變壓吸附裝置吸附劑粉化原因分析及解決措施

葉運(yùn)超，劉玉剛

（河南能源化工集團(tuán)有限公司濮陽永金公司，河南濮陽 457000）

0 引言

河南能源化工集團(tuán)有限公司濮陽永金公司20 萬噸乙二醇項(xiàng)目裝置的原料氣凈化配套項(xiàng)目采用四川天一科技股份有限公司的氣相變壓吸附工藝。本裝置操作簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高，是目前國(guó)內(nèi)最大的CO/H2裝置之一。設(shè)計(jì)氣量22 000 Nm3/h，H2產(chǎn)量42 000 Nm3/h，由440 臺(tái)程控閥控制。

該裝置自2012 年8 月建成投產(chǎn)以來，運(yùn)行中出現(xiàn)分子篩吸附劑粉化嚴(yán)重的現(xiàn)象，主要是在管道內(nèi)壁及閥門的死點(diǎn)粘附大量的吸附劑粉塵，后續(xù)的動(dòng)設(shè)備緩沖罐內(nèi)部也堆積有大量的粉塵。吸附劑粉化會(huì)導(dǎo)致吸附劑床層下降，由于吸附塔上部格柵板隨交變氣流做活塞運(yùn)動(dòng)，從而造成格柵板損壞。同時(shí)粉化的吸附劑在氣流作用下對(duì)程控閥造成嚴(yán)重沖刷，引起閥門頻繁內(nèi)漏，嚴(yán)重時(shí)甚至造成裝置的停車。吸附劑粉末進(jìn)入后續(xù)設(shè)備，還會(huì)導(dǎo)致動(dòng)設(shè)備備件壽命大幅下降、加大檢修難度。所以說，吸附劑粉化嚴(yán)重影響了裝置的安全運(yùn)行。

1 工藝概述

來自界外的原料氣（壓力3.2 MPa、溫度≤40 ℃），首先進(jìn)入氣液分離器，分離出氣體中夾帶的游離水后，經(jīng)流量計(jì)量系統(tǒng)（FIQ-12101）計(jì)量后進(jìn)入PSA-CO2/R 工序。其中，較弱吸附組分如H2、CO、N2等多數(shù)穿過吸附床層，稱為半產(chǎn)品氣，送入PSACO 工序提純CO；較強(qiáng)吸附組分如CO2、CH3OH 及部分CH4、N2等雜質(zhì)被停留在吸附劑上，并隨降壓、沖洗等再生過程從吸附劑上解吸出來，稱為解吸氣，輸出界外（圖1）。

圖1 工藝流程

半產(chǎn)品氣經(jīng)半產(chǎn)品氣緩沖罐（T12101）緩沖混合后送入PSA-CO 工序，在PSA-CO 中吸附劑對(duì)H2、N2、CH4等吸附量小于CO 的組分從吸附塔出口放出，此吸附廢氣進(jìn)入粗氫氣緩沖罐（T12301），作為PSA-H2的原料氣；從吸附塔底部逆放和抽空得到的產(chǎn)品氣，從產(chǎn)品氣混合緩沖罐（T12204A、T12204B）出來的氣體分為兩路，一路作為產(chǎn)品氣輸出界外，另一路經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)（B12201A、B12201B）加壓至0.05 MPa 作為置換氣，進(jìn)入PSACO 吸附塔進(jìn)行置換，將吸附床層中殘留的雜質(zhì)組分用CO 替換出來，而從吸附塔上端出來的置換廢氣進(jìn)入中間罐（T12201A、B12201B），一部分用作PSA-CO 吸附塔的升壓、一部分通過新加管線至E12301 解吸氣加熱器，與三區(qū)沖洗氣經(jīng)過解吸氣加熱器E12301 加熱后用作PSA-CO2/R 的沖洗氣。

2 吸附劑的型號(hào)及各區(qū)裝填量

（1）PSA-CO2吸附塔的直徑為2.6 m，吸附劑裝填容積38 m3，裝填高度7.160 9 m，單塔吸附劑用量31.55 t，共14 臺(tái)，吸附劑總用量為441.7 t，相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 PSA-CO2 吸附塔的相關(guān)工作參數(shù)

