變壓吸附制CO裝置吸附劑粉化的原因及治理

劉杰(中國石化長城能源化工(貴州)有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引言

某公司依托原有煤氣化裝置，新建一套20萬t/a煤制乙二醇裝置，其中變壓吸附單元由一氧化碳粗分(PSA-1)、氫氣提純(PSA-2)、一氧化碳提純(PSA-3)和大分子脫除(TSA)4個工序組成。自開車以來，一氧化碳提純(PSA-3)吸附劑就不斷粉化；吸附塔床層壓差逐漸增大，產(chǎn)品CO產(chǎn)量下降以及CO中H2含量超標(biāo)，嚴(yán)重影響裝置的長周期穩(wěn)定運(yùn)行。通過分析吸附劑粉化現(xiàn)象及影響因素，在經(jīng)過大量實(shí)踐攻關(guān)采取相對應(yīng)措施后，有效抑制了吸附劑繼續(xù)粉化。

1 變壓吸附制CO裝置工藝流程

變壓吸附單元由PSA-1、PSA-2、PSA-3及TSA四部分組成。由煤氣化送來的未變換凈化氣經(jīng)PSA-1吸附后，吸附尾氣從塔頂?shù)絇SA-2制氫，解析氣經(jīng)過逆放和抽真空從塔底流出，經(jīng)壓縮后作為PAS-3的原料氣。在PSA-3吸附塔中，CO被吸附劑吸附，吸附尾氣從塔頂流出進(jìn)入燃料氣管網(wǎng)，解析氣經(jīng)過逆放和抽真空從塔底流出，經(jīng)過壓縮后作為CO產(chǎn)品氣到偶聯(lián)單元。

2 吸附劑粉化現(xiàn)象及不良影響

2.1 壓縮機(jī)干氣密封過濾器堵塞

在裝置投用一個月后，產(chǎn)品CO壓縮機(jī)干氣密封過濾器壓差逐漸升高，造成密封氣壓力偏低，影響裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行。檢查發(fā)現(xiàn)由于吸附劑粉塵堵塞，引起干氣密封過濾器壓差升高。在更換過濾器濾芯后，只能維持半個月生產(chǎn)運(yùn)行，頻繁切換清理濾芯在增加檢修費(fèi)用的基礎(chǔ)上還對生產(chǎn)造成不穩(wěn)定因素。

2.2 壓縮機(jī)段間換熱器堵塞

在裝置開車運(yùn)行一個月后，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品CO壓縮機(jī)段間入口溫度不斷升高，出口溫度同步升高；特別是壓縮機(jī)三段及四段，溫度上升速度尤其明顯。進(jìn)、排氣溫度過高，降低壓縮機(jī)打氣量，影響壓縮機(jī)效率及機(jī)組長周期運(yùn)行。機(jī)組停車后對段間換熱器打開檢查，發(fā)現(xiàn)換熱器氣管程和封頭以及管道均有大量吸附劑粉灰。

2.3 真空度下降

PSA-3吸附塔在抽真空完畢后設(shè)計(jì)壓力為-0.08～0.09 MPaG，隨著生產(chǎn)運(yùn)行PSA-3吸附塔的抽真空效果逐漸變差且各吸附塔之間差異較大。吸附塔真空最好僅為-0.055MPaG，最差只有-0.027MPaG。吸附塔抽真空效果差，導(dǎo)致吸附劑解吸不徹底。

2.4 床層壓差增大

選取PSA-3進(jìn)氣壓力與PSA-3吸附尾氣壓力，對比相同負(fù)荷下投產(chǎn)初期與投產(chǎn)一段時(shí)間后吸附塔前后壓差。投產(chǎn)初期吸附塔在吸附狀態(tài)下，吸附塔前后壓差為20～30kPa，一段時(shí)間后吸附塔前后壓差增大到40～50kPa。相同吸附塔床層壓差隨著時(shí)間推移在增大，且不同吸附塔床層之間壓差存在較大差距。

2.5 裝置負(fù)荷難以提升

在未變換氣中CO濃度相近的條件下，產(chǎn)量只能達(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)荷的91%，收率從設(shè)計(jì)92%降低到88%，并且CO產(chǎn)品中氮?dú)夂考皻錃夂砍掷m(xù)升高。綜上所知，因PSA-3吸附劑粉化，吸附塔床層阻力增大，抽真空效果差，吸附劑解吸不徹底，從而導(dǎo)致吸附劑吸附容量、產(chǎn)品質(zhì)量及收率下降。

