煤制乙二醇凈化工序PSA-CO段提產(chǎn)提質(zhì)優(yōu)化技術(shù)改進(jìn)

孫紀(jì)念

(河南能源化工集團 安化公司，河南 安陽 455133)

安陽化學(xué)工業(yè)集團有限責(zé)任公司(安化公司)20萬t/a煤制乙二醇裝置外圍凈化工序主要任務(wù)是從半水煤氣中提取一氧化碳和氫氣，為乙二醇主裝置提供純度≥98.5%的CO和純度≥99.5%的H2，工藝流程見圖1。

圖1 乙二醇裝置外圍凈化工序工藝流程

乙二醇裝置于2012年10月投產(chǎn)，2015年7月開始組織四機生產(chǎn)，裝置負(fù)荷順利提升至約92%，乙二醇產(chǎn)量達(dá)到560 t/d左右。隨著乙二醇裝置負(fù)荷的不斷提升，PSA-CO段吸附劑粉化現(xiàn)象逐漸增加，吸附劑下沉量大，吸附塔抽真空效果差，CO產(chǎn)品氣氣質(zhì)無法滿足生產(chǎn)需求等，嚴(yán)重制約了裝置負(fù)荷的提升。公司對PSA-CO段提產(chǎn)提質(zhì)優(yōu)化技術(shù)改進(jìn)，即采用吸附劑在線無氧處理、PSA-CO段程序優(yōu)化、真空泵技改及置換氣管線改造等。改進(jìn)后，在2018年實現(xiàn)了乙二醇裝置100%負(fù)荷，達(dá)到了裝置的安、穩(wěn)、高、滿、優(yōu)目標(biāo)，解決了系統(tǒng)瓶頸問題。以下是對裝置出現(xiàn)的問題及整改情況進(jìn)行介紹、總結(jié)。

1 PSA裝置工藝流程基本情況

從變換脫硫工序送來的凈化氣進(jìn)入PSA裝置，本裝置由PSA-CO2、精脫硫、PSA-CO和PSA-H24個工序組成。凈化氣首先經(jīng)汽水分離器分離掉水分后進(jìn)入PSA-CO2工序。PSA-CO2流程為：氣體由吸附塔底部進(jìn)入，氣體在吸附塔中自下而上運動，氣體中的CO2等氣體被吸附后，尾氣經(jīng)一段半成品氣緩沖罐進(jìn)入精脫硫塔，脫除氣體中的微量硫(TS≤0.1×10-6)后，經(jīng)一段半成品氣加熱器加熱后進(jìn)入PSA-CO段提純CO。PSA-CO段流程為：氣體由吸附塔底部進(jìn)入，氣體在吸附塔中自下而上運動，CO氣體被PU-1銅基吸附劑選擇性吸附，吸附尾氣從吸附塔頂部排出。經(jīng)過一系列步驟后，吸附塔內(nèi)合格的CO通過逆向放壓和抽真空方式排出吸附塔，進(jìn)入產(chǎn)品氣緩沖罐，一部分CO作為產(chǎn)品輸出，一部分CO經(jīng)壓縮機加壓后進(jìn)入置換氣緩沖罐，用于PSA-CO段吸附劑的置換。PSA-CO段吸附尾氣則通過吸附尾氣緩沖氣罐送往PSA-H2段提純H2，PSA-CO段順放氣送回原料氣柜。PSA-H2段提純H2流程為：氣體由吸附塔底部進(jìn)入，氣體在吸附塔中自下而上運動，N2等雜質(zhì)氣體被吸附劑選擇性吸附，產(chǎn)品H2由吸附塔頂流出進(jìn)入緩沖罐，然后送往后工序。

