變壓吸附脫碳裝置運行時序優化總結

張靈娜，袁 帥

(河南能源化工集團安化公司，河南安陽 455133)

為了降低能源消耗、提高經濟效益、減少資源浪費，河南能源化工集團安化公司考慮回收合成氨新系統乙二醇裝置變壓吸附(PSA)解吸氣。自2012年回收此部分解吸氣后，合成氨新系統PSA脫碳裝置產出的CO2純度不合格且氣量無法滿足尿素用量要求。2013年對PSA脫碳裝置運行時序進行了優化[1]，雖然暫時達到生產尿素的要求，但是隨著乙二醇裝置生產負荷的不斷提升，回收到合成氨系統的解吸氣不斷增多，致使進入PSA脫碳裝置的CO2體積分數又有下降，又出現了產品CO2氣量小及純度低的問題；針對該情況，再次對PSA脫碳裝置運行時序進行優化，以滿足尿素系統滿負荷生產的要求。

1 PSA脫碳裝置概況

該PSA脫碳裝置采用兩段法工藝，由PSA-Ⅰ和PSA-Ⅱ兩部分組成。PSA脫碳裝置系統流程見圖1。PSA-Ⅰ是提純段，為尿素生產提供壓力為(5±2)kPa、CO2純度≥98.0%的產品氣。PSA-Ⅱ是精制段，為醇烴化及合成氨工段提供合格的氫氮氣。

圖1 PSA脫碳裝置系統流程

2 2013年PSA脫碳時序優化情況

2013年1月,河南能源化工集團安陽園區乙二醇裝置雙機生產，界內外PSA脫碳裝置的解吸氣回收至第2套合成氨裝置氣柜作為其中一部分原料氣；此時就出現了PSA脫碳裝置入口CO2體積分數下降的問題(見表1)，繼而尿素系統因原料氣不足導致系統減量。由表1可以看出：回收乙二醇裝置的氣體后，PSA脫碳裝置入口氣中CO2體積分數下降了1～2百分點。

表1 PSA脫碳裝置入口氣體成分 %

2.1 PSA-I優化思路

(1)工藝時序由18-5-5-5/V(即18臺吸附塔，5臺同時預吸附，5臺同時吸附，5次均壓，抽真空工藝)調整為18-4-4-6/V(即18臺吸附塔，4臺同時預吸附，4臺同時吸附，6次均壓，抽真空工藝)運行。一是為了減少單數吸附塔吸附或預吸附造成的偏流情況；二是為了增加1次均壓；三是為了合理分配程控閥門。

(2)改變真空泵抽空方式，增加抽真空時間，即增加吸附塔解吸的時間，使吸附劑得到更好的解吸。

2.2 PSA-II優化思路

工藝時序調整為16-6-8/V(即18臺吸附塔，6臺同時吸附，8次均壓，抽真空工藝)運行。一是為了減少單數吸附塔吸附造成的偏流情況；二是為了合理分配程控閥門。

2.3 優化效果

經過對PSA脫碳時序進行技改優化后，PSA-I脫碳時序由原來的18-5-5-5/V改為18-4-4-6/V，由原來的5塔預吸附改為4塔預吸附，減少吸附塔數量可以使氣體分布均勻。均壓次數由5次改為6次，均壓次數的增加降低了逆放壓力，提高工藝氣的回收率，同時解吸時間增長確保了去尿素系統的CO2的純度。

抽真空由1個周期增加為2個周期，抽真空指標由-0.03 MPa改為-0.05 MPa后，效果更好。延長抽真空時間使吸附劑再生更加完全。PSA-I周期吸附時間為98 s，較原來的周期吸附時間(75 s)回收率明顯提高，PSA-I出口CO2體積分數指標為5.5%，PSA-II周期吸附時間設定為72 s，PSA-II出口CO2體積分數指標可以控制在0.5%，較原來的周期吸附時間(70 s)、PSA-II出口CO2體積分數指標(1.1%)的運行有了大幅度的提升。

PSA-I由均升狀態時隔離改為均降狀態時隔離，有利于氣體均勻分布，更有利于提高CO2純度。即使在切塔的情況下,CO2純度保證平均在98.2%，最高在98.5%。壓縮機氣量由5機運行即能保證尿素系統滿負荷生產。真空泵轉機設備停運檢修任何1臺轉機，真空泵時間周期稍作調整，對指標無明顯影響。

PSA脫碳時序調整后，系統阻力為0.04 MPa，較原來的0.08 MPa有了明顯減少。

3 2017年PSA脫碳時序優化情況

河南能源化工集團安陽園區所屬安化公司、安陽永金公司物料互聯互通。2017年2月安陽永金公司乙二醇裝置經過系統大修后向滿負荷沖刺，第2套合成氨尿素裝置回收的解吸氣量明顯增多，PSA脫碳裝置生產的CO2氣量不足且純度低，又造成尿素裝置高、中、低壓系統放空量大，消耗增加的問題。此時PSA脫碳入口CO2體積分數只有22%～23%[2]。