3 吸附劑的粉化原因

3.1 吸附劑自帶粉塵

變壓吸附劑在生產(chǎn)、運(yùn)輸、裝填過程中，由于碰撞、磨損會產(chǎn)生一部分粉塵。正常情況下這種粉塵隨著生產(chǎn)的運(yùn)行，會隨工藝氣帶出系統(tǒng)而逐漸減少。但是本裝置吸附劑粉塵隨著裝置的運(yùn)行，不僅沒有得到緩解反而不斷惡化，因此吸附劑粉塵不僅僅是吸附劑自帶的。

3.2 吸附劑裝填設(shè)計(jì)安裝問題

在吸附塔內(nèi)，隨著往復(fù)氣流的循環(huán)沖擊，吸附劑蠕動、磨耗而出現(xiàn)小縫隙，從而出現(xiàn)了跳動的空間，跳動加劇了吸附劑的磨耗。且受設(shè)計(jì)工藝和裝填方式的限制，吸附劑裝填后多少都會留下一定的死空間，這給吸附劑的蠕動提供了更大幾率[1-2]。PSA-3吸附劑裝填完畢后，采用瓷球壓緊格柵板的方式盡量減小吸附劑之間產(chǎn)生間隙。大修期間打開PSA-3吸附塔，瓷球發(fā)生不同程度沉降和傾斜。經(jīng)抽除頂層瓷球，發(fā)現(xiàn)格柵板發(fā)生傾斜，如圖1所示。

圖1 格柵板傾斜

經(jīng)檢修拆解發(fā)現(xiàn)，由于上部格柵板制造精度較差，卡在吸附塔筒體上，格柵與吸附劑床層之間產(chǎn)生間隙，未能隨吸附劑自然沉降而下沉。在均壓等氣流沖刷過程中未能保持吸附劑床層穩(wěn)定，從而加劇粉塵的產(chǎn)生。

3.3 原料氣中帶甲醇

分別檢測PSA制CO流程不同位置工藝氣中甲醇含量，未變換氣中微量甲醇進(jìn)入PSA-1后，解吸出來的PSA-3原料氣中甲醇濃度高于未變換氣，而PSA-3吸附尾氣及產(chǎn)品氣中甲醇含量均低于PSA-3原料氣中甲醇含量，說明甲醇在PSA-3吸附劑中存在富集現(xiàn)象。大修期間，對PSA-3吸附塔不同床層高度吸附劑進(jìn)行取樣化驗(yàn)，分析吸附劑中甲醇含量，上層、中層、下層吸附劑甲醇含量分別為600×10-6、800×10-6、950×10-6，而新鮮吸附劑則不含甲醇。PSA-3吸附劑對甲醇有很強(qiáng)吸附性且不易解吸出來；原料氣從塔釜進(jìn)氣，所以吸附劑床層中吸附甲醇含量從塔頂至塔釜逐漸遞增。未變換氣在正常工況時(shí)，攜帶有100×10-6以下的甲醇，經(jīng)過PSA-1富集以后進(jìn)入PSA-3。PSA-3吸附劑吸附甲醇后，吸附劑強(qiáng)度大幅降低，在生產(chǎn)過程中隨著氣流的上下蠕動發(fā)生粉化。

3.4 操作時(shí)間過短，床層沖擊較大

由于PSA-3吸附劑粉化，吸附塔床層阻力增大，抽真空效果差，吸附劑解吸不徹底，導(dǎo)致吸附劑吸附容量下降。因吸附容量下降，不得不采取縮短操作時(shí)間以提高產(chǎn)品產(chǎn)量。操作時(shí)間縮短后，吸附、均壓、置換及抽真空等過程均不能平穩(wěn)進(jìn)行。吸附塔終充步驟結(jié)束后壓力偏低，未達(dá)到吸附壓力，在吸附塔切入吸附瞬間，對吸附劑床層沖擊過大。且因均壓時(shí)間縮短，均壓結(jié)束后塔壓偏高，置換效果差，導(dǎo)致產(chǎn)品氣中氫氣含量以及氮含量偏高。如此反復(fù)，形成惡性循環(huán)。

3.5 換熱器泄漏，系統(tǒng)帶水

裝置投產(chǎn)1年后，PSA-3在線水分析儀上漲，裝置緊急停車后發(fā)現(xiàn)換熱器存在泄漏。本次泄漏雖然對吸附劑有一定損害，但發(fā)現(xiàn)及時(shí)泄漏時(shí)間較短，且吸附劑大量粉化早于換熱器泄漏時(shí)間，所以換熱器泄漏并不是吸附劑大面積粉化主要因素。