2 系統(tǒng)運行中存在的主要問題

PSA-CO工序由兩套(東、西系統(tǒng))共24個吸附塔組成，選用北大先鋒科技有限公司自主研發(fā)的PU-1銅基吸附劑。自開車以來，CO產(chǎn)品氣一直存在夾帶PU-1吸附劑粉塵現(xiàn)象。隨著生產(chǎn)負(fù)荷的不斷提升，CO夾帶粉塵現(xiàn)象逐漸加重，真空泵氣閥、活塞環(huán)頻繁故障，CO離心機入口過濾器、段間水冷器嚴(yán)重堵塞，換熱器換熱效果逐漸變差，同時大量粉塵隨輸送管道堆積在乙二醇主裝置脫氫反應(yīng)器及轉(zhuǎn)機中，致使乙二醇脫氫反應(yīng)器阻力上升，增加裝置能耗，2017年系統(tǒng)被迫停車進(jìn)行處理；另外，CO產(chǎn)品氣中有效氣體成分降低，乙二醇合成尾氣系統(tǒng)放空量增加，給安全環(huán)保帶來了較大壓力，必須對PSA-CO提純裝置實施改造。

3 原因分析及方案優(yōu)化

3.1 PU-1吸附劑存在夾帶粉塵現(xiàn)象

CO提純過程中，PU-1銅基吸附劑由于機械強度偏低，且在交變壓力下使用，因此出現(xiàn)粉化情況。因吸附劑粉化，造成部分吸附塔堵塞，吸附塔抽真空效果差。2017年7月起，發(fā)現(xiàn)PSA-CO東系統(tǒng)CO產(chǎn)品氣中H2含量明顯高于PSA-CO西系統(tǒng)，CO產(chǎn)品氣中H2含量高達(dá)0.47%(控制指標(biāo)≤0.3%)，H2含量合格率僅46%。粉塵隨CO進(jìn)入系統(tǒng)中，使真空泵氣閥、活塞環(huán)故障率增加，CO離心機入口過濾器、段間水冷器嚴(yán)重堵塞，換熱器換熱效果變差；同時大量粉塵隨輸送管道堆積在乙二醇主裝置脫氫反應(yīng)器及轉(zhuǎn)機中，威脅裝置安穩(wěn)高滿優(yōu)運行。

PU-1型吸附劑的主要活性成分為銅，能將CO與其他雜質(zhì)氣體較好地進(jìn)行分離，尤其對N2、CH4這些與CO分離系數(shù)接近的氣體能進(jìn)行有效分離。初次使用時銅基吸附劑PU-1主要成分為CuO、CuCl2及Cu2+。此時吸附劑不具備吸附活性，需要利用還原性氣體對吸附劑進(jìn)行升溫還原。由于此類吸附劑為一次還原后不再進(jìn)行更換，直至使用到吸附劑失去活性，故生產(chǎn)上沒有該類型吸附劑發(fā)生泄漏后的處理經(jīng)驗。

優(yōu)化方案：經(jīng)與吸附劑廠家聯(lián)合，決定對裝置實施不停車在線處理PU-I銅基吸附劑；即在線進(jìn)行吸附劑卸出和裝填工作，無需切除PSA-CO東系統(tǒng)，只需將待處理吸附塔從系統(tǒng)運行程序中切除，加盲板與系統(tǒng)有效隔離；然后對待處理的吸附塔進(jìn)行置換，置換合格后，在無氧工況下卸出吸附劑，最后對吸附塔底部分布器絲網(wǎng)進(jìn)行更換。卸出的吸附劑在氮氣保護下每小時進(jìn)行一次測溫，對其加大巡檢監(jiān)控力度。在吸附塔處理結(jié)束后，在氮氣保護下回裝吸附劑，避免遇空氣、氧氣而發(fā)生氧化失去活性；經(jīng)過在線處理吸附劑，解決了該類型吸附劑因強度偏低而造成抽真空抽出粉化問題。吸附劑重新回裝后不需進(jìn)行二次還原，吸附塔可直接并入系統(tǒng)使用；吸附塔切塔處理期間系統(tǒng)負(fù)荷為之前的96.8%，將影響系統(tǒng)負(fù)荷降為最低，避免乙二醇系統(tǒng)因處理吸附塔而造成系統(tǒng)停車。截止目前，PSA-CO工序共處理16臺吸附塔，處理后，抽空度和CO氣量得到明顯提升，有效控制了吸附劑的泄漏及粉化。

