李 云

(安陽(yáng)化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，河南 安陽(yáng) 455133)

0 引 言

安陽(yáng)化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司(簡(jiǎn)稱安化公司)200 kt/a煤制乙二醇裝置氣體凈化系統(tǒng)采用變壓吸附(PSA)工藝從水煤氣中提取CO和H2送乙二醇合成系統(tǒng)。PSA系統(tǒng)包括PSA-CO2(一段)、精脫硫、PSA-CO(二段)、PSA-H2(三段)四個(gè)系統(tǒng)。乙二醇裝置于2012年建成投產(chǎn)，隨著乙二醇裝置負(fù)荷的提升，2014年P(guān)SA系統(tǒng)出現(xiàn)了一段尾氣CO2含量超標(biāo)，進(jìn)而使后系統(tǒng)CO產(chǎn)品氣CO2含量偏高，導(dǎo)致乙二醇合成系統(tǒng)尾氣排放量大等問(wèn)題，制約乙二醇裝置負(fù)荷的提升；而且一段尾氣CO2含量超標(biāo)導(dǎo)致H2產(chǎn)品氣中含CO2，對(duì)PSA-H2系統(tǒng)PU-12分子篩吸附劑造成不可逆轉(zhuǎn)的影響。后通過(guò)綜合優(yōu)化技改，一段尾氣的CO2含量降低，CO產(chǎn)品氣和H2產(chǎn)品氣氣質(zhì)得到改善，裝置負(fù)荷提升過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題得以解決。以下對(duì)有關(guān)情況作一介紹。

1 PSA系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)介

來(lái)自變換脫硫系統(tǒng)的原料氣首先進(jìn)入氣水分離器分離掉水分，然后進(jìn)入PSA-CO2系統(tǒng)(一段)，在一段，氣體從吸附塔底部進(jìn)入，脫除CO2后的氣體從吸附塔頂部流出，進(jìn)入精脫硫系統(tǒng)脫除氣體中的微量硫，脫硫后的氣體進(jìn)入半成品氣加熱器加熱至65～75 ℃，然后進(jìn)入PSA-CO系統(tǒng)(二段)；在二段，氣體從吸附塔底部進(jìn)入，被銅基吸附劑吸附脫除CO后的氣體從塔頂部流出進(jìn)入PSA-H2系統(tǒng)(三段)，被吸附劑吸附的CO氣體則通過(guò)逆放和抽真空方式排出吸附塔；在三段，氣體從吸附塔底部進(jìn)入，氣體中的N2等雜質(zhì)氣體被吸附劑吸附，H2從吸附塔頂部流出，吸附劑通過(guò)真空泵抽真空而得到再生。

2 問(wèn)題分析

2.1 問(wèn)題的出現(xiàn)

安化公司PSA-CO2系統(tǒng)共有9臺(tái)真空泵，八開(kāi)一備，分為2組對(duì)吸附塔進(jìn)行抽真空。2012年底乙二醇裝置開(kāi)車，2014年裝置負(fù)荷提升至80%左右運(yùn)行時(shí)，一段尾氣CO2含量超過(guò)0.40%(體積分?jǐn)?shù)，下同)，控制指標(biāo)為CO2含量≤0.40%，造成后系統(tǒng)CO產(chǎn)品氣CO2含量偏高，進(jìn)而導(dǎo)致乙二醇合成系統(tǒng)尾氣排放量大，乙二醇合成尾氣排放系統(tǒng)負(fù)荷已達(dá)100%，乙二醇裝置負(fù)荷無(wú)法進(jìn)一步提升；而且當(dāng)一段尾氣CO2含量超標(biāo)后，PSA-H2系統(tǒng)H2產(chǎn)品氣中檢測(cè)出CO2，而三段PU-12分子篩吸附劑對(duì)CO2極為敏感，吸附劑一旦吸附CO2后極難再生，會(huì)造成三段PU-12分子篩吸附劑永久失活。