4 整改措施

4.1 更換少量粉化嚴(yán)重吸附劑

由于吸附劑粉塵集中于吸附塔底部，大修期間將底部粉化嚴(yán)重區(qū)域吸附劑祛除，補(bǔ)充為新鮮吸附劑，底部粉化區(qū)域見圖2。

圖2 吸附塔底部粉化吸附劑

將底部粉化嚴(yán)重區(qū)域吸附劑更換以后，能夠確保吸附塔床層阻力下降，變壓吸附程序中均壓、抽真空等過程順利進(jìn)行，有利于吸附劑解吸。

4.2 修整格柵板

對格柵板進(jìn)行修整，直徑由2980mm減小至2960mm。同時(shí)將格柵板上沿安裝在吸附塔筒體環(huán)焊縫以下，避免格柵板與焊縫之間卡死。經(jīng)過修整后格柵板能夠隨吸附劑床層下沉而下沉，避免出現(xiàn)活動空間使得吸附劑在氣流沖擊下產(chǎn)生蠕動。

4.3 未變換氣預(yù)處理

在未變換氣進(jìn)入PSA-1之前新增變溫吸附TSA，徹底脫除未變換氣中微量甲醇，避免微量甲醇在PSA-3吸附劑中累積，影響吸附劑強(qiáng)度。

4.4 優(yōu)化操作

在更換部分吸附劑以后，通過盡量延長操作時(shí)間，配合適當(dāng)降低置換氣量，以提高產(chǎn)品產(chǎn)量及質(zhì)量；又由于操作時(shí)間的延長，均壓及抽真空等過程能夠達(dá)到良好狀態(tài)，降低吸附塔切換過程中的壓差，避免氣流大幅沖刷吸附劑床層，有效延緩吸附劑的粉化。

4.5 加強(qiáng)設(shè)備管理

每年對所有相關(guān)換熱器進(jìn)行渦流檢測及充壓查漏，對有泄漏或腐蝕減薄換熱器及時(shí)進(jìn)行檢修、更新及預(yù)防性檢修，確保設(shè)備完好性。日常生產(chǎn)過程中加強(qiáng)對在線水分析儀的監(jiān)控，確保工藝氣系統(tǒng)處于干燥環(huán)境。

4.6 增加布袋除塵器

在產(chǎn)品氣壓縮機(jī)一段出口增加布袋除塵器，將產(chǎn)品氣中吸附劑粉塵進(jìn)行祛除，避免粉塵堵塞壓縮機(jī)段間換熱器，保護(hù)壓縮機(jī)組干氣密封過濾器，保證了產(chǎn)品氣壓縮機(jī)組長周期運(yùn)行。

5 效果

經(jīng)過系列技改措施后，吸附塔床層阻力明顯下降，吸附劑粉塵攜帶量持續(xù)減小，CO產(chǎn)品產(chǎn)量及質(zhì)量大幅提高，具體對比如表1及表2所示。

表1 吸附塔真空壓力對比 單位：MPaG

表2 PSA-3產(chǎn)品產(chǎn)量及質(zhì)量對比

經(jīng)過各項(xiàng)技改技革，布袋除塵器過濾粉塵量大幅降低，吸附塔床層真空度有大幅提升；CO產(chǎn)品產(chǎn)量提高了2250Nm3/h，產(chǎn)品CO中氮?dú)夂考皻浜看蠓陆担岣吡艘叶佳b置負(fù)荷，降低了偶聯(lián)裝置副產(chǎn)物生成，降低了乙二醇裝置綜合能耗。

6 結(jié)語

吸附劑制造過程中本身就攜帶一定粉塵，且在裝填完畢后隨著氣流沖刷會逐漸夯實(shí)產(chǎn)生自然沉降。由于壓緊格柵板精度及安裝問題，未能跟隨吸附劑床層下沉，從而產(chǎn)生活動空間。未變換氣中甲醇累積或檢測不及時(shí)以及工藝氣帶水，會導(dǎo)致吸附劑強(qiáng)度下降及粉化。同時(shí)由于床層阻力的增大、操作時(shí)間的縮短，產(chǎn)生惡性循環(huán)，加劇了吸附劑粉化。通過對更新少量新劑、對格柵板進(jìn)行整改、新增未變換氣預(yù)處理裝置，同時(shí)優(yōu)化工藝操作及加強(qiáng)設(shè)備管理，PSA-3吸附劑粉化得到了有效控制，粉塵攜帶量逐漸降低，PSA-3制CO裝置能夠長周期穩(wěn)定運(yùn)行。