PSA提氢装置运行过程中出现的问题及解决措施

(河南龙宇煤化工有限公司，河南 永城 476600)

变压吸附(PSA)技术是近30年发展起来的一项新型气体分离与净化技术，随着PSA技术的发展，其在大型化工中的应用越来越广泛。PSA技术之所以能实现气体分离，是由于吸附剂在物理吸附过程中所具有的两种基本性质：一是对不同吸附组分的吸附能力不同；二是被吸附介质在吸附剂上的吸附量随介质的分压上升而增加。利用此性质实现吸附剂在高压下吸附、在低压下解吸，达到吸附剂再生循环、连续分离气体的目的。

1 PSA提氢装置运行概况

河南龙宇煤化工有限公司(以下简称河南龙宇)的PSA提氢装置是20万t/a煤制乙二醇项目的配套装置，为乙二醇提供合格的氢气。从低温甲醇洗出来的净化气首先进入深冷分离装置，从深冷分离过来的富氢气(温度30 ℃，压力3.0 MPa)再进入PSA装置。PSA装置采用15-2-2-7/V 工艺，即15台吸附塔、2 台吸附塔同时进料吸附，2台吸附塔同时进行预吸附，经过7次均压，采用抽空工艺。该装置采用串吸工艺，即从吸附塔顶部出来的气体进入另一吸附塔进行预吸附，预吸附后的气体作为产品H2，进入乙二醇装置。

2 PSA装置运行存在的问题及解决措施

2.1 程控阀存在的问题及解决措施

2.1.1存在的问题

(1)程控阀中封面大量泄漏。在气密过程中，发现程控阀中封面存在大量的泄漏，程控阀结构见图1、图2。程控阀为了减小部分阀座的压差，阀门设置平衡缸，平衡缸的上下部通过O形圈进行密封。

图1 程控阀结构

图2 程控阀结构

(2)程控阀气缸串气。装置在运行过程中，发现有些程控阀不能正常开关，切塔检查发现，由于程控阀气缸串气造成仪表空气压力不足，致阀门无法正常开关。经拆检发现，气缸内锈蚀严重，气缸密封面磨损。由于气缸内的铁锈在运行中被带入电磁阀，也造成部分电磁阀运行故障[1]。

(3)程控阀阀芯脱落。程控阀在运行过程中，突然出现阀门开关正常，但吸附塔压力没有变化的情况。停车拆检发现，程控阀阀杆底部的固定销钉断裂，阀芯脱落，造成程控阀无法打开。装置运行以来，共出现5个程控阀阀芯脱落的情况。

2.1.2原因分析

(1)由于程控阀中封面O形圈偏小，与平衡缸的密封槽不匹配，造成泄漏。经更换O形圈后，泄漏仍不能完全消除，还存在大量的中封面泄漏的情况。其原因是虽然更换了O形圈，但尺寸没有变化，没有从根本上消除泄漏隐患。

(2)停车期间，由于装置的气缸密封圈密封不严，气缸内进水腐蚀，造成密封面磨损。同时，由于设计时有注油设置(在仪表空气中注入润滑油，防止气缸腐蚀)，因注油设施故障停用，造成气缸腐蚀。

(3)由于装置安装运行时间较长，程控阀动作频繁，造成底部的固定销钉断裂。另外，由于程控阀仪表空气压力太高，造成阀门开关时冲击力大，对固定销钉磨损大，也可能造成固定销钉断裂。

2.1.3解决措施

(1)经过实验，在中封面处增加石墨垫片，石墨垫片中带有钢环，以增加石墨垫片的强度；在平衡缸上下部各增加一个石墨密封垫片。改造后效果显著，中封面的泄漏完全消除。石墨垫片成本低，效果好，装置运行将近2年，再没发现泄漏。

(2)装置停车期间，检查气缸密封圈，更换有泄漏的密封圈，防止气缸内进水。同时取消仪表空气的注油设施，在气缸内涂抹高效润滑脂，对气缸进行润滑。经过整改后，解决了程控阀串气的问题。

(3)在装置大修期间，更换全部程控阀阀杆底部的固定销钉。同时，将仪表空气压力从0.8 MPa调整到0.6 MPa。此后，装置运行近1年多，没有再出现阀芯脱落的情况。

2.2 真空泵存在的问题及解决措施

2.2.1存在的问题

(1)河南龙宇共有5台Y字形双缸真空泵，型式为WLW-2400型，打气量2 400 L/s。PSA装置真空泵设计温度小于120 ℃，但实际运行温度最高可达170 ℃以上。为了降低排气温度，将其中一台真空泵循环水回水改为直排，效果不明显。为了达到抽真空的效果，采用了3台泵抽真空运行，但排气温度也很快涨到160 ℃以上。减少真空泵的运行台数后，排气温度也随之下降到150 ℃左右。开启台数越多，出口温度越高[2]。

