變壓吸附提氫裝置運(yùn)行總結(jié)

劉 珍，年里珂

(河南能源化工集團(tuán)煤氣化公司義馬氣化廠，河南義馬 472300)

變壓吸附提氫裝置運(yùn)行總結(jié)

劉 珍，年里珂

(河南能源化工集團(tuán)煤氣化公司義馬氣化廠，河南義馬 472300)

介紹了變壓吸附提氫技術(shù)在甲醇弛放氣聯(lián)氨裝置中的應(yīng)用，總結(jié)了裝置實(shí)際生產(chǎn)中的運(yùn)行情況及正常運(yùn)行下的操作，并對(duì)裝置生產(chǎn)運(yùn)行中遇到的問(wèn)題進(jìn)行探討。

變壓吸附;運(yùn)行;操作;問(wèn)題

河南能源化工煤氣化公司義馬氣化廠變壓吸附裝置通過(guò)技術(shù)改造將原有PSA-CO裝置改造成為PSA-H2裝置，PSA-H2裝置采用10-2-5/P工藝流程，產(chǎn)氫氣能力30 708 Nm3/h，要求產(chǎn)品氫氣純度≥99.9%，其中CO+CO2≤10×10-6，產(chǎn)品氫氣壓力2.2 MPa(G)，解吸氣壓力0.02 MPa(G)。裝置的原料氣來(lái)自甲醇弛放氣經(jīng)過(guò)膜分離的滲透氣，產(chǎn)品氫氣送至下游合成氨裝置利用，解吸氣經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)回收返回甲醇合成裝置利用。該裝置2013年7月一次開(kāi)車成功并正式投產(chǎn)，投產(chǎn)后裝置運(yùn)行平穩(wěn)，產(chǎn)品氫氣未出現(xiàn)不合格現(xiàn)象。

1 PSA-H2裝置工藝原理

1.1 變壓吸附的原理

變壓吸附的原理是根據(jù)混合物中不同吸附質(zhì)在吸附劑上吸附量的不同，以及同一吸附質(zhì)在吸附劑上的吸附量隨著吸附質(zhì)的分壓不同而變化的原理設(shè)計(jì)的分離過(guò)程，通過(guò)高壓吸附、低壓解吸的原理實(shí)現(xiàn)氣體的分離。

1.2 吸附劑的種類和性質(zhì)

工業(yè)上變壓吸附提氫裝置所用的吸附劑主要有活性氧化鋁類、硅膠類、活性炭類和分子篩類。活性氧化鋁類吸附劑對(duì)H2O有很高的吸附能力，同時(shí)再生非常容易，且具有很高的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，故適合于裝填在吸附塔的底部脫除水分和保護(hù)上層吸附劑。

硅膠類吸附劑屬于一種高孔隙率的無(wú)定形二氧化硅，通?？裳b于吸附塔中下部，用于吸附水分、CO2和重?zé)N?；钚蕴款愇絼儆谀退蜔o(wú)極性吸附劑，對(duì)原料氣中幾乎所有的有機(jī)化合物都有良好的親和力，裝填于吸附塔中部主要用于脫除CO2和部分甲烷組分。分子篩類吸附劑是一種吸附量較高且吸附選擇性極佳的優(yōu)良吸附劑，通常裝填于吸附塔的上部，用于脫除甲烷、CO、N2等組分，保證最終的產(chǎn)品純度。

由于不同的吸附劑材料對(duì)不同的氣體組分有特定的結(jié)合能力，因此，吸附床層往往設(shè)計(jì)成多層的不同吸附劑混合裝填模式，以達(dá)到將氫氣從不同氣體的混合物中分離出來(lái)的目的。義馬氣化廠PSAH2裝置吸附塔催化劑裝填情況如表1所示。

