变压吸附制CO装置吸附剂粉化的原因及治理

刘杰(中国石化长城能源化工(贵州)有限公司，贵州 贵阳 550081)

摘要：某公司煤制乙二醇装置采用变压吸附制取一氧化碳，在装置运行过程中出现吸附剂大量粉化现象。文章通过分析吸附剂粉化现象及影响因素，在经过大量实践攻关采取相对应措施后，有效抑制了吸附剂继续粉化的趋势。

关键词：煤制乙二醇；变压吸附；一氧化碳；吸附剂粉化

0 引言

       某公司依托原有煤气化装置，新建一套20万t/a煤制乙二醇装置，其中变压吸附单元由一氧化碳粗分(PSA-1)、氢气提纯 (PSA-2)、一氧化碳提纯(PSA-3)和大分子脱除(TSA)4个工序组 成。自开车以来，一氧化碳提纯(PSA-3)吸附剂就不断粉化；吸附塔床层压差逐渐增大，产品CO产量下降以及CO中H₂含量超 标，严重影响装置的长周期稳定运行。通过分析吸附剂粉化现象及影响因素，在经过大量实践攻关采取相对应措施后，有效抑制了吸附剂继续粉化。

1 变压吸附制CO装置工艺流程

       变压吸附单元由PSA-1、PSA-2、PSA-3及TSA四部分组成。由煤气化送来的未变换净化气经PSA-1吸附后，吸附尾气从塔 顶到PSA-2制氢，解析气经过逆放和抽真空从塔底流出，经压缩后作为PAS-3的原料气。在PSA-3吸附塔中，CO被吸附剂吸附，吸附尾气从塔顶流出进入燃料气管网，解析气经过逆放和抽真空从塔底流出，经过压缩后作为CO产品气到偶联单元。

2 吸附剂粉化现象及不良影响

2.1 压缩机干气密封过滤器堵塞

       在装置投用一个月后，产品CO压缩机干气密封过滤器压差逐渐升高，造成密封气压力偏低，影响装置安全稳定运行。检查发现由于吸附剂粉尘堵塞，引起干气密封过滤器压差升高。在更换过滤器滤芯后，只能维持半个月生产运行，频繁切换清理滤芯在增加检修费用的基础上还对生产造成不稳定因素。

2.2 压缩机段间换热器堵塞

       在装置开车运行一个月后，发现产品CO压缩机段间入口温度不断升高，出口温度同步升高；特别是压缩机三段及四段，温度上升速度尤其明显。进、排气温度过高，降低压缩机打气量，影响压缩机效率及机组长周期运行。机组停车后对段间换热器打开检查，发现换热器气管程和封头以及管道均有大量吸附剂粉灰。

2.3 真空度下降

       PSA-3吸附塔在抽真空完毕后设计压力为-0.08～0.09 MPaG，随着生产运行PSA-3吸附塔的抽真空效果逐渐变差且各吸附塔之间差异较大。吸附塔真空最好仅为-0.055MPaG，最差只有-0.027MPaG。吸附塔抽真空效果差，导致吸附剂解吸不彻底。

2.4 床层压差增大

       选取PSA-3进气压力与PSA-3吸附尾气压力，对比相同负荷下投产初期与投产一段时间后吸附塔前后压差。投产初期吸附塔在吸附状态下，吸附塔前后压差为20～30kPa，一段时间后吸附塔前后压差增大到40～50kPa。相同吸附塔床层压差随着时间推移在增大，且不同吸附塔床层之间压差存在较大差距。

2.5 装置负荷难以提升

       在未变换气中CO浓度相近的条件下，产量只能达到设计负荷的91%，收率从设计92% 降低到88%，并且CO产品中氮气含量及氢气含量持续升高。综上所知，因PSA-3吸附剂粉化，吸附塔床层阻力增大，抽真空效果差，吸附剂解吸不彻底，从而导致吸附剂吸附容量、产品质量及收率下降。

3 吸附剂的粉化原因

3.1 吸附剂自带粉尘

       变压吸附剂在生产、运输、装填过程中，由于碰撞、磨损会产生一部分粉尘。正常情况下这种粉尘随着生产的运行，会随工艺气带出系统而逐渐减少。但是本装置吸附剂粉尘随着装置的运行，不仅没有得到缓解反而不断恶化，因此吸附剂粉尘不仅仅是吸附剂自带的。

3.2 吸附剂装填设计安装问题

       在吸附塔内，随着往复气流的循环冲击，吸附剂蠕动、磨耗而出现小缝隙，从而出现了跳动的空间，跳动加剧了吸附剂的磨耗。且受设计工艺和装填方式的限制，吸附剂装填后多少都 会留下一定的死空间，这给吸附剂的蠕动提供了更大几率^[1-2]。 PSA-3吸附剂装填完毕后，采用瓷球压紧格栅板的方式尽量减小吸附剂之间产生间隙。大修期间打开PSA-3吸附塔，瓷球发生不同程度沉降和倾斜。经抽除顶层瓷球，发现格栅板发生倾斜，如图1所示。

图1 格栅板倾斜

       经检修拆解发现，由于上部格栅板制造精度较差，卡在吸附塔筒体上，格栅与吸附剂床层之间产生间隙，未能随吸附剂自然沉降而下沉。在均压等气流冲刷过程中未能保持吸附剂床层稳定，从而加剧粉尘的产生。