3.1 PSA-I優化思路

工藝時序調整為18-3-3-6/VV(即18臺吸附塔，3臺同時預吸附，3臺同時吸附，6次均壓，2次抽真空工藝)[3]運行。增加抽真空時間，即增加吸附塔解吸的時間，使吸附劑得到更好的解吸。

18-3-3-6/VV與18-4-4-6/VV(即18臺吸附塔，4臺同時預吸附，4臺同時吸附，6次均壓，2次抽真空工藝)的區別在于采取間隔的形式抽真空，最大限度地延長CO2氣體的解吸時間，保證高純度的產品氣得到充分釋放，大大提高有效氣體回收率。PSA-I運行時序優化前后對比見表2。

表2 PSA-I運行時序優化前后對比

3.2 PSA-II優化思路

工藝時序由16-6-8/V調整為16-3-8/V(即16臺吸附塔，3臺同時吸附，8次均壓，抽真空工藝)運行，增加了吸附時間，減少氣體損失，提高有效氣體的回收。

PSA-II脫碳時序修改前整個運行周期只有1個吸附塔在抽真空，優化后2個吸附塔同時抽真空，PSA-II整個吸附時間由優化前的70 s增加到90 s，整個系統放空量明顯減少，氣體回收率提高，對后序系統CO2調節更加有余地。PSA-II運行時序優化前后對比見表3。

表3 PSA二段運行時序優化前后對比

4 勻壓時閥門功能的選定

PSA-I運行時序優化前后閥門功能對比見表5。

表5 PSA-I運行時序優化前后閥門功能對比

在初運行時，PSA-I進行第5次均壓時，才打開某塔上部8號閥進行升壓，此時對應地打開下部12號閥進行降壓，氣體從下向上流動；進行第6次均壓時，打開某塔上部8號閥進行升壓，此時對應地打開下部12號閥進行降壓，氣體從下向上流動，將含高濃度的CO2氣體回收到吸附劑床層中，以提高解吸氣中CO2的純度。經過驗證在該裝置中均壓應全部在吸附塔的上部進行，防止低濃度的CO2氣體和高濃度的CO2氣體互相影響，導致吸附塔中CO2濃度不均，影響純度。

5 優化后的效果

由于回收乙二醇系統的解吸氣，PSA 脫碳裝置入口氣體中的CO2體積分數不斷下降，偏離原始設計(原始設計體積分數為28%)，通過對PSA脫碳裝置2次大的時序優化，進行固化操作，達到了預期的效果[4]。表6、表7為PSA脫碳時序進行優化前后各項數據比較。

表6 PSA-I系統主要監控數據比較

表7 PSA-II系統主要監控數據比較

6 存在問題的原因分析及應對措施

6.1 真空泵轉機設備腐蝕

原因：變換氣中少量的H2S、CO2在潮濕環境中與水結合呈酸性對真空泵轉機及設備造成腐蝕，泵內部雜質無法徹底清理。

措施：定期置換真空泵的脫鹽水。

6.2 吸附劑床層下移

原因：由于吸附劑長時間的使用，吸附劑床層下移，死空間增大，均壓壓差大，吸附劑床層的活動范圍增大，在均壓過程中對絲網及壓板螺栓長時間的沖擊，使其松動。

措施：檢修期間檢查吸附劑情況，并進行吸附罐的補填吸附劑工作，同時檢查絲網及壓板螺栓情況。

6.3 程控閥故障

原因：現場固定螺絲松動出現的誤報。電磁閥保險易燒壞，信號輸出受阻。二位五通電磁閥堵，導致程控閥卡。

措施：要求崗位職工加強檢查，同時要求儀表經常針對零部件情況進行排查。

6.4 冬季儀表空氣帶水

原因：溫度較低，儀表空氣帶水，程控閥結冰，導致二位五通電磁閥凍結，閥門卡阻。

措施：現場加強監控，出現卡阻時針對故障的程控閥車間應嚴格按照應急預案進行切塔處理。聯系空分車間，減少儀表空氣帶水量；聯系儀表車間，增加伴熱。

6.5 真空泵的出口壓力高

原因: CO2壓力波動，為保證尿素系統生產穩定，PSA將真空泵的出口壓力提得較高，影響真空泵的工作效率。

7 結語

河南能源化工集團安化公司PSA脫碳裝置通過一系列的優化調整，穩定了產品氣CO2壓力及純度，滿足尿素系統的生產需求。回收乙二醇裝置的可用解吸氣不僅節約了能源，而且減少了環保的負擔。但對整個合成氨尿素裝置的調節更加復雜多變，需要進一步提高管理及操作水平，使系統安全穩定運行。