预切塔，也在于对监控数据的掌握，因此，在前端应有监控数据的展示。

Claims (4)

1.一种切塔方法，适用于沼气提纯变压吸附的系统，其特征在于，为所述系统预先配置全塔运行模式和减塔运行模式；所述切塔方法包括以下步骤：

实时监测所述系统，若某吸附塔出现故障，将出现故障的吸附塔隔离出所述系统，所述系统由全塔运行模式切换至减塔运行模式；

其中，减塔运行模式参与运行的吸附塔数比全塔运行模式参与运行的吸附塔数少一；

由全塔运行模式切换至减塔运行模式的时机为：

第一时机，为监测到某吸附塔出现故障时的时刻或自出现故障预定时间后所至的时刻；

第二时机，为检测到某吸附塔出现故障后，除出现故障的吸附塔外，其余吸附塔在全塔运行模式第一次运行到减塔运行模式步序一致的时刻；或

第三时机，为检测到某吸附塔出现故障后，出现故障的吸附塔处于工作间隔状态时段的任一时刻；

其中，工作间隔状态为包含吸附状态和三均降状态时段中出现故障的吸附塔内压力降至0及负压状态时的状态或吸附状态；

第一时机为监测到某吸附塔出现故障时的时刻时，按照减塔运行模式安排其余吸附塔的步序，第一步序均为抽真空步序，并且除出现故障的吸附塔外的其余吸附塔第一次抽空步序前至少增加一道逆放步序；

在增加的逆放步序前还至少增加一道顺放步序；

在出现故障的吸附塔检修完毕后由减塔运行模式切换为全塔运行模式时，各吸附塔的第一步序为吸附，且在各吸附塔第一次吸附前均增加顺放步序；

适配于第二时机或第三时机，在出现故障的吸附塔检修完毕后由减塔运行模式切换为全塔运行模式时，在全塔运行模式下出现故障的吸附塔切恰好处于间隔状态而其余吸附塔按照适配于出现故障的吸附塔处于间隔状态的步序运行。

2.根据权利要求1所述的切塔方法，其特征在于，切换时采用手动切换或自动切换；

若采用手动切换，则适配于所述系统的监测装置向系统前端发送故障码或警示信息，由操作人员根据故障码或警示信息手动切换；

若采用自动切换，则系统按照预设的切换步骤进行切换，并向系统前端发送检修指示信息或警示信息。

3.根据权利要求2所述的切塔方法，其特征在于，系统响应手动切换，立即将全塔运行模式切换为减塔运行模式或延时缓冲时间后将全塔运行模式切换为减塔运行模式；

其中，缓冲时间为等待除出现故障的吸附塔外，其余吸附塔完成当前的步序。

4.根据权利要求1所述的切塔方法，其特征在于，全塔运行模式为六塔运行模式，减塔运行模式为五塔运行模式。