3.2 PSA-CO段程序不完善

PSA-CO段裝置由兩套共24臺吸附塔組成，任何時刻均有6臺吸附塔處于吸附步驟，其余各塔處于吸附劑再生過程的不同階段，24臺塔交替工作，從而達(dá)到連續(xù)分離提純CO的目的。在一個周期中每個吸附塔均經(jīng)歷：吸附、2次均壓降壓、順放、置換沖洗、逆向放壓、抽空、置換、2次均壓充壓、終充壓等工藝過程。隨著生產(chǎn)負(fù)荷的提升，順放步驟壓力高、時間長，出現(xiàn)吸附劑被沖刷的問題。

優(yōu)化方案：對PSA-CO段程序進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，在原有的終充壓管線增加24臺程控閥門，實現(xiàn)終充與第三次均壓公用一條管線，將原有的二次均壓調(diào)整為三次均壓，均壓至順放時壓差變小，從而使均壓曲線更趨于平緩，減少了氣體對吸附劑的沖刷。

3.3 真空泵因出口溫度高造成檢修頻繁

因制約裝置負(fù)荷提升的關(guān)鍵點在于CO產(chǎn)品氣氣量和氣質(zhì)上，而對于CO產(chǎn)品氣來說真空泵運行的好壞直接影響其氣量、氣質(zhì)。隨著生產(chǎn)負(fù)荷的不斷提升，CO夾帶粉塵現(xiàn)象逐漸加重，使真空泵氣閥嚴(yán)重堵塞；夏季，PSA-CO段真空泵出口氣體溫度高達(dá)190 ℃(設(shè)計指標(biāo)≤160 ℃)，造成真空泵做功效率低，耗電量高，氣閥等易損件更換頻繁，真空泵檢修工作量大，平均每天檢修2次，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。為此，降低真空泵出口氣體溫度，提升真空泵打氣量及運行周期至關(guān)重要。

優(yōu)化方案：①增加真空泵臺數(shù)。PSA-CO東、西兩套系統(tǒng)各增加一臺真空泵，其型號為4800H和4800Y，增加這兩臺泵后PSA-CO段真空泵有了備泵，真空泵得到有計劃的檢修和維護，抽真空效果較之前明顯提高，CO產(chǎn)品氣氣質(zhì)得到有效改善，氣量也有一定的提升。 ②優(yōu)化真空泵水路。2018年共對13臺真空泵實施了水路改造，即拆下氣閥，拆下Φ32 mm的鍍鋅循環(huán)水管，拆下真空泵上缸蓋和缸體，安裝新型上缸蓋和缸體，更換Φ40 mm的橡膠軟管水管，回裝氣閥，對真空泵進(jìn)行氮氣置換、氣密及試車，試車合格后投入運行。更換新型氣缸體、氣缸蓋后，真空泵水路變寬了，換熱效果好了，氣閥等易損件更換頻次大大降低，也提升了真空泵的打氣量，即提升了CO產(chǎn)品氣氣量。

3.4 置換氣量無法滿足滿負(fù)荷工況下CO產(chǎn)品氣純度要求

原始設(shè)計時PSA-CO段逆放管線與置換管線共用一根管線和一排程控閥，在該管線進(jìn)行逆放時吸附塔置換停止。由于原始設(shè)計時CO產(chǎn)品氣只要求純度≥98%，此設(shè)計方案可滿足要求。但實際運行中CO產(chǎn)品氣純度要求≥98.5%，該設(shè)計方案由于置換時間短，置換不充分，造成CO產(chǎn)品氣純度無法滿足要求。

優(yōu)化方案：增加一條獨立的逆放氣管線和24臺程控閥，將PSA-CO段置換氣管線和逆放氣管線分開，這樣可以連續(xù)進(jìn)行置換，保證了置換時間，置換更充分。改造前PSA-CO段吸附程序為吸附、1次均壓降壓、2次均壓降壓、3次均壓降壓、順放、逆放或置換二選一、抽空、3次均壓升壓、預(yù)吸附、2次均升壓、1次均升壓、終充壓。改造后為吸附、1次均壓降壓、2次均壓降壓、3次均壓降壓、置換沖洗+順放、逆向放壓(增加管線)、抽空、3次均升壓、預(yù)吸附、2次均升壓、1次均升壓、終充壓。經(jīng)過上述改造后，CO產(chǎn)品氣氣量達(dá)到19 900 Nm3/h，H2含量在0.3%以下。