2.2 原因分析

2.2.1 一段存在“高壓竄低壓”的情況

PSA-CO2系統(tǒng)原設(shè)計(jì)每臺(tái)吸附塔在1個(gè)周期中需經(jīng)歷吸附、3次均壓降壓、順向放壓(順?lè)?、逆向放壓(逆放)、抽真空、抽真空+沖洗、3次均壓升壓、終充壓的步驟。PSA-CO2系統(tǒng)共有9條管線，吸附步驟使用1#管線和2#管線，均壓1步驟使用3#管線和4#管線，均壓2步驟使用6#管線和7#管線，均壓3步驟使用6#管線和7#管線，順?lè)挪襟E使用4#管線，逆放步驟使用8#管線，抽真空步驟使用9#管線，抽真空+沖洗步驟使用5#管線和9#管線。PSA-CO2系統(tǒng)時(shí)間設(shè)定為T(mén)1、T2、T3，其中T1代表均壓1、均壓3，T2代表順?lè)拧⒕鶋?，T3代表逆放、均壓2。由于順?lè)挪襟E與均壓1步驟共用4#管線，均壓1步驟結(jié)束后4#管線內(nèi)氣體壓力約0.5 MPa，而順?lè)挪襟E設(shè)計(jì)起始?jí)毫?.15 MPa，當(dāng)順?lè)挪襟E的程控閥開(kāi)啟時(shí)，4#管線內(nèi)的高壓氣體會(huì)倒流入吸附塔，造成順?lè)挪襟E開(kāi)始前幾秒吸附塔內(nèi)壓力上升，影響順?lè)挪襟E的進(jìn)行；同時(shí)，由于吸附步驟氣體是從吸附塔底部進(jìn)入、從頂部流出的，水煤氣中各組分據(jù)吸附性能依次均勻自下而上分布于吸附床層，當(dāng)4#管線內(nèi)的高壓氣體從吸附塔頂?shù)沽魅胨?，?huì)擾亂水煤氣中各組分在吸附床層的分布，進(jìn)而影響吸附劑的再生。

2.2.2 一段抽真空氣量和抽真空沖洗氣量不足

原始設(shè)計(jì)PSA-CO2系統(tǒng)的解吸氣和逆放氣送往三廢爐燃燒副產(chǎn)蒸汽，設(shè)計(jì)解吸氣CO含量為10.97%，實(shí)際運(yùn)行時(shí)約為19.80%，由于解吸氣CO含量遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致三廢爐爐膛超溫，而設(shè)計(jì)時(shí)該部分氣體只能回收至三廢爐，且三廢爐放空為二位閘板閥，只能全開(kāi)或全關(guān)，無(wú)法控制燃料氣接收量，為控制三廢爐爐膛溫度，只能減少一段真空泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)和控制一段抽真空沖洗氣量，由此造成一段吸附劑再生效果變差，進(jìn)而導(dǎo)致尾氣CO2含量超標(biāo)。

3 優(yōu)化技改方案及預(yù)期目標(biāo)

對(duì)于因一段順?lè)挪襟E與均壓1步驟共用1條管線(4#管線)導(dǎo)致管線內(nèi)的高壓氣體倒流入吸附塔而擾亂吸附床層和影響吸附劑再生的問(wèn)題，經(jīng)充分研究與討論，創(chuàng)新性地采用順?lè)砰y延時(shí)開(kāi)啟配合氣質(zhì)調(diào)整——給12臺(tái)吸附塔順?lè)砰y加裝延時(shí)開(kāi)啟功能，并增加時(shí)間設(shè)定選項(xiàng)(可在系統(tǒng)不同負(fù)荷下靈活設(shè)定不同的延時(shí)開(kāi)啟時(shí)間)，即吸附塔順?lè)砰y延時(shí)開(kāi)啟，其開(kāi)啟前先將4#管線內(nèi)的壓力泄至低于吸附塔內(nèi)氣體的壓力，從而保證順?lè)挪襟E的順利進(jìn)行。

對(duì)于因一段抽真空氣量和抽真空沖洗氣量不足導(dǎo)致的吸附劑再生效果差、尾氣CO2含量超標(biāo)問(wèn)題，經(jīng)研究與討論，決定對(duì)再生步驟進(jìn)行優(yōu)化，即由固定的“抽真空”改為“抽真空+沖洗”，同時(shí)增加時(shí)間設(shè)定，結(jié)合系統(tǒng)負(fù)荷情況調(diào)整沖洗時(shí)間，“抽真空”與“抽真空+沖洗”可以自由切換，也可抽真空全程沖洗，以保證吸附劑的再生效果。

優(yōu)化技改需達(dá)到的目標(biāo)：① 順?lè)挪襟E開(kāi)始時(shí)4#管線內(nèi)壓力小于0.15 MPa；② 抽真空沖洗時(shí)間可根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷靈活控制；③ 有效氣利用率得到提高；④ 一段尾氣CO2含量控制在0.40%以下；⑤ H2產(chǎn)品氣不含CO2；⑥ CO產(chǎn)品氣和H2產(chǎn)品氣氣質(zhì)得到提升。