(2)真空泵运行以来，共发现2次漏气问题，全部是入口气体漏入曲轴箱内，有明显的声响。

2.2.2原因分析

(1)经分析，排气温度高的主要原因是气缸水夹套循环水设计流量偏小，换热效果差，造成出口温度高。

(2)经检查，发现真空泵一侧的检查口内部有近50 mm的裂纹，气体通过裂缝漏入曲轴箱内。检查其他真空泵，发现另外一台存在同样的问题，只是裂纹较小。

2.2.3解决措施

(1)在保证抽空效果的前提下，尽量减少启动真空泵的台数，确保真空泵排气温度在160 ℃以下。

(2)在真空泵循环回水的每个支管最高点增加排气阀，减少气阻造成的循环水流量不足的情况。

(3)更换真空泵的气阀阀片弹簧，将原来的气阀阀片、弹簧由碳钢材质更换为不锈钢，气阀密封垫由四氟垫更换为铝垫。

采取以上措施，问题虽然没有得到彻底解决，但气阀温度高的问题得到了缓解，能保证装置的正常运行。

(4)采用金属修复剂修复内裂纹较小的真空泵，真空泵运行大半年，运行正常。另外一台真空泵，通过与厂家沟通，已没有修复可能，因此对整个机身进行更换。

2.3 切塔程序存在的问题及解决措施

当某吸附塔上的程控阀因外部元件故障导致程控阀不能开关时，程序可由15塔方式运行切换为14塔方式运行，即切出有故障的一个塔，切换后处理原料气负荷将有少量变化，同时气体回收率也会略有降低，切换过程中所处步序的时间可根据具体情况进行一定的调整。故障处理完后，再手动由14塔方式切回15塔方式运行。

若在14塔运行过程中，又有某台吸附塔的程控阀门出现故障，程序可由14塔方式运行切换为13塔方式运行。此时必须尽快处理故障阀门，并把程序切回到15塔运行。

2.3.1存在的问题

(1)切塔后压力波动，导致程控阀打不开。在15塔程序运行过程中出现KV16N故障，操作人员采取切塔措施，把N塔切出，程序切换为14塔方式运行。A塔的运行步骤由E6D变为D， 此时A塔压力为0.46 MPa，由于在逆放步骤设置有压力联锁，压力高于0.4 MPa时，逆放阀KV16不允许打开，出现程序运行不正常的现象。此时，操作人员只能把程序停止，进行手动泄压处理。

(2)切塔步骤设置时间太短。对一台吸附塔来说，一个循环周期就是指该吸附塔从吸附开始，经过泄压再生以后，到再次开始吸附的过程。步位是循环周期的程序基本单位，15塔运行时，一个循环周期由15个分周期组成，而一个分周期由5个步位组成，每一步位的时间由步位定时器或吸附时间决定。其中，每一周期的第1、3、5步为阀门开关时间，每步程序设置为2 s，2、4步为程序运行时间，根据装置运行负荷可以进行调整。

在B塔冲洗一(P1)步骤结束后，KV15B程控阀故障关不住，中控人员采取了切出B塔的操作，导致E5R、E4R、E3R(1.75 MPa)的气体串入低压系统，造成逆放气缓冲罐超压。此问题主要是由于程序切塔步骤只在每周期的第1步或第3步，切塔时间太短，一旦错过了该步骤，就要再等一个周期，高压气体就会串入低压系统，造成超压的风险。

(3)程序不能自动切塔。由于PSA装置程控阀多，出现故障的程控阀如不及时处理很容易串压，甚至造成装置停车。目前在装置运行过程中，如果程控阀故障，采取手动切塔来切除故障程控阀所在的吸附塔。手动切塔需要操作人员判断准确、切塔及时，对其专业素养要求非常高。为了减少人为判断的失误，决定采取自动切塔的方式。

2.3.2原因分析

(1)由于在切塔步骤和压力联锁之间存在冲突，造成程序不能正常运行。程序进行切塔后，各塔的运行压力与切塔之前有波动，造成其不能正常运行。

(2)切塔步骤设置不合理，切塔时间太短。

(3)由于设计未考虑操作的难度和人为判断造成的风险，导致不能准确及时地切塔。

2.3.3解决措施

(1)由于逆放步骤的低压联锁值设置不合理，造成切塔后逆放步骤的程控阀打不开。经过论证，把逆放步骤的联锁改为0.6 MPa，使问题得以解决。

(2)要增加切塔时间，程控阀出现问题后能立即切塔。经过调整，把切塔步骤设置在每周期的第2步或第4步。当需要切塔时，能在最短的时间内把问题吸附塔切出。

(3)首先有自动切塔的判断条件，自动切塔应具备的条件如下：①吸附塔压力报警已投用，且吸附塔压力出现报警；②出现压力报警的吸附塔对应的程控阀出现故障(阀检判断)，只有同时具备以上两个条件，吸附塔才能自动切出。自动切塔最多只能切出4个塔，此后，切塔运行模式会自动进入“手动切换”，吸附塔的切入需要在手动状态下进行。经改进后，程控阀自动切塔运行正常，能快速切出程控阀异常的吸附塔，减少了人为判断造成的失误。

3 结语

PSA提氢装置运行以来，出现了一系列的问题，通过分析判断，提出了切实可行的解决措施，使影响装置运行的问题基本得到解决，为装置长周期、稳定运行打下了良好的基础。