变压吸附装置原料气工艺路线优化改造小结

申 曌，许志红，李俊杰，薛科科

（新乡中新化工有限责任公司，河南获嘉 453800）

0 引 言

新乡中新化工有限责任公司（简称中新化工）200kt／a煤制乙二醇项目属河南能源化工集团化工产业重点项目。所配套的变压吸附（PSA）装置为乙二醇装置提供原料气——CO和H2（CO纯度≥98.5%、H2纯度≥99.9%），由北大先锋科技有限公司（简称北大先锋）设计。PSA装置前期运行期间存在CO产品气纯度不能满足乙二醇生产所需且CO产品气中甲烷含量高的问题，由于甲烷会与乙二醇合成气中的亚硝酸甲酯气体形成同分异构体——硝基甲烷，不仅使乙二醇羰化合成系统放空量大，而且给系统的运行带来很大的安全隐患，后经北大先锋二次改造，将CO吸附剂由5A分子筛更换为铜基吸附剂后，解决了CO产品气纯度低及甲烷含量高的问题，但又带来了CO产品气收率低、解吸气气量大等新问题。为解决这些问题，改善系统运行状况，中新化工对PSA装置陆续实施了部分优化改造，取得了较为明显的效果，以下对有关情况作一总结。

1 PSA装置工艺流程简介

2台投煤量750t／d的航天炉生产的粗煤气，经变换系统进行CO部分变换后入低温甲醇洗系统脱碳（CO2＜50×10-6），之后进入PSA装置预处理系统。在PSA预处理系统内，原料气经气液分离器分离液滴后，由顶部进入吸附塔，脱除原料气中微量甲醇、水分和CO2后从吸附塔底部排出，再经原料气加热器加热至70℃左右后送PSA-CO系统。变温预处理系统采用两塔流程，冲洗气来自PSA-H2系统的逆放气和PSACO系统的置换尾气，冲洗后的气体经预处理解吸气冷却器冷却后进入解吸气缓冲罐，经解吸气压缩机升压后送往中新化工甲醇合成系统。

PSA-CO系统的任务主要是将预处理系统来的净化气中CO浓缩至纯度达99.3%以上。PSACO系统设计为4台吸附塔同时吸附、8次均压、抽真空流程。气体从吸附塔（T-2001A～T）底部进入，从吸附塔顶部流出，CO被吸附剂选择性吸附，经降压置换后进行逆放，逆放前期逆放气进入逆放气缓冲罐，逆放后期经真空泵抽真空后的CO气送入CO产品气缓冲罐，同时吸附剂得到彻底再生；PSA-CO顺放气经顺放气缓冲罐送至PSA-H2系统抽真空缓冲罐，而后送往解吸气缓冲罐，经解吸气压缩机升压后送往中新化工甲醇合成系统；PSA-CO吸附尾气进入吸附尾气缓冲罐，之后送往PSA-H2系统。

PSA-H2系统的任务是脱除PSA-CO吸附尾气中的N2、Ar、CH4、CO2等杂质气体，得到纯度99.99%的H2产品气。在PSA-H2系统，气体由吸附塔（T-3001A～P）底部进入，从吸附塔顶部流出，气体中的N2、Ar、CH4、CO2等杂质被吸附剂吸附，合格的H2产品气进入H2产品气缓冲罐。

2 PSA装置二次技改概况

中新化工PSA装置2011年3月开始施工建设，2012年3月首次试车并一次开车成功。PSA装置初始设计处理气量79200m3／h，CO产品气产量22000m3／h，H2产品气产量42000m3／h，CO产品气纯度≥98.5% （摩尔分数，下同）。

由于在试生产过程中出现CO产品气中甲烷含量高和吸附剂泄漏的问题，影响系统自身及下游系统的安全、稳定运行，PSA装置先后两次进行技改。鉴于PSA装置现场位置方面的限制，第二次技改设计处理气量为63500m3／h，CO产品气产量17600m3／h，H2产品气产量35200 m3／h，CO产品气纯度≥99.3%，仅能满足下游乙二醇装置80%负荷用气需求。

2018年3月PSA装置技改完成后投运，通过不断地优化调整，二次技改达到了设计要求。但受PSA装置产能规模限制，吸附剂设计装填量少，为了获得更多的CO产品气，只有增加原料气进气量、缩短运行周期，相应地解吸气量较设计值有较大幅度的增加。