4 優(yōu)化技改的實(shí)施

4.1 延時(shí)開(kāi)啟順?lè)挪襟E的閥門(mén)

PSA-CO2系統(tǒng)順?lè)砰y門(mén)加裝延時(shí)開(kāi)啟，并在DCS上增加時(shí)間設(shè)定選項(xiàng)，在系統(tǒng)不同負(fù)荷下靈活設(shè)定不同的延時(shí)開(kāi)啟時(shí)間，以保證在順?lè)砰y門(mén)開(kāi)啟時(shí)4#管線內(nèi)的高壓氣體已通過(guò)順?lè)趴傞y(KV1012)泄壓至低于吸附塔內(nèi)的氣體壓力，從而使順?lè)挪襟E得以順利進(jìn)行。

4.2 調(diào)整順?lè)挪襟E的時(shí)間

PSA-CO2系統(tǒng)吸附步驟為，水煤氣從吸附塔底部進(jìn)入，氣體中的CO2等氣體被吸附劑吸附，未被吸附的氣體從塔頂排出。而順?lè)挪襟E的目的是將吸附床層較上部的CO、H2等氣體順?lè)胖猎蠚夤窕厥绽?，從而提高PSA系統(tǒng)的整體收率，但由于順?lè)挪襟E氣體的流向與吸附步驟氣體的流向一致，吸附塔內(nèi)部的平衡為動(dòng)平衡——吸附塔內(nèi)CO2的吸附與解吸處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，順?lè)艜r(shí)部分解吸的CO2會(huì)向吸附塔頂部移動(dòng)，即CO2在吸附床層中的吸附前沿上移，進(jìn)而導(dǎo)致吸附塔上部空間CO2濃度增高；而吸附劑再生步驟的逆放、抽真空，是從吸附塔底部解吸CO2氣體，因此CO2吸附前沿越靠近塔頂，再生越困難，從而導(dǎo)致一段尾氣CO2含量升高。于是，據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷，將順?lè)挪襟E的時(shí)長(zhǎng)由11 s調(diào)整為6 s，以控制CO2的吸附前沿，降低CO2的穿透量，達(dá)到降低一段尾氣CO2含量的目的。

4.3 調(diào)整逆放步驟的時(shí)間

延時(shí)開(kāi)啟順?lè)砰y門(mén)、縮短順?lè)挪襟E的時(shí)長(zhǎng)后，大部分氣體在逆放步驟排出，逆放氣氣量增加，由此需增加逆放步驟的時(shí)長(zhǎng)，逆放步驟時(shí)長(zhǎng)由原來(lái)的35 s調(diào)整至63 s。

4.4 優(yōu)化再生步驟

逆放步驟結(jié)束后，為使吸附劑得到更徹底的再生，對(duì)吸附塔進(jìn)行抽真空，將吸附塔內(nèi)CO2等雜質(zhì)組分抽出來(lái)，抽真空過(guò)程中利用制氫解吸氣對(duì)吸附塔進(jìn)行沖洗。原再生步驟為，先抽真空1個(gè)周期，再進(jìn)行“抽真空+沖洗”1個(gè)周期。為提高PSA-CO2系統(tǒng)吸附劑再生效果，將抽真空步驟改造為“抽真空+沖洗”步驟，同時(shí)增加時(shí)間設(shè)定，結(jié)合系統(tǒng)負(fù)荷情況調(diào)整沖洗時(shí)間，“抽真空”與“抽真空+沖洗”可以自由切換，即通過(guò)調(diào)整沖洗時(shí)長(zhǎng)來(lái)調(diào)整沖洗氣量，提升一段吸附劑的再生效果，進(jìn)而達(dá)到降低一段尾氣CO2含量的目的；同時(shí)，由于沖洗氣為制氫解吸氣，增加沖洗時(shí)間會(huì)使沖洗氣用量增加，制氫解吸氣壓力可得到降低，進(jìn)而可降低PSA-H2系統(tǒng)真空泵出口壓力(即降低了制氫解吸氣背壓)，從而可提高制氫吸附劑的再生效果，達(dá)到提高H2產(chǎn)品氣純度的目的。

