高 毅，高 偉

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

0 引 言

安陽化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司(簡稱安化公司)200 kt/a煤制乙二醇裝置采用變壓吸附(PSA)工藝從變換氣中提取CO和H2送乙二醇合成系統(tǒng)，PSA系統(tǒng)包括PSA-CO2、精脫硫、PSA-CO、PSA-H2四個(gè)子系統(tǒng)。安化公司乙二醇裝置2012年投產(chǎn)，投運(yùn)初期PSA-CO系統(tǒng)吸附劑存在粉化現(xiàn)象，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備——WLW-2400B型無油立式往復(fù)式真空泵、3MCL526型離心式壓縮機(jī)等的穩(wěn)定運(yùn)行造成了影響，同時(shí)工藝氣中攜帶的粉塵還易堵塞乙二醇合成系統(tǒng)的脫氫反應(yīng)器，制約乙二醇裝置的高負(fù)荷長周期運(yùn)行。為此，通過不斷總結(jié)生產(chǎn)中的不足與缺陷，安化公司對(duì)PSA-CO系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化改造，有效控制了CO產(chǎn)品氣中的粉塵含量，提高了CO產(chǎn)品氣氣量及氣質(zhì)，降低了系統(tǒng)消耗及系統(tǒng)阻力，為乙二醇裝置的安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。以下對(duì)有關(guān)情況作一介紹。

1 PSA-CO系統(tǒng)工藝流程及工藝指標(biāo)簡介

1.1 工藝流程

PSA-CO系統(tǒng)的作用是使CO進(jìn)一步與其他組分如H2、N2等雜質(zhì)組分分離，得到CO產(chǎn)品氣。其工藝流程為，來自PSA-CO2系統(tǒng)的吸附尾氣，先經(jīng)精脫硫系統(tǒng)深度脫硫，半成品氣再經(jīng)蒸汽加熱器加熱后，從吸附塔底部進(jìn)入PSA-CO系統(tǒng)吸附塔(PSA-CO系統(tǒng)共有2個(gè)并聯(lián)的系列，每個(gè)系列設(shè)12臺(tái)吸附塔)，吸附尾氣從吸附塔頂部排出，進(jìn)入PSA-H2系統(tǒng)；吸附塔內(nèi)合格的CO則通過逆向放壓和抽真空方式排出吸附塔(吸附劑通過真空泵抽真空進(jìn)行再生)，進(jìn)入CO產(chǎn)品氣罐，一部分CO作為產(chǎn)品氣輸出，一部分CO經(jīng)三段式離心式壓縮機(jī)(簡稱CO壓縮機(jī))加壓后進(jìn)入置換氣緩沖罐，用于PSA-CO系統(tǒng)的置換。

1.2 工藝指標(biāo)

(1)PSA-CO系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)指標(biāo)：一段吸附壓力≤0.85 MPa，二段吸附壓力≤0.80 MPa，三段吸附壓力≤0.80 MPa；一段吸附溫度≤40 ℃，二段吸附溫度65～75 ℃；一段尾氣中CO2含量≤0.4%，二段尾氣中CO含量≤7.0%。

(2)CO產(chǎn)品氣指標(biāo)：CO純度≥99%，H2含量≤0.3%、N2含量≤0.4%、CH4含量≤0.1%、CO2含量≤0.2%、總硫0。

2 PSA-CO吸附劑粉化問題及其危害

安化公司煤制乙二醇裝置PSA-CO系統(tǒng)吸附劑為φ1.8 mm×(2～5) mm柱狀體，堆密度為800 kg/m3；主要成分為CuO、CuCl2及正二價(jià)銅，新吸附劑不具備吸附活性，需要將Cu2+還原成Cu+吸附劑才具有吸附活性。