2.1 PSA装置二次技改前后工艺参数

PSA装置原始设计参数与第二次技改设计参数的对比见表1，第二次技改后（2019年3月）生产负荷为90%时工艺气成分见表2。

表1 PSA装置原始设计参数与第二次技改设计参数的对比

表2 PSA装置第二次技改后工艺气成分%

2.2 第二次技改后存在的问题

2.2.1 解吸气量大

第二次技改设计解吸气气量10700m3／h，但从2019年3月份统计数据（表2）看，因CO产品气收率低，无法满足下游乙二醇装置所需，故将系统进气量由设计值63500m3／h提高至69500m3／h，可得到18000m3／h的CO产品气量，解吸气量升至16500m3／h，加上乙二醇装置返回的解吸气3000m3／h，总解吸气量达19500m3／h，解吸气量远远大于设计值；原3台往复式解吸气压缩机两开一备，现实际需要3台解吸气压缩机（单台解吸气压缩机设计打气量为6600m3／h）同时运行才能满足需要，解吸气压缩机全开无备，任何一台解吸气压缩机因故障需停机检修时，不仅会使大量解吸气 （约6600m3／h）无法回收而放空到火炬管网，造成极大浪费，而且解吸气放空后间接导致甲醇合成系统氢碳比失调，影响甲醇合成系统的稳定运行、甲醇产量及甲醇合成催化剂的使用寿命。

2.2.2 CO收率低

CO产品气收率设计值为90%，实际运行中只能达到78%，远低于设计收率，为满足外送CO产品气量要求，只得采取提高进气中CO含量和增加进气量两种方式，由此增加了PSA装置能耗，缩短了吸附剂的使用周期。

3 PSA装置原料气工艺路线优化改造

3.1 优化改造目标

针对PSA装置存在的上述问题进行研究，拟对其原料气工艺路线进行如下优化改造：将PSA-CO系统部分顺放气送入PSA装置原料气入口，提高系统入口气中的CO含量，即在不增加原料气进气量的情况下，选择合适的物料路径，使CO产品气收率提高至86%以上。如此一来，不仅可减少解吸气量，在2台解吸气压缩机运行的条件下实现零放空，降低系统能耗，而且可改善甲醇合成系统氢碳比，延长甲醇合成催化剂使用寿命，保障甲醇合成系统的稳定运行。

3.2 工艺气成分研究

各工艺气成分分析数据（均值）见表3。可以看出：PSA-CO系统顺放气中CO含量高达49.81% （均值），且其氮气和甲烷含量都比较低，其组分与PSA装置原料气相近、洁净度高，该部分气体具备返回PSA装置入口调节原料气中CO 含量的条件；而解吸气中H2含量在68.88% （均值），会导致CO收率低，不适宜作为回流气（与原料气混合）。

表3 各工艺气成分分析数据（均值）

3.3 物料衡算

PSA装置原料气工艺路线优化改造物料平衡表如表4。物料衡算显示，优化改造后，系统入口混合原料中的CO含量为32.31%，解吸气量可降至9975.20m3／h。

表4 PSA装置原料气工艺路线优化改造物料平衡表

3.4 优化改造措施

利用1台解吸气压缩机将部分顺放气加压后返回PSA装置入口，由此可减少顺放气排入解吸气缓冲罐的量、提高PSA装置入口原料气中的CO含量。本项目于2018年12月完成，具体优化改造内容如下。

（1）增设PSA-CO系统顺放气缓冲罐去解吸气缓冲罐管线，使顺放气进入解吸气缓冲罐，并增设相应的控制阀和自动调节回路，控制进解吸气缓冲罐的解吸气量，保证故障状态下原工艺流程不受影响；解吸气缓冲罐与原系统连接处增设盲板隔离。

（2）解吸气缓冲罐出口引管线至解吸气压缩机A入口，增设相应的控制阀；解吸气压缩机A出口管线增设副线，将回收后的顺放气引至原料气分离器入口处，原解吸气压缩机A出口流程保留，负荷低时顺放气可走原流程。

3.5 优化改造效果

2019年10月12—17日，原料气气量69500 m3／h（均值，下同），CO产品气量18300m3／h，H2产品气量36600m3／h，解吸气量14600m3／h；回收乙二醇装置解吸气量3000m3／h，回收PSA-CO系统顺放气量6500m3／h；返回甲醇合成系统解吸气量11100m3／h；CO产品气收率达86%，达到了优化改造的预期目的。PSA装置优化改造前后各工艺气主要成分见表5。

表5 PSA装置优化改造前后各工艺气主要成分%

4 结束语

PSA装置CO产品气的纯度及气量，是由吸附剂的性质和吸附剂装填量及原料气量决定的。PSA装置二次技改更换为铜基吸附剂后，CO产品气收率降低而导致解吸气量增加，中新化工通过对PSA装置工艺流程和生产过程的研究，将PSA-CO系统部分顺放气并入原料气中，提高了原料气中的CO含量，实现了CO产品气收率的提升，满足了下游乙二醇装置高负荷生产所需，解决了PSA装置解吸气量大而不得不放空的问题；将顺放气中CO提纯作为产品气、H2作为尾气回收至解吸气系统，提高了解吸气中的H2含量，利于甲醇合成系统氢碳比的优化调整。总之，本次优化改造，提高了PSA装置CO产品气收率，避免了解吸气的放空，优化了甲醇合成系统的氢碳比，助力了整套生产系统的优质运行。