變壓吸附系統(tǒng)綜合優(yōu)化技改小結(jié)

李 云

(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)荷提升過程中出現(xiàn)的問題得以解決。以下對有關(guān)情況作一介紹。

1 PSA系統(tǒng)工藝流程簡介

來自變換脫硫系統(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，吸附劑通過真空泵抽真空而得到再生。

2 問題分析

2.1 問題的出現(xiàn)

安化公司PSA-CO2系統(tǒng)共有9臺真空泵，八開一備，分為2組對吸附塔進(jìn)行抽真空。2012年底乙二醇裝置開車，2014年裝置負(fù)荷提升至80%左右運(yùn)行時，一段尾氣CO2含量超過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)品氣中檢測出CO2，而三段PU-12分子篩吸附劑對CO2極為敏感，吸附劑一旦吸附CO2后極難再生，會造成三段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)計每臺吸附塔在1個周期中需經(jīng)歷吸附、3次均壓降壓、順向放壓(順放)、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，順放步驟使用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)時間設(shè)定為T1、T2、T3，其中T1代表均壓1、均壓3，T2代表順放、均壓2，T3代表逆放、均壓2。由于順放步驟與均壓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，而順放步驟設(shè)計起始壓力為0.15 MPa，當(dāng)順放步驟的程控閥開啟時，4#管線內(nèi)的高壓氣體會倒流入吸附塔，造成順放步驟開始前幾秒吸附塔內(nèi)壓力上升，影響順放步驟的進(jìn)行；同時，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?，會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)計解吸氣CO含量為10.97%，實際運(yùn)行時約為19.80%，由于解吸氣CO含量遠(yuǎn)高于設(shè)計值，導(dǎo)致三廢爐爐膛超溫，而設(shè)計時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，只能全開或全關(guān)，無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)

對于因一段順放步驟與均壓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題，經(jīng)充分研究與討論，創(chuàng)新性地采用順放閥延時開啟配合氣質(zhì)調(diào)整——給12臺吸附塔順放閥加裝延時開啟功能，并增加時間設(shè)定選項(可在系統(tǒng)不同負(fù)荷下靈活設(shè)定不同的延時開啟時間)，即吸附塔順放閥延時開啟，其開啟前先將4#管線內(nèi)的壓力泄至低于吸附塔內(nèi)氣體的壓力，從而保證順放步驟的順利進(jìn)行。

對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)問題，經(jīng)研究與討論，決定對再生步驟進(jìn)行優(yōu)化，即由固定的“抽真空”改為“抽真空+沖洗”，同時增加時間設(shè)定，結(jié)合系統(tǒng)負(fù)荷情況調(diào)整沖洗時間，“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 順放步驟開始時4#管線內(nèi)壓力小于0.15 MPa；② 抽真空沖洗時間可根據(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)化技改的實施

4.1 延時開啟順放步驟的閥門

PSA-CO2系統(tǒng)順放閥門加裝延時開啟，并在DCS上增加時間設(shè)定選項，在系統(tǒng)不同負(fù)荷下靈活設(shè)定不同的延時開啟時間，以保證在順放閥門開啟時4#管線內(nèi)的高壓氣體已通過順放總閥(KV1012)泄壓至低于吸附塔內(nèi)的氣體壓力，從而使順放步驟得以順利進(jìn)行。

4.2 調(diào)整順放步驟的時間

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。而順放步驟的目的是將吸附床層較上部的CO、H2等氣體順放至原料氣柜回收利用，從而提高PSA系統(tǒng)的整體收率，但由于順放步驟氣體的流向與吸附步驟氣體的流向一致，吸附塔內(nèi)部的平衡為動平衡——吸附塔內(nèi)CO2的吸附與解吸處于動態(tài)平衡狀態(tài)，順放時部分解吸的CO2會向吸附塔頂部移動，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，將順放步驟的時長由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)整逆放步驟的時間

延時開啟順放閥門、縮短順放步驟的時長后，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長，逆放步驟時長由原來的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，抽真空過程中利用制氫解吸氣對吸附塔進(jìn)行沖洗。原再生步驟為，先抽真空1個周期，再進(jìn)行“抽真空+沖洗”1個周期。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，同時增加時間設(shè)定，結(jié)合系統(tǒng)負(fù)荷情況調(diào)整沖洗時間，“抽真空”與“抽真空+沖洗”可以自由切換，即通過調(diào)整沖洗時長來調(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，由于沖洗氣為制氫解吸氣，增加沖洗時間會使沖洗氣用量增加，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

順放步驟排出的氣體成分中H2含量設(shè)計值為39.9%、CO含量設(shè)計值為25.7%，縮短順放步驟的時長后，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輸送(解吸氣送往三廢爐)，使逆放步驟結(jié)束時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)束時吸附塔內(nèi)壓力亦即抽真空步驟初始壓力降低；而解吸氣總管壓力的降低，使一段吸附劑再生效果大大提升，亦即降低了真空泵的負(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)的對比見表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%；一段延長抽真空沖洗時間后，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)束時吸附塔內(nèi)壓力亦即抽真空步驟初始壓力由技改前的35 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；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。總的來說，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)的對比

5.2 效益分析

(1)PSA系統(tǒng)80%負(fù)荷時，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)時間300 d計算，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)品氣價格均按1 000元/km3計算，每年產(chǎn)生的效益約20萬元。

(2)逆放氣送合成氨氣柜，PSA系統(tǒng)80%負(fù)荷時可回收H2氣量約1 560 m3/h，按年生產(chǎn)時間300 d、H2產(chǎn)品氣價格1 000元/km3計，每年產(chǎn)生的效益約1 123.2萬元，非?？捎^。