4.5 調(diào)整逆放氣回收方案

順?lè)挪襟E排出的氣體成分中H2含量設(shè)計(jì)值為39.9%、CO含量設(shè)計(jì)值為25.7%，縮短順?lè)挪襟E的時(shí)長(zhǎng)后，大部分氣體在逆放步驟排出，增加了逆放氣氣量，也提高了逆放氣中有效氣的含量。為避免三廢爐超溫，同時(shí)回收逆放氣中的有效氣，PSA-CO2系統(tǒng)(一段)增加逆放氣回收至合成氨氣柜的管線(如圖1，虛線為原流程)，將逆放氣由原來(lái)送往三廢爐燃燒改為送往合成氨氣柜，這樣不僅能充分回收逆放氣中的CO和H2，還可將逆放氣與解吸氣分開(kāi)輸送(解吸氣送往三廢爐)，使逆放步驟結(jié)束時(shí)吸附塔的壓力和解吸氣總管的壓力均得到降低，即由于逆放氣送往合成氨氣柜的背壓降低，可使逆放步驟結(jié)束時(shí)吸附塔內(nèi)壓力亦即抽真空步驟初始?jí)毫档停欢馕鼩饪偣軌毫Φ慕档?，使一段吸附劑再生效果大大提升，亦即降低了真空泵的?fù)荷，進(jìn)而可使真空泵出口氣溫度降低，達(dá)到提高真空泵運(yùn)行周期的目的。

圖1 優(yōu)化技改后PSA-CO2系統(tǒng)流程示意圖

5 技改效果與效益

5.1 技改效果

優(yōu)化技改前后PSA系統(tǒng)氣體分析數(shù)據(jù)的對(duì)比見(jiàn)表1?？梢钥闯?，優(yōu)化技改取得了明顯的效果：一段解吸氣組分得到優(yōu)化——一段解吸氣CO2含量由技改前的61.39%降至49.48%，在系統(tǒng)80%負(fù)荷工況下一段尾氣CO2含量可以穩(wěn)定控制在0.40%以下，CO產(chǎn)品氣CO2含量由技改前的0.24%降至0.18%，CO產(chǎn)品氣純度由技改前的99.10%提高至99.20%；一段延長(zhǎng)抽真空沖洗時(shí)間后，一段吸附劑再生效果得到提升，制氫解吸氣壓力最低可降至10 kPa以下，制氫吸附劑再生效果提升，從而使H2產(chǎn)品氣純度由技改前的99.84%提高至99.87%。此外，逆放步驟結(jié)束時(shí)吸附塔內(nèi)壓力亦即抽真空步驟初始?jí)毫τ杉几那暗?5 kPa降至10 kPa，使真空泵負(fù)荷得到降低，真空泵出口氣溫度較技改前降低20 ℃，真空泵運(yùn)行周期得到有效延長(zhǎng)；逆放氣改為送往合成氨氣柜后，有效氣利用率提高，并降低了三廢爐的負(fù)荷，三廢爐運(yùn)行更加穩(wěn)定?？偟膩?lái)說(shuō)，優(yōu)化技改后PSA-CO2系統(tǒng)操作彈性更大，工藝人員可根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷調(diào)整沖洗氣量，高負(fù)荷工況下吸附劑再生效果提高，一段尾氣CO2含量得到降低，CO產(chǎn)品氣和H2產(chǎn)品氣氣質(zhì)有效改善，乙二醇裝置負(fù)荷提升的瓶頸問(wèn)題得以解決。

表1 優(yōu)化技改前后PSA系統(tǒng)氣體分析數(shù)據(jù)的對(duì)比

5.2 效益分析

(1)PSA系統(tǒng)80%負(fù)荷時(shí)，送往乙二醇裝置H2產(chǎn)品氣氣量約33 600 m3/h、CO產(chǎn)品氣氣量約17 600 m3/h，由于H2產(chǎn)品氣和CO產(chǎn)品氣純度提高，按年生產(chǎn)時(shí)間300 d計(jì)算，每年多產(chǎn)H2約72 576 m3、多產(chǎn)CO約126 720 m3，H2產(chǎn)品氣和CO產(chǎn)品氣價(jià)格均按1 000元/km3計(jì)算，每年產(chǎn)生的效益約20萬(wàn)元。

(2)逆放氣送合成氨氣柜，PSA系統(tǒng)80%負(fù)荷時(shí)可回收H2氣量約1 560 m3/h，按年生產(chǎn)時(shí)間300 d、H2產(chǎn)品氣價(jià)格1 000元/km3計(jì)，每年產(chǎn)生的效益約1 123.2萬(wàn)元，非?？捎^。