2.1 吸附劑粉化及泄漏問題

PSA-CO系統(tǒng)投運(yùn)初期，存在吸附劑粉化現(xiàn)象，隨著乙二醇裝置運(yùn)行到一定時(shí)間(周期)，以及負(fù)荷的不斷提升，吸附劑粉化現(xiàn)象逐漸加重，甚至部分吸附劑從吸附塔底部泄漏出來，系統(tǒng)運(yùn)行中表現(xiàn)出的異?，F(xiàn)象主要有：① 當(dāng)部分吸附塔運(yùn)行至抽真空狀態(tài)時(shí)，真空度較差，同等負(fù)荷下真空度只能達(dá)到-63 kPa左右(真空度指標(biāo)為-75 kPa)；② 真空泵氣閥磨損嚴(yán)重，出現(xiàn)漏氣、運(yùn)行溫度高等狀況；③ CO壓縮機(jī)入口過濾器阻力增大(阻力高時(shí)可達(dá)5 kPa以上)；④ 吸附劑床層粉塵堵塞嚴(yán)重時(shí)，吸附塔無法抽真空運(yùn)行，不得不切塔處理。這些問題嚴(yán)重影響了乙二醇裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

PSA-CO系統(tǒng)停車檢修時(shí)，真空泵入口過濾器、CO壓縮機(jī)入口過濾器、CO壓縮機(jī)段間水冷器等設(shè)備會(huì)清理出吸附劑粉塵；打開吸附塔頂部封頭檢查，發(fā)現(xiàn)約3/4的吸附塔出現(xiàn)吸附劑床層下沉。

安化公司PSA-CO系統(tǒng)所用吸附劑具有吸附容量大、CO產(chǎn)品氣純度高等特點(diǎn)，相較于常規(guī)的分子篩吸附劑更具優(yōu)勢，整個(gè)PSA-CO系統(tǒng)吸附劑裝填量高達(dá)880 t，更換成本高，且從PSA-CO系統(tǒng)運(yùn)行程序設(shè)置方面也難以找到替代產(chǎn)品，因此，從運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性等方面考慮，必須采取措施解決吸附劑粉化等問題。

2.2 吸附劑粉化的危害

(1)吸附劑粉化及泄漏，會(huì)造成吸附塔阻力上升，抽真空效果變差，CO產(chǎn)品氣氣量不足，并造成CO壓縮機(jī)段間水冷器換熱效果下降。

(2)吸附劑粉化后，粉塵隨CO產(chǎn)品氣進(jìn)入乙二醇合成系統(tǒng)酯化塔，造成甲醇泵入口過濾器堵塞，甲醇泵打量不穩(wěn)定，還會(huì)影響甲醇再生。

(3)CO壓縮機(jī)段間水冷器等設(shè)備均采用不銹鋼材質(zhì)，CO吸附劑含有氯離子，吸附劑粉塵會(huì)對(duì)水冷器列管等造成氯離子腐蝕，影響設(shè)備的正常運(yùn)行。

3 吸附劑粉化的可能原因分析

3.1 吸附劑強(qiáng)度低

(1)PSA-CO系統(tǒng)所用吸附劑制作過程中會(huì)經(jīng)過浸漬、焙燒、擠條、成型等環(huán)節(jié)，若制作過程對(duì)其強(qiáng)度質(zhì)量控制不嚴(yán)，使用壽命后期在高吸附壓力下其粉化會(huì)加劇?？傮w而言，安化公司乙二醇裝置PSA-CO系統(tǒng)所用吸附劑制作質(zhì)量較好。

(2)吸附劑在使用過程中遇到甲醇、水時(shí)，其強(qiáng)度會(huì)下降。

(3)PSA系統(tǒng)按照設(shè)定程序每臺(tái)吸附塔壓力會(huì)隨著步序進(jìn)行周期性的充壓、放壓，且乙二醇裝置負(fù)荷越高、處理氣量越大，吸附周期會(huì)越短，充壓/放壓頻率會(huì)增高，對(duì)吸附劑的沖擊也越大，會(huì)降低吸附劑的強(qiáng)度、加劇吸附劑的粉化。