（2）PSA-CO 吸附塔的直徑為3.4 m，吸附劑裝填容積102 m3，裝填高度11.240 1 m，單塔吸附劑用量77.60 t，共16 臺(tái)，吸附劑總用量為1241.6 t，相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 PSA-CO 吸附塔的相關(guān)工作參數(shù)

（3）PSA-H2吸附塔的直徑為2.4 m，吸附劑裝填容積30 m3，裝填高度7.222 8 m，單塔吸附劑用量22.83 t，共12 臺(tái)，吸附劑總用量為275.76 t，相關(guān)參數(shù)見表3。

表3 PSA-H2 吸附塔的相關(guān)工作參數(shù)

3 吸附劑粉化的原因分析

3.1 吸附劑的質(zhì)量

吸附劑一般要求抗壓強(qiáng)度大于20 N，磨損率小于0.5%。只有強(qiáng)度達(dá)到這個(gè)要求，才能承受床層自身的重量和氣流壓降所施加的壓力，同時(shí)承受切換時(shí)的氣流沖擊而不粉化。由于使用單位沒有檢測(cè)吸附劑的專用分析檢測(cè)設(shè)備，很容易選用不符合使用條件的吸附劑，導(dǎo)致吸附劑在使用后發(fā)生粉化。

3.2 工藝原因

（1）由于檢測(cè)分析方法較為簡(jiǎn)陋，未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)換熱器發(fā)生泄漏會(huì)導(dǎo)致水進(jìn)入吸附劑，從而造成吸附劑的破壞、粉化。

（2）由于工藝設(shè)計(jì)的不合理，均壓方式與吸附時(shí)序存在設(shè)計(jì)缺陷，吸附塔內(nèi)壓力變化梯度過大，造成吸附劑粉化。

（3）裝填方式錯(cuò)誤。例如裝填吸附劑時(shí)未采取有效的防潮措施，造成吸附劑與空氣中的水分結(jié)合粉化。

（4）受吸附塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和裝填方式的限制，吸附塔頂部不可避免會(huì)有一些死空間，隨著往復(fù)氣流的循環(huán)沖擊，吸附劑在吸附塔內(nèi)存在跳動(dòng)現(xiàn)象，從而引起吸附劑的磨耗，同時(shí)隨著磨耗產(chǎn)生的粉塵流出使空隙變大，就這樣形成惡性循環(huán)，造成吸附劑的大量粉化。

4 減輕吸附劑粉化危害采取的措施

4.1 常規(guī)措施

（1）裝填吸附劑應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行裝填方法及保護(hù)方案，對(duì)吸附劑的堆密度及裝填前后的保護(hù)措施嚴(yán)格要求。

（2）變壓吸附裝置中介質(zhì)是一個(gè)循環(huán)利用的系統(tǒng)，其中有一些換熱器，如置換氣換熱器、沖洗氣換熱器等，工藝氣經(jīng)過這些換熱器升溫或降溫后還要進(jìn)入吸附塔，而換熱器一旦發(fā)生泄漏，即使漏量很小，泄漏的水分也會(huì)對(duì)吸附劑造成極大損害。這就需要加強(qiáng)對(duì)這些換熱器的泄漏檢測(cè)，通常采取的方法就是在這些換熱器后加裝露點(diǎn)儀，發(fā)現(xiàn)換熱器泄漏后及時(shí)停車處理。

（3）為降低吸附塔內(nèi)均壓壓力過高的問題，在PSA-CO2的工段7 和工段8 均壓閥前設(shè)置限流孔板，從而降低流速、降低吸附劑的粉化。限流孔板數(shù)據(jù)由設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)人員經(jīng)計(jì)算給出。

（4）在PSA-CO 工段的順放氣管線加裝調(diào)節(jié)閥，降低原有的順放氣壓力釋放速度，避免分子篩的順放壓力大幅波動(dòng)，減緩PSA-CO 吸附劑的粉化速度。

