PSA提氫裝置運行過程中出現(xiàn)的問題及解決措施

(河南龍宇煤化工有限公司，河南 永城 476600)

變壓吸附(PSA)技術是近30年發(fā)展起來的一項新型氣體分離與凈化技術，隨著PSA技術的發(fā)展，其在大型化工中的應用越來越廣泛。PSA技術之所以能實現(xiàn)氣體分離，是由于吸附劑在物理吸附過程中所具有的兩種基本性質(zhì)：一是對不同吸附組分的吸附能力不同；二是被吸附介質(zhì)在吸附劑上的吸附量隨介質(zhì)的分壓上升而增加。利用此性質(zhì)實現(xiàn)吸附劑在高壓下吸附、在低壓下解吸，達到吸附劑再生循環(huán)、連續(xù)分離氣體的目的。

1 PSA提氫裝置運行概況

河南龍宇煤化工有限公司(以下簡稱河南龍宇)的PSA提氫裝置是20萬t/a煤制乙二醇項目的配套裝置，為乙二醇提供合格的氫氣。從低溫甲醇洗出來的凈化氣首先進入深冷分離裝置，從深冷分離過來的富氫氣(溫度30 ℃，壓力3.0 MPa)再進入PSA裝置。PSA裝置采用15-2-2-7/V 工藝，即15臺吸附塔、2 臺吸附塔同時進料吸附，2臺吸附塔同時進行預吸附，經(jīng)過7次均壓，采用抽空工藝。該裝置采用串吸工藝，即從吸附塔頂部出來的氣體進入另一吸附塔進行預吸附，預吸附后的氣體作為產(chǎn)品H2，進入乙二醇裝置。

2 PSA裝置運行存在的問題及解決措施

2.1 程控閥存在的問題及解決措施

2.1.1存在的問題

(1)程控閥中封面大量泄漏。在氣密過程中，發(fā)現(xiàn)程控閥中封面存在大量的泄漏，程控閥結(jié)構(gòu)見圖1、圖2。程控閥為了減小部分閥座的壓差，閥門設置平衡缸，平衡缸的上下部通過O形圈進行密封。

圖1 程控閥結(jié)構(gòu)

圖2 程控閥結(jié)構(gòu)

(2)程控閥氣缸串氣。裝置在運行過程中，發(fā)現(xiàn)有些程控閥不能正常開關，切塔檢查發(fā)現(xiàn)，由于程控閥氣缸串氣造成儀表空氣壓力不足，致閥門無法正常開關。經(jīng)拆檢發(fā)現(xiàn)，氣缸內(nèi)銹蝕嚴重，氣缸密封面磨損。由于氣缸內(nèi)的鐵銹在運行中被帶入電磁閥，也造成部分電磁閥運行故障[1]。

(3)程控閥閥芯脫落。程控閥在運行過程中，突然出現(xiàn)閥門開關正常，但吸附塔壓力沒有變化的情況。停車拆檢發(fā)現(xiàn)，程控閥閥桿底部的固定銷釘斷裂，閥芯脫落，造成程控閥無法打開。裝置運行以來，共出現(xiàn)5個程控閥閥芯脫落的情況。

2.1.2原因分析

(1)由于程控閥中封面O形圈偏小，與平衡缸的密封槽不匹配，造成泄漏。經(jīng)更換O形圈后，泄漏仍不能完全消除，還存在大量的中封面泄漏的情況。其原因是雖然更換了O形圈，但尺寸沒有變化，沒有從根本上消除泄漏隱患。

(2)停車期間，由于裝置的氣缸密封圈密封不嚴，氣缸內(nèi)進水腐蝕，造成密封面磨損。同時，由于設計時有注油設置(在儀表空氣中注入潤滑油，防止氣缸腐蝕)，因注油設施故障停用，造成氣缸腐蝕。

(3)由于裝置安裝運行時間較長，程控閥動作頻繁，造成底部的固定銷釘斷裂。另外，由于程控閥儀表空氣壓力太高，造成閥門開關時沖擊力大，對固定銷釘磨損大，也可能造成固定銷釘斷裂。