3.3 原料气中带甲醇

       分别检测PSA制CO流程不同位置工艺气中甲醇含量，未变换气中微量甲醇进入PSA-1后，解吸出来的PSA-3原料气中甲醇浓度高于未变换气，而PSA-3吸附尾气及产品气中甲醇含量均低于PSA-3原料气中甲醇含量，说明甲醇在PSA-3吸附剂中存在富集现象。大修期间，对PSA-3吸附塔不同床层高度吸附剂进行取样化验，分析吸附剂中甲醇含量，上层、中层、下层 吸附剂甲醇含量分别为600×10^-6 、800×10^-6 、950×10^-6 ，而新鲜吸附剂则不含甲醇。PSA-3吸附剂对甲醇有很强吸附性且不易解吸出来；原料气从塔釜进气，所以吸附剂床层中吸附甲醇含量从塔顶至塔釜逐渐递增。未变换气在正常工况时，携带有100×10^-6以下的甲醇，经过PSA-1富集以后进入PSA-3。PSA-3吸附剂吸附甲醇后，吸附剂强度大幅降低，在生产过程中随着气流的上下蠕动发生粉化。

3.4 操作时间过短，床层冲击较大

       由于PSA-3吸附剂粉化，吸附塔床层阻力增大，抽真空效果差，吸附剂解吸不彻底，导致吸附剂吸附容量下降。因吸附容 量下降，不得不采取缩短操作时间以提高产品产量。操作时间缩短后，吸附、均压、置换及抽真空等过程均不能平稳进行。吸 附塔终充步骤结束后压力偏低，未达到吸附压力，在吸附塔切入吸附瞬间，对吸附剂床层冲击过大。且因均压时间缩短，均压结束后塔压偏高，置换效果差，导致产品气中氢气含量以及氮 含量偏高。如此反复，形成恶性循环。

3.5 换热器泄漏，系统带水

       装置投产1年后，PSA-3在线水分析仪上涨，装置紧急停车 后发现换热器存在泄漏。本次泄漏虽然对吸附剂有一定损害， 但发现及时泄漏时间较短，且吸附剂大量粉化早于换热器泄漏时间，所以换热器泄漏并不是吸附剂大面积粉化主要因素。

4 整改措施

4.1 更换少量粉化严重吸附剂

       由于吸附剂粉尘集中于吸附塔底部，大修期间将底部粉化 严重区域吸附剂祛除，补充为新鲜吸附剂，底部粉化区域见图2。

图2 吸附塔底部粉化吸附剂

       将底部粉化严重区域吸附剂更换以后，能够确保吸附塔床层阻力下降，变压吸附程序中均压、抽真空等过程顺利进行，有利于吸附剂解吸。

4.2 修整格栅板

       对格栅板进行修整，直径由2980mm减小至2960mm。同时将格栅板上沿安装在吸附塔筒体环焊缝以下，避免格栅板与 焊缝之间卡死。经过修整后格栅板能够随吸附剂床层下沉而下沉，避免出现活动空间使得吸附剂在气流冲击下产生蠕动。

4.3 未变换气预处理

       在未变换气进入PSA-1之前新增变温吸附TSA，彻底脱除未变换气中微量甲醇，避免微量甲醇在PSA-3吸附剂中累积，影响吸附剂强度。

4.4 优化操作

       在更换部分吸附剂以后，通过尽量延长操作时间，配合适当降低置换气量，以提高产品产量及质量；又由于操作时间的延长，均压及抽真空等过程能够达到良好状态，降低吸附塔切 换过程中的压差，避免气流大幅冲刷吸附剂床层，有效延缓吸附剂的粉化。

4.5 加强设备管理

       每年对所有相关换热器进行涡流检测及充压查漏，对有泄漏或腐蚀减薄换热器及时进行检修、更新及预防性检修，确保设备完好性。日常生产过程中加强对在线水分析仪的监控，确保工艺气系统处于干燥环境。

4.6 增加布袋除尘器

       在产品气压缩机一段出口增加布袋除尘器，将产品气中吸附剂粉尘进行祛除，避免粉尘堵塞压缩机段间换热器，保护压 缩机组干气密封过滤器，保证了产品气压缩机组长周期运行。

5 效果

       经过系列技改措施后，吸附塔床层阻力明显下降，吸附剂粉尘携带量持续减小，CO产品产量及质量大幅提高，具体对比如表1及表2所示。

       经过各项技改技革，布袋除尘器过滤粉尘量大幅降低，吸附塔床层真空度有大幅提升；CO产品产量提高了2250Nm³ /h， 产品CO中氮气含量及氢含量大幅下降，提高了乙二醇装置负荷，降低了偶联装置副产物生成，降低了乙二醇装置综合能耗。

6 结语

        吸附剂制造过程中本身就携带一定粉尘，且在装填完毕后随着气流冲刷会逐渐夯实产生自然沉降。由于压紧格栅板精度及安装问题，未能跟随吸附剂床层下沉，从而产生活动空间。未变换气中甲醇累积或检测不及时以及工艺气带水，会导致吸附剂强度下降及粉化。同时由于床层阻力的增大、操作时间的缩短，产生恶性循环，加剧了吸附剂粉化。通过对更新少量新剂、对格栅板进行整改、新增未变换气预处理装置，同时优化工艺操作及加强设备管理，PSA-3吸附剂粉化得到了有效控制，粉尘携带量逐渐降低，PSA-3制CO装置能够长周期稳定运行。

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