变压吸附系统综合优化技改小结

李 云

(安阳化学工业集团有限责任公司，河南 安阳 455133)

0 引 言

安阳化学工业集团有限责任公司(简称安化公司)200 kt/a煤制乙二醇装置气体净化系统采用变压吸附(PSA)工艺从水煤气中提取CO和H2送乙二醇合成系统。PSA系统包括PSA-CO2(一段)、精脱硫、PSA-CO(二段)、PSA-H2(三段)四个系统。乙二醇装置于2012年建成投产，随着乙二醇装置负荷的提升，2014年PSA系统出现了一段尾气CO2含量超标，进而使后系统CO产品气CO2含量偏高，导致乙二醇合成系统尾气排放量大等问题，制约乙二醇装置负荷的提升；而且一段尾气CO2含量超标导致H2产品气中含CO2，对PSA-H2系统PU-12分子筛吸附剂造成不可逆转的影响。后通过综合优化技改，一段尾气的CO2含量降低，CO产品气和H2产品气气质得到改善，装置负荷提升过程中出现的问题得以解决。以下对有关情况作一介绍。

1 PSA系统工艺流程简介

来自变换脱硫系统的原料气首先进入气水分离器分离掉水分，然后进入PSA-CO2系统(一段)，在一段，气体从吸附塔底部进入，脱除CO2后的气体从吸附塔顶部流出，进入精脱硫系统脱除气体中的微量硫，脱硫后的气体进入半成品气加热器加热至65～75 ℃，然后进入PSA-CO系统(二段)；在二段，气体从吸附塔底部进入，被铜基吸附剂吸附脱除CO后的气体从塔顶部流出进入PSA-H2系统(三段)，被吸附剂吸附的CO气体则通过逆放和抽真空方式排出吸附塔；在三段，气体从吸附塔底部进入，气体中的N2等杂质气体被吸附剂吸附，H2从吸附塔顶部流出，吸附剂通过真空泵抽真空而得到再生。

2 问题分析

2.1 问题的出现

安化公司PSA-CO2系统共有9台真空泵，八开一备，分为2组对吸附塔进行抽真空。2012年底乙二醇装置开车，2014年装置负荷提升至80%左右运行时，一段尾气CO2含量超过0.40%(体积分数，下同)，控制指标为CO2含量≤0.40%，造成后系统CO产品气CO2含量偏高，进而导致乙二醇合成系统尾气排放量大，乙二醇合成尾气排放系统负荷已达100%，乙二醇装置负荷无法进一步提升；而且当一段尾气CO2含量超标后，PSA-H2系统H2产品气中检测出CO2，而三段PU-12分子筛吸附剂对CO2极为敏感，吸附剂一旦吸附CO2后极难再生，会造成三段PU-12分子筛吸附剂永久失活。

2.2 原因分析

2.2.1 一段存在“高压窜低压”的情况

PSA-CO2系统原设计每台吸附塔在1个周期中需经历吸附、3次均压降压、顺向放压(顺放)、逆向放压(逆放)、抽真空、抽真空+冲洗、3次均压升压、终充压的步骤。PSA-CO2系统共有9条管线，吸附步骤使用1#管线和2#管线，均压1步骤使用3#管线和4#管线，均压2步骤使用6#管线和7#管线，均压3步骤使用6#管线和7#管线，顺放步骤使用4#管线，逆放步骤使用8#管线，抽真空步骤使用9#管线，抽真空+冲洗步骤使用5#管线和9#管线。PSA-CO2系统时间设定为T1、T2、T3，其中T1代表均压1、均压3，T2代表顺放、均压2，T3代表逆放、均压2。由于顺放步骤与均压1步骤共用4#管线，均压1步骤结束后4#管线内气体压力约0.5 MPa，而顺放步骤设计起始压力为0.15 MPa，当顺放步骤的程控阀开启时，4#管线内的高压气体会倒流入吸附塔，造成顺放步骤开始前几秒吸附塔内压力上升，影响顺放步骤的进行；同时，由于吸附步骤气体是从吸附塔底部进入、从顶部流出的，水煤气中各组分据吸附性能依次均匀自下而上分布于吸附床层，当4#管线内的高压气体从吸附塔顶倒流入塔后，会扰乱水煤气中各组分在吸附床层的分布，进而影响吸附剂的再生。