3.2 升壓/降壓階段壓力變化速率大

PSA-CO系統(tǒng)運(yùn)行程序設(shè)置為A(吸附)、ED1(一次均壓降)、ED2(二次均壓降)、P(順放)、C(置換沖洗)、BD(逆向放壓)、V(抽真空)、ER2(二次均壓升)、PP(預(yù)吸附)、ER1(一次均壓升)、FR(終充壓)，整個(gè)吸附再生過程只有2次均壓(2次均壓降、2次均壓升)。吸附床層升壓過程中，第一次升壓(二次均壓升)直接由-0.09 MPa升至0.15 MPa左右，之后又通過預(yù)吸附將吸附塔壓力由0.15 MPa降至0.10 MPa左右，然后繼續(xù)升壓至0.41 MPa左右；吸附床層降壓過程中，第一次降壓(一次均壓降)直接由0.73 MPa降至0.41 MPa左右，之后的二次均壓降直接由0.41 MPa降至0.14 MPa左右?？梢钥闯?，PSA-CO系統(tǒng)升壓、降壓階段壓力變化速率大，易造成吸附劑粉化。

3.3 吸附劑床層下沉

在PSA-CO系統(tǒng)停車檢修過程中，對(duì)吸附塔床層沉降情況進(jìn)行測定，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過2 a多的運(yùn)行后，吸附劑床層上部壓板至塔封頭法蘭邊沿有1 600 mm左右的距離，而原始裝填狀態(tài)為，在吸附劑全布滿吸附塔的情況下，吸附劑床層上部壓板至塔封頭法蘭邊沿的距離為1 300 mm左右，即吸附劑床層下沉量約300 mm，這部分下沉的空間會(huì)導(dǎo)致吸附床層運(yùn)行過程中的移動(dòng)，如此會(huì)加劇吸附劑的粉化。

3.4 吸附塔密封不嚴(yán)

吸附劑在吸附塔內(nèi)運(yùn)行一段時(shí)間后，存在兩個(gè)密封不嚴(yán)容易泄漏的地方：一是吸附劑與瓷球接觸面有兩層絲網(wǎng)間隔，而且這兩層絲網(wǎng)在鋪設(shè)時(shí)需要壓邊，若絲網(wǎng)壓邊未貼緊塔壁，就會(huì)出現(xiàn)縫隙，造成吸附劑漏進(jìn)底部瓷球中；二是當(dāng)吸附塔底部分布器與鍋底連接處的硅橡膠密封條出現(xiàn)空隙而密封不嚴(yán)時(shí)，就會(huì)有部分吸附劑甚至瓷球從鍋底泄漏出來。由于瓷球的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于吸附劑的強(qiáng)度，因此在壓力變化以及氣體不斷沖刷的過程中，吸附劑被磨損粉化，粉塵隨氣體被抽出，導(dǎo)致吸附塔底部會(huì)出現(xiàn)一定的空隙，上部的吸附劑不斷下沉，形成惡性循環(huán)。

4 優(yōu)化改造

4.1 監(jiān)控與防范工藝氣帶水等

為防止PSA-CO系統(tǒng)運(yùn)行過程中工藝氣帶入水等液態(tài)物，在進(jìn)吸附塔的氣體管線低點(diǎn)處增設(shè)導(dǎo)淋，正常生產(chǎn)中要求操作人員定時(shí)排放——系統(tǒng)入口管線處以及水冷器后管線導(dǎo)淋處每班排放1次，無積水或霧狀水排出即可。同時(shí)，對(duì)抽真空系統(tǒng)所設(shè)的露點(diǎn)檢測儀進(jìn)行改造，增加采樣檢測預(yù)處理系統(tǒng)，改變探頭安裝方式，且每年系統(tǒng)大修期間對(duì)部分損壞的露點(diǎn)儀探頭進(jìn)行更新。通過這些對(duì)氣體中含水等的監(jiān)控與防范，最大限度地減少氣體帶液，防止吸附劑因接觸水等液態(tài)物而強(qiáng)度下降。

4.2 增設(shè)程控閥并優(yōu)化系統(tǒng)程序

2016年下半年乙二醇裝置停車檢修時(shí)，整個(gè)PSA-CO系統(tǒng)增設(shè)24臺(tái)程控閥，并對(duì)系統(tǒng)程序進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整：將二次均壓改為三次均壓，終充壓與第三次均壓(一次均壓升)共用原有的一條終充壓管線。優(yōu)化調(diào)整后，PSA-CO系統(tǒng)的運(yùn)行程序(步序)調(diào)整為A(吸附)、ED1(一次均壓降)、ED2(二次均壓降)、ED3(三次均壓降)、P(順放)、P+C(置換沖洗)、BD(逆向放壓)、V(抽真空)、ER3(三次均壓升)、PP(預(yù)吸附)、ER2(二次均壓升)、ER1(一次均壓升)、FR(終充壓)，相較于優(yōu)化調(diào)整前的步序多了一次均壓(三次均壓降、三次均壓升)，使均壓曲線更趨于平緩，降低對(duì)吸附床層的沖擊。優(yōu)化調(diào)整前后PSA-CO吸附塔吸附周期內(nèi)床層壓力變化的對(duì)比見表1，吸附床層的壓力變化趨勢如圖1。