4 優(yōu)化改造效果

經(jīng)過對PSA-CO段提產(chǎn)提質(zhì)優(yōu)化改造后，運行效果顯著，優(yōu)化改造前后分析數(shù)據(jù)對比見表1。

表1 PSA-CO段提產(chǎn)提質(zhì)優(yōu)化前后分析數(shù)據(jù)對比

由表1可以看出，優(yōu)化改造后，在相同或接近的水煤氣氣量下，CO氣量、氣質(zhì)、收率都有大幅度的提升，CO氣量由裝置優(yōu)化前的19 300 Nm3/h提升至19 900 m3/h；CO產(chǎn)品氣中H2含量由裝置優(yōu)化前的0.47%降低至裝置優(yōu)化后的0.08%；產(chǎn)品收率由裝置優(yōu)化前的69.36%增加至裝置優(yōu)化后的75.78%；CO產(chǎn)品氣純度由裝置優(yōu)化前的98.5%提升至裝置優(yōu)化后的99.3%，解決了系統(tǒng)難題，實現(xiàn)了裝置的長周期運行。

無氧工況下對PSA-CO吸附劑卸出處理以及增加真空泵，并對原真空泵水路進(jìn)行改造后，吸附塔抽真空壓力由原來的微正壓降低至-65 kPa以下；夏季，真空泵出口氣體溫度由190 ℃降低至150 ℃；真空泵的運行周期也大大提高，由原來每天檢修2次，延長至3個月檢修一次，最長的達(dá)8個月。

5 經(jīng)濟效益分析

①CO產(chǎn)品氣氣量達(dá)到19 900 m3/h以上，比優(yōu)化前多出600 Nm3/h，全年運行時間按300天計算，負(fù)荷為滿負(fù)荷，每千立方CO產(chǎn)品氣價格按照1 000元計算，年增加利潤432萬元。②吸附劑卸出重新回裝后不需進(jìn)行二次還原，可直接將該吸附塔并入系統(tǒng)使用，避免切除該套系統(tǒng)對該塔進(jìn)行大約5天的升溫還原時間，影響系統(tǒng)負(fù)荷。按乙二醇效益計算，若日產(chǎn)乙二醇600 t，乙二醇成本價格按4 000元/t計算，乙二醇市場價格按4 500元/t計算，5天吸附劑升溫還原時間計算，利潤150萬元。③每年減少水冷器內(nèi)芯清洗5臺次，每臺清洗價格為8萬元，年節(jié)約費用約40萬元。④真空泵檢修頻次由每天2次延長至3個月以上，節(jié)約了維保費用。通過對乙二醇外圍PSA-CO段進(jìn)行優(yōu)化改造，每年產(chǎn)生的經(jīng)濟效益在600余萬元以上，經(jīng)濟效益可觀。

6 結(jié)語

安陽化學(xué)工業(yè)集團有限責(zé)任公司20萬t/a煤制乙二醇裝置在PSA-CO段提產(chǎn)提質(zhì)優(yōu)化技改是成功的，解決了乙二醇外圍凈化工序中出現(xiàn)的CO產(chǎn)品氣夾帶大量吸附劑粉塵，吸附塔抽真空效果差，CO產(chǎn)品氣氣量和氣質(zhì)無法滿足生產(chǎn)需求，系統(tǒng)被迫停車等一系列問題。該成果為煤制乙二醇?xì)怏w凈化工藝提供科學(xué)方法和關(guān)鍵技術(shù)，解決了裝置運行中的瓶頸問題；同時也為同類型企業(yè)、裝置提供一種解決類似問題的思路，供同行業(yè)借鑒。