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，產品CO產量下降以及CO中H2含量超標，嚴重影響裝置的長周期穩定運行。通過分析吸附劑粉化現象及影響因素，在經過大量實踐攻關采取相對應措施后，有效抑制了吸附劑繼續粉化。

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PSA-1吸附后，吸附尾氣從塔頂到PSA-2制氫，解析氣經過逆放和抽真空從塔底流出，經壓縮后作為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入燃料氣管網，解析氣經過逆放和抽真空從塔底流出，經過壓縮后作為CO產品氣到偶聯單元。

2 吸附劑粉化現象及不良影響

2.1 壓縮機干氣密封過濾器堵塞

在裝置投用一個月后，產品CO壓縮機干氣密封過濾器壓差逐漸升高，造成密封氣壓力偏低，影響裝置安全穩定運行。檢查發現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運行，頻繁切換清理濾芯在增加檢修費用的基礎上還對生產造成不穩定因素。

2.2 壓縮機段間換熱器堵塞

在裝置開車運行一個月后，發現產品CO壓縮機段間入口溫度不斷升高，出口溫度同步升高；特別是壓縮機三段及四段，溫度上升速度尤其明顯。進、排氣溫度過高，降低壓縮機打氣量，影響壓縮機效率及機組長周期運行。機組停車后對段間換熱器打開檢查，發現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計壓力為-0.08～0.09 MPaG，隨著生產運行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，導致吸附劑解吸不徹底。

2.4 床層壓差增大

選取PSA-3進氣壓力與PSA-3吸附尾氣壓力，對比相同負荷下投產初期與投產一段時間后吸附塔前后壓差。投產初期吸附塔在吸附狀態下，吸附塔前后壓差為20～30kPa，一段時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 裝置負荷難以提升

在未變換氣中CO濃度相近的條件下，產量只能達到設計負荷的91%，收率從設計92%降低到88%，并且CO產品中氮氣含量及氫氣含量持續升高。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，從而導致吸附劑吸附容量、產品質量及收率下降。

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、運輸、裝填過程中，由于碰撞、磨損會產生一部分粉塵。正常情況下這種粉塵隨著生產的運行，會隨工藝氣帶出系統而逐漸減少。但是本裝置吸附劑粉塵隨著裝置的運行，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 吸附劑裝填設計安裝問題

在吸附塔內，隨著往復氣流的循環沖擊，吸附劑蠕動、磨耗而出現小縫隙，從而出現了跳動的空間，跳動加劇了吸附劑的磨耗。且受設計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生間隙。大修期間打開PSA-3吸附塔，瓷球發生不同程度沉降和傾斜。經抽除頂層瓷球，發現格柵板發生傾斜，如圖1所示。

圖1 格柵板傾斜

經檢修拆解發現，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定，從而加劇粉塵的產生。

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象。大修期間，對PSA-3吸附塔不同床層高度吸附劑進行取樣化驗，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吸附性且不易解吸出來；原料氣從塔釜進氣，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，攜帶有100×10-6以下的甲醇，經過PSA-1富集以后進入PSA-3。PSA-3吸附劑吸附甲醇后，吸附劑強度大幅降低，在生產過程中隨著氣流的上下蠕動發生粉化。

3.4 操作時間過短，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間以提高產品產量。操作時間縮短后，吸附、均壓、置換及抽真空等過程均不能平穩進行。吸附塔終充步驟結束后壓力偏低，未達到吸附壓力，在吸附塔切入吸附瞬間，對吸附劑床層沖擊過大。且因均壓時間縮短，均壓結束后塔壓偏高，置換效果差，導致產品氣中氫氣含量以及氮含量偏高。如此反復，形成惡性循環。

3.5 換熱器泄漏，系統帶水

裝置投產1年后，PSA-3在線水分析儀上漲，裝置緊急停車后發現換熱器存在泄漏。本次泄漏雖然對吸附劑有一定損害，但發現及時泄漏時間較短，且吸附劑大量粉化早于換熱器泄漏時間，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重區域吸附劑祛除，補充為新鮮吸附劑，底部粉化區域見圖2。

圖2 吸附塔底部粉化吸附劑

將底部粉化嚴重區域吸附劑更換以后，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行，有利于吸附劑解吸。

4.2 修整格柵板

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

4.3 未變換氣預處理

在未變換氣進入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，影響吸附劑強度。

4.4 優化操作

在更換部分吸附劑以后，通過盡量延長操作時間，配合適當降低置換氣量，以提高產品產量及質量；又由于操作時間的延長，均壓及抽真空等過程能夠達到良好狀態，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 加強設備管理

每年對所有相關換熱器進行渦流檢測及充壓查漏，對有泄漏或腐蝕減薄換熱器及時進行檢修、更新及預防性檢修，確保設備完好性。日常生產過程中加強對在線水分析儀的監控，確保工藝氣系統處于干燥環境。

4.6 增加布袋除塵器

在產品氣壓縮機一段出口增加布袋除塵器，將產品氣中吸附劑粉塵進行祛除，避免粉塵堵塞壓縮機段間換熱器，保護壓縮機組干氣密封過濾器，保證了產品氣壓縮機組長周期運行。

5 效果

經過系列技改措施后，吸附塔床層阻力明顯下降，吸附劑粉塵攜帶量持續減小，CO產品產量及質量大幅提高，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產品產量及質量對比

經過各項技改技革，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產品產量提高了2250Nm3/h，產品CO中氮氣含量及氫含量大幅下降，提高了乙二醇裝置負荷，降低了偶聯裝置副產物生成，降低了乙二醇裝置綜合能耗。

6 結語

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產生自然沉降。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，從而產生活動空間。未變換氣中甲醇累積或檢測不及時以及工藝氣帶水，會導致吸附劑強度下降及粉化。同時由于床層阻力的增大、操作時間的縮短，產生惡性循環，加劇了吸附劑粉化。通過對更新少量新劑、對格柵板進行整改、新增未變換氣預處理裝置，同時優化工藝操作及加強設備管理，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裝置能夠長周期穩定運行。