表1 優(yōu)化前后吸附周期內(nèi)吸附塔床層壓力變化對(duì)比 MPa

圖1 優(yōu)化前后吸附周期內(nèi)床層壓力變化趨勢

由圖1可以看出，增加一次均壓(三次均壓降、三次均壓升)和優(yōu)化調(diào)整系統(tǒng)程序后，在一個(gè)吸附周期內(nèi)，吸附床層無論是升壓過程還是降壓過程，都較優(yōu)化調(diào)整前壓力變化速率要小，而且在升壓階段還避免了之前經(jīng)過第一次均升(二次均壓升)后在預(yù)吸附步序再降一次壓的環(huán)節(jié)，更有利于有效氣的回收，并且可減少吸附床層壓力波動(dòng)大而對(duì)吸附劑強(qiáng)度造成的不利影響，從而減少吸附劑粉化。

4.3 無氧狀態(tài)下處理吸附劑

當(dāng)吸附塔真空度上升、吸附床層阻力升高時(shí)，經(jīng)對(duì)PSA-CO系統(tǒng)進(jìn)行安全評(píng)估，在無氧狀態(tài)下對(duì)吸附劑進(jìn)行處理——去除因粉化產(chǎn)生的吸附劑粉塵，同時(shí)補(bǔ)充新吸附劑填充滿整個(gè)吸附塔內(nèi)死空間。吸附劑無氧處理主要步驟為，吸附塔與系統(tǒng)隔離(系統(tǒng)進(jìn)行減負(fù)荷切塔操作)→吸附塔氮?dú)庵脫Q降溫→進(jìn)塔人員佩戴安全防護(hù)器具→卸出吸附劑并密封保護(hù)→鋪設(shè)內(nèi)部絲網(wǎng)→氮?dú)鉅顟B(tài)下回裝吸附劑→封塔→重新并入系統(tǒng)。值得一提的是，卸出后的吸附劑尤其要保護(hù)好，應(yīng)安排專人對(duì)卸出的吸附劑定時(shí)測溫(保持為常溫)，并不時(shí)對(duì)其進(jìn)行充氮?dú)獗Ｗo(hù)，防止吸附劑接觸氧氣。

2018年底按照上述方法對(duì)PSA-CO系統(tǒng)內(nèi)的吸附劑進(jìn)行處理，同時(shí)根據(jù)去除粉塵后各吸附塔的吸附劑損失情況補(bǔ)充新吸附劑和瓷球。PSA-CO系統(tǒng)吸附劑補(bǔ)充情況如表2，吸附塔補(bǔ)充吸附劑前后裝填情況如圖2。

表2 吸附劑無氧處理后的補(bǔ)充情況

圖2 吸附塔補(bǔ)充吸附劑前后裝填情況示意圖

4.4 CO壓縮機(jī)段間增設(shè)干式布袋除塵器

為防止吸附劑粉塵被帶入CO壓縮機(jī)系統(tǒng)，經(jīng)評(píng)估，2018年在CO壓縮機(jī)一段出口增設(shè)1臺(tái)干式布袋除塵器，經(jīng)過濾后，氣體中粉塵含量降至2 mg/m3，據(jù)除塵器壓差定時(shí)清灰，除塵器并入后系統(tǒng)壓差控制在2 kPa以下。

