變壓吸附裝置原料氣工藝路線優化改造小結

申 曌，許志紅，李俊杰，薛科科

（新鄉中新化工有限責任公司，河南獲嘉 453800）

0 引 言

新鄉中新化工有限責任公司（簡稱中新化工）200kt／a煤制乙二醇項目屬河南能源化工集團化工產業重點項目。所配套的變壓吸附（PSA）裝置為乙二醇裝置提供原料氣——CO和H2（CO純度≥98.5%、H2純度≥99.9%），由北大先鋒科技有限公司（簡稱北大先鋒）設計。PSA裝置前期運行期間存在CO產品氣純度不能滿足乙二醇生產所需且CO產品氣中甲烷含量高的問題，由于甲烷會與乙二醇合成氣中的亞硝酸甲酯氣體形成同分異構體——硝基甲烷，不僅使乙二醇羰化合成系統放空量大，而且給系統的運行帶來很大的安全隱患，后經北大先鋒二次改造，將CO吸附劑由5A分子篩更換為銅基吸附劑后，解決了CO產品氣純度低及甲烷含量高的問題，但又帶來了CO產品氣收率低、解吸氣氣量大等新問題。為解決這些問題，改善系統運行狀況，中新化工對PSA裝置陸續實施了部分優化改造，取得了較為明顯的效果，以下對有關情況作一總結。

1 PSA裝置工藝流程簡介

2臺投煤量750t／d的航天爐生產的粗煤氣，經變換系統進行CO部分變換后入低溫甲醇洗系統脫碳（CO2＜50×10-6），之后進入PSA裝置預處理系統。在PSA預處理系統內，原料氣經氣液分離器分離液滴后，由頂部進入吸附塔，脫除原料氣中微量甲醇、水分和CO2后從吸附塔底部排出，再經原料氣加熱器加熱至70℃左右后送PSA-CO系統。變溫預處理系統采用兩塔流程，沖洗氣來自PSA-H2系統的逆放氣和PSACO系統的置換尾氣，沖洗后的氣體經預處理解吸氣冷卻器冷卻后進入解吸氣緩沖罐，經解吸氣壓縮機升壓后送往中新化工甲醇合成系統。

PSA-CO系統的任務主要是將預處理系統來的凈化氣中CO濃縮至純度達99.3%以上。PSACO系統設計為4臺吸附塔同時吸附、8次均壓、抽真空流程。氣體從吸附塔（T-2001A～T）底部進入，從吸附塔頂部流出，CO被吸附劑選擇性吸附，經降壓置換后進行逆放，逆放前期逆放氣進入逆放氣緩沖罐，逆放后期經真空泵抽真空后的CO氣送入CO產品氣緩沖罐，同時吸附劑得到徹底再生；PSA-CO順放氣經順放氣緩沖罐送至PSA-H2系統抽真空緩沖罐，而后送往解吸氣緩沖罐，經解吸氣壓縮機升壓后送往中新化工甲醇合成系統；PSA-CO吸附尾氣進入吸附尾氣緩沖罐，之后送往PSA-H2系統。

PSA-H2系統的任務是脫除PSA-CO吸附尾氣中的N2、Ar、CH4、CO2等雜質氣體，得到純度99.99%的H2產品氣。在PSA-H2系統，氣體由吸附塔（T-3001A～P）底部進入，從吸附塔頂部流出，氣體中的N2、Ar、CH4、CO2等雜質被吸附劑吸附，合格的H2產品氣進入H2產品氣緩沖罐。

2 PSA裝置二次技改概況

中新化工PSA裝置2011年3月開始施工建設，2012年3月首次試車并一次開車成功。PSA裝置初始設計處理氣量79200m3／h，CO產品氣產量22000m3／h，H2產品氣產量42000m3／h，CO產品氣純度≥98.5% （摩爾分數，下同）。

由于在試生產過程中出現CO產品氣中甲烷含量高和吸附劑泄漏的問題，影響系統自身及下游系統的安全、穩定運行，PSA裝置先后兩次進行技改。鑒于PSA裝置現場位置方面的限制，第二次技改設計處理氣量為63500m3／h，CO產品氣產量17600m3／h，H2產品氣產量35200 m3／h，CO產品氣純度≥99.3%，僅能滿足下游乙二醇裝置80%負荷用氣需求。

2018年3月PSA裝置技改完成后投運，通過不斷地優化調整，二次技改達到了設計要求。但受PSA裝置產能規模限制，吸附劑設計裝填量少，為了獲得更多的CO產品氣，只有增加原料氣進氣量、縮短運行周期，相應地解吸氣量較設計值有較大幅度的增加。