2.2.2 一段抽真空气量和抽真空冲洗气量不足

原始设计PSA-CO2系统的解吸气和逆放气送往三废炉燃烧副产蒸汽，设计解吸气CO含量为10.97%，实际运行时约为19.80%，由于解吸气CO含量远高于设计值，导致三废炉炉膛超温，而设计时该部分气体只能回收至三废炉，且三废炉放空为二位闸板阀，只能全开或全关，无法控制燃料气接收量，为控制三废炉炉膛温度，只能减少一段真空泵运行台数和控制一段抽真空冲洗气量，由此造成一段吸附剂再生效果变差，进而导致尾气CO2含量超标。

3 优化技改方案及预期目标

对于因一段顺放步骤与均压1步骤共用1条管线(4#管线)导致管线内的高压气体倒流入吸附塔而扰乱吸附床层和影响吸附剂再生的问题，经充分研究与讨论，创新性地采用顺放阀延时开启配合气质调整——给12台吸附塔顺放阀加装延时开启功能，并增加时间设定选项(可在系统不同负荷下灵活设定不同的延时开启时间)，即吸附塔顺放阀延时开启，其开启前先将4#管线内的压力泄至低于吸附塔内气体的压力，从而保证顺放步骤的顺利进行。

对于因一段抽真空气量和抽真空冲洗气量不足导致的吸附剂再生效果差、尾气CO2含量超标问题，经研究与讨论，决定对再生步骤进行优化，即由固定的“抽真空”改为“抽真空+冲洗”，同时增加时间设定，结合系统负荷情况调整冲洗时间，“抽真空”与“抽真空+冲洗”可以自由切换，也可抽真空全程冲洗，以保证吸附剂的再生效果。

优化技改需达到的目标：① 顺放步骤开始时4#管线内压力小于0.15 MPa；② 抽真空冲洗时间可根据系统负荷灵活控制；③ 有效气利用率得到提高；④ 一段尾气CO2含量控制在0.40%以下；⑤ H2产品气不含CO2；⑥ CO产品气和H2产品气气质得到提升。

4 优化技改的实施

4.1 延时开启顺放步骤的阀门

PSA-CO2系统顺放阀门加装延时开启，并在DCS上增加时间设定选项，在系统不同负荷下灵活设定不同的延时开启时间，以保证在顺放阀门开启时4#管线内的高压气体已通过顺放总阀(KV1012)泄压至低于吸附塔内的气体压力，从而使顺放步骤得以顺利进行。

4.2 调整顺放步骤的时间

PSA-CO2系统吸附步骤为，水煤气从吸附塔底部进入，气体中的CO2等气体被吸附剂吸附，未被吸附的气体从塔顶排出。而顺放步骤的目的是将吸附床层较上部的CO、H2等气体顺放至原料气柜回收利用，从而提高PSA系统的整体收率，但由于顺放步骤气体的流向与吸附步骤气体的流向一致，吸附塔内部的平衡为动平衡——吸附塔内CO2的吸附与解吸处于动态平衡状态，顺放时部分解吸的CO2会向吸附塔顶部移动，即CO2在吸附床层中的吸附前沿上移，进而导致吸附塔上部空间CO2浓度增高；而吸附剂再生步骤的逆放、抽真空，是从吸附塔底部解吸CO2气体，因此CO2吸附前沿越靠近塔顶，再生越困难，从而导致一段尾气CO2含量升高。于是，据系统负荷，将顺放步骤的时长由11 s调整为6 s，以控制CO2的吸附前沿，降低CO2的穿透量，达到降低一段尾气CO2含量的目的。