4.2 裝置優(yōu)化

以上這些措施可以減慢吸附劑的粉化速度，但是無法避免吸附劑的進(jìn)一步粉化。經(jīng)過對(duì)近幾年的吸附劑沉降情況檢查，發(fā)現(xiàn)PSA-CO 吸附劑磨損情況最為嚴(yán)重，這些粉化的吸附劑通過PSA-CO 工段至PSA-CO2/R 工段的沖洗氣管線進(jìn)入吸附塔頂部。一部分粉塵隨著氣流穿過吸附塔進(jìn)入解吸氣壓縮機(jī)，一部分留在吸附器頂部，造成床層的壓差增大，需要每年定期清理，造成大量的人力物力損耗。還有一部分隨著PSA-CO2/R 工段吸附塔吸附工段時(shí)進(jìn)入PSA-CO 工段并吸附在塔底部堆積，當(dāng)吸附塔抽空工段時(shí)隨氣流進(jìn)入后續(xù)動(dòng)設(shè)備，這些在管道中留存的吸附劑粉塵加劇了程控閥的內(nèi)漏及動(dòng)設(shè)備易損件的損耗。

根據(jù)吸附劑沉降情況檢查，吸附劑粉塵主要由PSA-CO 工段吸附塔頂部產(chǎn)生，這一部分粉塵通過到PSA-CO2/R 工段的沖洗氣管線進(jìn)入PSA-CO2/R 工段吸附塔頂部，所以在這一條工藝管線上設(shè)置一套過濾裝置：自帶反吹系統(tǒng)和一臺(tái)反吹儲(chǔ)罐；反吹介質(zhì)為溫度40 ℃、壓力0.3～0.5 MPa 的脫碳?xì)猓豢刂葡到y(tǒng)由DCS 控制，反吹閥為電磁閥，壓差為5 kPa。該裝置工藝工作條件為低壓（≤0.15 MPa），正常工作0.09 MPa 左右，過濾吹灰系統(tǒng)采取密閉形式，定時(shí)人工將過濾的粉塵卸出。

5 吸附劑裝填的注意事項(xiàng)

（1）整個(gè)裝填過程中，要注意防雨防潮?？諝鉂穸容^高時(shí)，在進(jìn)行裝填前，不要打開吸附劑的包裝，如遇雨天，要立即停止裝填。裝填過程中斷時(shí)，吸附器的人孔、所有裝填用設(shè)備及未裝填的吸附劑必須用塑料薄膜或防水雨布覆蓋好。

（2）吸附劑的裝填應(yīng)當(dāng)快速進(jìn)行，凡打開密封的吸附劑應(yīng)在5 min 內(nèi)裝入吸附塔，盡可能減少暴露在空氣中的時(shí)間，以免吸潮。

（3）裝填時(shí)應(yīng)采用裝有長(zhǎng)條布的漏斗，以盡量低的位置卸入，以免損壞吸附劑。

（4）裝填時(shí)吸附劑要分散傾倒均勻布撒，然后用木板輕輕刮平，視吸附塔的大小在裝填一定高度就進(jìn)行扒平。

（5）裝填過程中必須采取措施使各吸附塔中的吸附劑裝填密度、裝填量基本相同，不同批次的吸附劑最好能做到各塔平均裝填。

（6）裝填完畢后，應(yīng)立即封閉吸附塔大蓋及關(guān)閉所有連通閥，并充氮?dú)獗Ｗo(hù)，組織氣密性實(shí)驗(yàn)及吹掃粉塵。

（7）整個(gè)裝填過程應(yīng)做好詳細(xì)的裝填記錄，包括吸附劑的規(guī)格、型號(hào)、數(shù)量、高度等。

（8）裝置每運(yùn)行一定周期后，根據(jù)吸附劑下沉情況盡可能多地補(bǔ)充吸附劑，減少其在吸附塔內(nèi)的活動(dòng)空間。

6 總結(jié)

通過在裝置運(yùn)行前后采取的一系列措施，有效降低了吸附劑的粉化速度，通過粉塵過濾裝置降低系統(tǒng)內(nèi)吸附劑的粉塵含量，從而大幅提高程控閥和動(dòng)設(shè)備備件的使用壽命，保證裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行。