2.1 PSA裝置二次技改前后工藝參數

PSA裝置原始設計參數與第二次技改設計參數的對比見表1，第二次技改后（2019年3月）生產負荷為90%時工藝氣成分見表2。

表1 PSA裝置原始設計參數與第二次技改設計參數的對比

表2 PSA裝置第二次技改后工藝氣成分%

2.2 第二次技改后存在的問題

2.2.1 解吸氣量大

第二次技改設計解吸氣氣量10700m3／h，但從2019年3月份統計數據（表2）看，因CO產品氣收率低，無法滿足下游乙二醇裝置所需，故將系統進氣量由設計值63500m3／h提高至69500m3／h，可得到18000m3／h的CO產品氣量，解吸氣量升至16500m3／h，加上乙二醇裝置返回的解吸氣3000m3／h，總解吸氣量達19500m3／h，解吸氣量遠遠大于設計值；原3臺往復式解吸氣壓縮機兩開一備，現實際需要3臺解吸氣壓縮機（單臺解吸氣壓縮機設計打氣量為6600m3／h）同時運行才能滿足需要，解吸氣壓縮機全開無備，任何一臺解吸氣壓縮機因故障需停機檢修時，不僅會使大量解吸氣 （約6600m3／h）無法回收而放空到火炬管網，造成極大浪費，而且解吸氣放空后間接導致甲醇合成系統氫碳比失調，影響甲醇合成系統的穩定運行、甲醇產量及甲醇合成催化劑的使用壽命。

2.2.2 CO收率低

CO產品氣收率設計值為90%，實際運行中只能達到78%，遠低于設計收率，為滿足外送CO產品氣量要求，只得采取提高進氣中CO含量和增加進氣量兩種方式，由此增加了PSA裝置能耗，縮短了吸附劑的使用周期。

3 PSA裝置原料氣工藝路線優化改造

3.1 優化改造目標

針對PSA裝置存在的上述問題進行研究，擬對其原料氣工藝路線進行如下優化改造：將PSA-CO系統部分順放氣送入PSA裝置原料氣入口，提高系統入口氣中的CO含量，即在不增加原料氣進氣量的情況下，選擇合適的物料路徑，使CO產品氣收率提高至86%以上。如此一來，不僅可減少解吸氣量，在2臺解吸氣壓縮機運行的條件下實現零放空，降低系統能耗，而且可改善甲醇合成系統氫碳比，延長甲醇合成催化劑使用壽命，保障甲醇合成系統的穩定運行。

3.2 工藝氣成分研究

各工藝氣成分分析數據（均值）見表3。可以看出：PSA-CO系統順放氣中CO含量高達49.81% （均值），且其氮氣和甲烷含量都比較低，其組分與PSA裝置原料氣相近、潔凈度高，該部分氣體具備返回PSA裝置入口調節原料氣中CO 含量的條件；而解吸氣中H2含量在68.88% （均值），會導致CO收率低，不適宜作為回流氣（與原料氣混合）。

表3 各工藝氣成分分析數據（均值）

3.3 物料衡算

PSA裝置原料氣工藝路線優化改造物料平衡表如表4。物料衡算顯示，優化改造后，系統入口混合原料中的CO含量為32.31%，解吸氣量可降至9975.20m3／h。

表4 PSA裝置原料氣工藝路線優化改造物料平衡表

3.4 優化改造措施

利用1臺解吸氣壓縮機將部分順放氣加壓后返回PSA裝置入口，由此可減少順放氣排入解吸氣緩沖罐的量、提高PSA裝置入口原料氣中的CO含量。本項目于2018年12月完成，具體優化改造內容如下。

（1）增設PSA-CO系統順放氣緩沖罐去解吸氣緩沖罐管線，使順放氣進入解吸氣緩沖罐，并增設相應的控制閥和自動調節回路，控制進解吸氣緩沖罐的解吸氣量，保證故障狀態下原工藝流程不受影響；解吸氣緩沖罐與原系統連接處增設盲板隔離。

（2）解吸氣緩沖罐出口引管線至解吸氣壓縮機A入口，增設相應的控制閥；解吸氣壓縮機A出口管線增設副線，將回收后的順放氣引至原料氣分離器入口處，原解吸氣壓縮機A出口流程保留，負荷低時順放氣可走原流程。

3.5 優化改造效果

2019年10月12—17日，原料氣氣量69500 m3／h（均值，下同），CO產品氣量18300m3／h，H2產品氣量36600m3／h，解吸氣量14600m3／h；回收乙二醇裝置解吸氣量3000m3／h，回收PSA-CO系統順放氣量6500m3／h；返回甲醇合成系統解吸氣量11100m3／h；CO產品氣收率達86%，達到了優化改造的預期目的。PSA裝置優化改造前后各工藝氣主要成分見表5。

表5 PSA裝置優化改造前后各工藝氣主要成分%

4 結束語

PSA裝置CO產品氣的純度及氣量，是由吸附劑的性質和吸附劑裝填量及原料氣量決定的。PSA裝置二次技改更換為銅基吸附劑后，CO產品氣收率降低而導致解吸氣量增加，中新化工通過對PSA裝置工藝流程和生產過程的研究，將PSA-CO系統部分順放氣并入原料氣中，提高了原料氣中的CO含量，實現了CO產品氣收率的提升，滿足了下游乙二醇裝置高負荷生產所需，解決了PSA裝置解吸氣量大而不得不放空的問題；將順放氣中CO提純作為產品氣、H2作為尾氣回收至解吸氣系統，提高了解吸氣中的H2含量，利于甲醇合成系統氫碳比的優化調整。總之，本次優化改造，提高了PSA裝置CO產品氣收率，避免了解吸氣的放空，優化了甲醇合成系統的氫碳比，助力了整套生產系統的優質運行。