4.3 调整逆放步骤的时间

延时开启顺放阀门、缩短顺放步骤的时长后，大部分气体在逆放步骤排出，逆放气气量增加，由此需增加逆放步骤的时长，逆放步骤时长由原来的35 s调整至63 s。

4.4 优化再生步骤

逆放步骤结束后，为使吸附剂得到更彻底的再生，对吸附塔进行抽真空，将吸附塔内CO2等杂质组分抽出来，抽真空过程中利用制氢解吸气对吸附塔进行冲洗。原再生步骤为，先抽真空1个周期，再进行“抽真空+冲洗”1个周期。为提高PSA-CO2系统吸附剂再生效果，将抽真空步骤改造为“抽真空+冲洗”步骤，同时增加时间设定，结合系统负荷情况调整冲洗时间，“抽真空”与“抽真空+冲洗”可以自由切换，即通过调整冲洗时长来调整冲洗气量，提升一段吸附剂的再生效果，进而达到降低一段尾气CO2含量的目的；同时，由于冲洗气为制氢解吸气，增加冲洗时间会使冲洗气用量增加，制氢解吸气压力可得到降低，进而可降低PSA-H2系统真空泵出口压力(即降低了制氢解吸气背压)，从而可提高制氢吸附剂的再生效果，达到提高H2产品气纯度的目的。

4.5 调整逆放气回收方案

顺放步骤排出的气体成分中H2含量设计值为39.9%、CO含量设计值为25.7%，缩短顺放步骤的时长后，大部分气体在逆放步骤排出，增加了逆放气气量，也提高了逆放气中有效气的含量。为避免三废炉超温，同时回收逆放气中的有效气，PSA-CO2系统(一段)增加逆放气回收至合成氨气柜的管线(如图1，虚线为原流程)，将逆放气由原来送往三废炉燃烧改为送往合成氨气柜，这样不仅能充分回收逆放气中的CO和H2，还可将逆放气与解吸气分开输送(解吸气送往三废炉)，使逆放步骤结束时吸附塔的压力和解吸气总管的压力均得到降低，即由于逆放气送往合成氨气柜的背压降低，可使逆放步骤结束时吸附塔内压力亦即抽真空步骤初始压力降低；而解吸气总管压力的降低，使一段吸附剂再生效果大大提升，亦即降低了真空泵的负荷，进而可使真空泵出口气温度降低，达到提高真空泵运行周期的目的。

图1 优化技改后PSA-CO2系统流程示意图

5 技改效果与效益

5.1 技改效果

优化技改前后PSA系统气体分析数据的对比见表1。可以看出，优化技改取得了明显的效果：一段解吸气组分得到优化——一段解吸气CO2含量由技改前的61.39%降至49.48%，在系统80%负荷工况下一段尾气CO2含量可以稳定控制在0.40%以下，CO产品气CO2含量由技改前的0.24%降至0.18%，CO产品气纯度由技改前的99.10%提高至99.20%；一段延长抽真空冲洗时间后，一段吸附剂再生效果得到提升，制氢解吸气压力最低可降至10 kPa以下，制氢吸附剂再生效果提升，从而使H2产品气纯度由技改前的99.84%提高至99.87%。此外，逆放步骤结束时吸附塔内压力亦即抽真空步骤初始压力由技改前的35 kPa降至10 kPa，使真空泵负荷得到降低，真空泵出口气温度较技改前降低20 ℃，真空泵运行周期得到有效延长；逆放气改为送往合成氨气柜后，有效气利用率提高，并降低了三废炉的负荷，三废炉运行更加稳定。总的来说，优化技改后PSA-CO2系统操作弹性更大，工艺人员可根据系统负荷调整冲洗气量，高负荷工况下吸附剂再生效果提高，一段尾气CO2含量得到降低，CO产品气和H2产品气气质有效改善，乙二醇装置负荷提升的瓶颈问题得以解决。

表1 优化技改前后PSA系统气体分析数据的对比

5.2 效益分析

(1)PSA系统80%负荷时，送往乙二醇装置H2产品气气量约33 600 m3/h、CO产品气气量约17 600 m3/h，由于H2产品气和CO产品气纯度提高，按年生产时间300 d计算，每年多产H2约72 576 m3、多产CO约126 720 m3，H2产品气和CO产品气价格均按1 000元/km3计算，每年产生的效益约20万元。

(2)逆放气送合成氨气柜，PSA系统80%负荷时可回收H2气量约1 560 m3/h，按年生产时间300 d、H2产品气价格1 000元/km3计，每年产生的效益约1 123.2万元，非常可观。