5 改造效果及效益

5.1 CO產(chǎn)品氣氣量和氣質(zhì)明顯提升

改造后，PSA-CO系統(tǒng)CO產(chǎn)品氣氣量和氣質(zhì)均有明顯提升——同等負(fù)荷條件下，系統(tǒng)90 d的生產(chǎn)時(shí)間內(nèi)，改造前后總氣量分別為40 608 km3、41 688 km3，改造后氣量增加1 080 km3；CO產(chǎn)品氣純度由改造前的約99.01%提高至改造后的約99.30%，CO產(chǎn)品氣中H2含量由改造前的約0.30%降至改造后的0.25%以下。同時(shí)，吸附塔上部充實(shí)(補(bǔ)充吸附劑)后，降低了二段尾氣CO的穿透量，為PSA-H2系統(tǒng)提氫提供了較好的條件，保證了H2產(chǎn)品氣的氣質(zhì)，目前H2產(chǎn)品氣在線檢測純度在99.9%以上。

5.2 抽真空效果好且無吸附劑泄漏等

改造后，PSA-CO系統(tǒng)抽真空效果好——抽真空時(shí)，系統(tǒng)真空度由改造前的約-0.056 MPa提高至改造后的約-0.075 MPa，CO壓縮機(jī)出口壓力由改造前的0.53 MPa降至改造后的0.50 MPa，下降了30 kPa。同時(shí)，運(yùn)行過程中對(duì)系統(tǒng)內(nèi)排污導(dǎo)淋、真空泵前過濾器和CO壓縮機(jī)入口過濾器等進(jìn)行檢查，沒有粉塵排出(表明吸附劑無粉化或粉化程度很輕)和吸附劑泄漏。

5.3 CO壓縮機(jī)段間水冷器內(nèi)芯可連續(xù)使用

改造前CO壓縮機(jī)段間水冷器內(nèi)芯每運(yùn)行3個(gè)月就需清理，甚至粉塵堵塞嚴(yán)重時(shí)需系統(tǒng)停車更換新的水冷器內(nèi)芯；改造后，利用系統(tǒng)停車檢修期間對(duì)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行檢查，尤其是CO壓縮機(jī)段間水冷器內(nèi)芯，其內(nèi)芯翅片上沒有灰塵，表明干式布袋除塵器除塵效果好，水冷器內(nèi)芯可連續(xù)使用，減少了人工吹除和水冷器內(nèi)芯備件費(fèi)用。

5.4 效益分析

(1)安全效益。PSA-CO系統(tǒng)吸附劑粉化問題得到有效控制后，CO壓縮機(jī)各段阻力有效降低，避免了因CO壓縮機(jī)各段出口溫度惡化造成的系統(tǒng)停車，保障了系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

(2)經(jīng)濟(jì)效益。改造后，CO產(chǎn)品氣氣量增加約500 m3/h，按全年滿負(fù)荷運(yùn)行8 000 h、CO產(chǎn)品氣價(jià)格1元/m3計(jì)，全年可增收約400萬元；每年可減少CO壓縮機(jī)水冷器內(nèi)芯更換2臺(tái)次，全年節(jié)約備件和檢修費(fèi)用約30萬元；改造前程控閥研磨維護(hù)最少2次/a，改造后可減少至1次/a，減少了維護(hù)工作量等，表明PSA-CO系統(tǒng)程控閥的使用壽命大大延長。

6 結(jié)束語

安化公司200 kt/a煤制乙二醇裝置自投運(yùn)以來，不斷追求安全、穩(wěn)定、長周期、高負(fù)荷、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行，針對(duì)制約CO產(chǎn)品氣氣量和氣質(zhì)提升的PSA-CO系統(tǒng)吸附劑粉化問題，通過生產(chǎn)中的不斷摸索與總結(jié)，采取了一系列優(yōu)化改造措施，尤其是無氧狀態(tài)下吸附劑卸出處理、吸附塔修復(fù)以及利用干式布袋除塵器對(duì)氣體中夾帶的粉塵予以脫除等，解決了乙二醇裝置安全、穩(wěn)定、高負(fù)荷運(yùn)行中的瓶頸問題，并在吸附劑的使用、保護(hù)以及粉化問題處理方面積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。改造后，PSA系統(tǒng)CO產(chǎn)品氣、H2產(chǎn)品氣的氣量和氣質(zhì)均得到顯著提升，乙二醇裝置負(fù)荷由90%提升至100%，取得了良好的效益。