2.1.3解決措施

(1)經(jīng)過實驗，在中封面處增加石墨墊片，石墨墊片中帶有鋼環(huán)，以增加石墨墊片的強度；在平衡缸上下部各增加一個石墨密封墊片。改造后效果顯著，中封面的泄漏完全消除。石墨墊片成本低，效果好，裝置運行將近2年，再沒發(fā)現(xiàn)泄漏。

(2)裝置停車期間，檢查氣缸密封圈，更換有泄漏的密封圈，防止氣缸內(nèi)進水。同時取消儀表空氣的注油設施，在氣缸內(nèi)涂抹高效潤滑脂，對氣缸進行潤滑。經(jīng)過整改后，解決了程控閥串氣的問題。

(3)在裝置大修期間，更換全部程控閥閥桿底部的固定銷釘。同時，將儀表空氣壓力從0.8 MPa調(diào)整到0.6 MPa。此后，裝置運行近1年多，沒有再出現(xiàn)閥芯脫落的情況。

2.2 真空泵存在的問題及解決措施

2.2.1存在的問題

(1)河南龍宇共有5臺Y字形雙缸真空泵，型式為WLW-2400型，打氣量2 400 L/s。PSA裝置真空泵設計溫度小于120 ℃，但實際運行溫度最高可達170 ℃以上。為了降低排氣溫度，將其中一臺真空泵循環(huán)水回水改為直排，效果不明顯。為了達到抽真空的效果，采用了3臺泵抽真空運行，但排氣溫度也很快漲到160 ℃以上。減少真空泵的運行臺數(shù)后，排氣溫度也隨之下降到150 ℃左右。開啟臺數(shù)越多，出口溫度越高[2]。

(2)真空泵運行以來，共發(fā)現(xiàn)2次漏氣問題，全部是入口氣體漏入曲軸箱內(nèi)，有明顯的聲響。

2.2.2原因分析

(1)經(jīng)分析，排氣溫度高的主要原因是氣缸水夾套循環(huán)水設計流量偏小，換熱效果差，造成出口溫度高。

(2)經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)真空泵一側(cè)的檢查口內(nèi)部有近50 mm的裂紋，氣體通過裂縫漏入曲軸箱內(nèi)。檢查其他真空泵，發(fā)現(xiàn)另外一臺存在同樣的問題，只是裂紋較小。

2.2.3解決措施

(1)在保證抽空效果的前提下，盡量減少啟動真空泵的臺數(shù)，確保真空泵排氣溫度在160 ℃以下。

(2)在真空泵循環(huán)回水的每個支管最高點增加排氣閥，減少氣阻造成的循環(huán)水流量不足的情況。

(3)更換真空泵的氣閥閥片彈簧，將原來的氣閥閥片、彈簧由碳鋼材質(zhì)更換為不銹鋼，氣閥密封墊由四氟墊更換為鋁墊。

采取以上措施，問題雖然沒有得到徹底解決，但氣閥溫度高的問題得到了緩解，能保證裝置的正常運行。

(4)采用金屬修復劑修復內(nèi)裂紋較小的真空泵，真空泵運行大半年，運行正常。另外一臺真空泵，通過與廠家溝通，已沒有修復可能，因此對整個機身進行更換。

2.3 切塔程序存在的問題及解決措施

當某吸附塔上的程控閥因外部元件故障導致程控閥不能開關時，程序可由15塔方式運行切換為14塔方式運行，即切出有故障的一個塔，切換后處理原料氣負荷將有少量變化，同時氣體回收率也會略有降低，切換過程中所處步序的時間可根據(jù)具體情況進行一定的調(diào)整。故障處理完后，再手動由14塔方式切回15塔方式運行。

若在14塔運行過程中，又有某臺吸附塔的程控閥門出現(xiàn)故障，程序可由14塔方式運行切換為13塔方式運行。此時必須盡快處理故障閥門，并把程序切回到15塔運行。

2.3.1存在的問題

(1)切塔后壓力波動，導致程控閥打不開。在15塔程序運行過程中出現(xiàn)KV16N故障，操作人員采取切塔措施，把N塔切出，程序切換為14塔方式運行。A塔的運行步驟由E6D變?yōu)镈， 此時A塔壓力為0.46 MPa，由于在逆放步驟設置有壓力聯(lián)鎖，壓力高于0.4 MPa時，逆放閥KV16不允許打開，出現(xiàn)程序運行不正常的現(xiàn)象。此時，操作人員只能把程序停止，進行手動泄壓處理。

(2)切塔步驟設置時間太短。對一臺吸附塔來說，一個循環(huán)周期就是指該吸附塔從吸附開始，經(jīng)過泄壓再生以后，到再次開始吸附的過程。步位是循環(huán)周期的程序基本單位，15塔運行時，一個循環(huán)周期由15個分周期組成，而一個分周期由5個步位組成，每一步位的時間由步位定時器或吸附時間決定。其中，每一周期的第1、3、5步為閥門開關時間，每步程序設置為2 s，2、4步為程序運行時間，根據(jù)裝置運行負荷可以進行調(diào)整。

在B塔沖洗一(P1)步驟結(jié)束后，KV15B程控閥故障關不住，中控人員采取了切出B塔的操作，導致E5R、E4R、E3R(1.75 MPa)的氣體串入低壓系統(tǒng)，造成逆放氣緩沖罐超壓。此問題主要是由于程序切塔步驟只在每周期的第1步或第3步，切塔時間太短，一旦錯過了該步驟，就要再等一個周期，高壓氣體就會串入低壓系統(tǒng)，造成超壓的風險。

(3)程序不能自動切塔。由于PSA裝置程控閥多，出現(xiàn)故障的程控閥如不及時處理很容易串壓，甚至造成裝置停車。目前在裝置運行過程中，如果程控閥故障，采取手動切塔來切除故障程控閥所在的吸附塔。手動切塔需要操作人員判斷準確、切塔及時，對其專業(yè)素養(yǎng)要求非常高。為了減少人為判斷的失誤，決定采取自動切塔的方式。

2.3.2原因分析

(1)由于在切塔步驟和壓力聯(lián)鎖之間存在沖突，造成程序不能正常運行。程序進行切塔后，各塔的運行壓力與切塔之前有波動，造成其不能正常運行。

(2)切塔步驟設置不合理，切塔時間太短。

(3)由于設計未考慮操作的難度和人為判斷造成的風險，導致不能準確及時地切塔。

2.3.3解決措施

(1)由于逆放步驟的低壓聯(lián)鎖值設置不合理，造成切塔后逆放步驟的程控閥打不開。經(jīng)過論證，把逆放步驟的聯(lián)鎖改為0.6 MPa，使問題得以解決。

(2)要增加切塔時間，程控閥出現(xiàn)問題后能立即切塔。經(jīng)過調(diào)整，把切塔步驟設置在每周期的第2步或第4步。當需要切塔時，能在最短的時間內(nèi)把問題吸附塔切出。

(3)首先有自動切塔的判斷條件，自動切塔應具備的條件如下：①吸附塔壓力報警已投用，且吸附塔壓力出現(xiàn)報警；②出現(xiàn)壓力報警的吸附塔對應的程控閥出現(xiàn)故障(閥檢判斷)，只有同時具備以上兩個條件，吸附塔才能自動切出。自動切塔最多只能切出4個塔，此后，切塔運行模式會自動進入“手動切換”，吸附塔的切入需要在手動狀態(tài)下進行。經(jīng)改進后，程控閥自動切塔運行正常，能快速切出程控閥異常的吸附塔，減少了人為判斷造成的失誤。

3 結(jié)語

PSA提氫裝置運行以來，出現(xiàn)了一系列的問題，通過分析判斷，提出了切實可行的解決措施，使影響裝置運行的問題基本得到解決，為裝置長周期、穩(wěn)定運行打下了良好的基礎。