2 PSA-H2裝置工藝流程簡(jiǎn)述

PSA-H2裝置由10個(gè)吸附塔、1個(gè)冷卻器、1個(gè)順?lè)艢饩彌_罐、1個(gè)產(chǎn)品氣緩沖罐、1個(gè)沖洗廢氣緩沖罐、2個(gè)解吸氣緩沖罐、139臺(tái)相應(yīng)的程控閥、13臺(tái)調(diào)節(jié)閥組成。來(lái)自甲醇弛放氣經(jīng)過(guò)膜分離的滲透氣(壓力2.4 MPa，流量38 000 Nm3/h)作為原料氣首先進(jìn)入冷卻器，溫度由50℃降至40℃后進(jìn)入變壓吸附裝置，PSA-H2裝置的主工藝流程為10-2-5/P，即:有2臺(tái)吸附塔處于吸附狀態(tài)，進(jìn)行5次均壓，連續(xù)沖洗。經(jīng)歷吸附、均壓、順?lè)?、逆放、沖洗和升壓等過(guò)程。吸附塔上部得到氫氣產(chǎn)品氣(壓力為2.2 MPa，流量30 708 Nm3/h，H2純度≥99.9%，CO+CO2≤10×10-6)進(jìn)入產(chǎn)品氣緩沖罐緩沖后送往用氣工段，下部得到解吸氣(壓力0.02 MPa，流量7 291.81 Nm3/h)經(jīng)回收氣壓縮機(jī)加壓后送至甲醇合成裝置。裝置物料衡算見(jiàn)表2。

表1 我廠PSA-H2裝置吸附劑和裝置物的裝填表

表2 PSA-H2裝置物料衡算

PSA-H2工作過(guò)程包括吸附、均壓、順?lè)拧⒛娣?、沖洗和升壓等過(guò)程。

2.1 吸附

原料氣進(jìn)入吸附塔，除了氫氣以外的絕大部分雜質(zhì)被吸附，氫氣從塔頂流出，當(dāng)被吸附雜質(zhì)的吸附前沿移動(dòng)到吸附器一定位置時(shí)，停止原料氣進(jìn)入和產(chǎn)品氣輸出，吸附塔進(jìn)入再生過(guò)程。

2.2 壓力均衡

吸附結(jié)束后，由于此時(shí)床層死空間內(nèi)仍有部分有效氣體，為了提高裝置氫氣回收率，死空間內(nèi)有效氣體組分必須進(jìn)行回收，在回收有效氣體組分的同時(shí)，對(duì)另一個(gè)吸附床層進(jìn)行充壓;順著吸附方向?qū)⑺?nèi)的較高壓力的氫氣放入其它已完成再生的較低壓力吸附塔的過(guò)程，該過(guò)程不僅是降壓過(guò)程，更是回收床層死空間氫氣的過(guò)程。

2.3 順向降壓

在壓力均衡降后，首先順著吸附方向?qū)⑽剿敳康臐舛容^高的氫氣，經(jīng)調(diào)壓穩(wěn)流后去再生另一個(gè)正處于沖洗步驟的吸附塔，進(jìn)一步降低吸附劑上吸附雜質(zhì)的分壓，有利于雜質(zhì)的徹底解吸。

2.4 逆向放壓

吸附塔在順?lè)沤Y(jié)束后，吸附前沿已達(dá)到吸附床層的出口位置時(shí)，沿吸附的反方向進(jìn)行降壓，吸附劑中的大部分雜質(zhì)得到解吸，當(dāng)塔的壓力降低到0.02 MPa時(shí)，逆放結(jié)束。

2.5 沖洗

在逆放過(guò)程全部結(jié)束后，為使吸附劑得到徹底的再生，用順?lè)挪襟E放出的氣體逆著吸附方向?qū)ξ酱矊舆M(jìn)行沖洗，進(jìn)一步降低雜質(zhì)組分的分壓，使吸附劑得以徹底再生，該過(guò)程應(yīng)盡量緩慢勻速以保證再生的效果。

2.6 壓力均衡升

吸附塔沖洗再生完成后，用來(lái)自其它吸附塔的較高壓力的氫氣對(duì)該吸附塔進(jìn)行升壓，這一過(guò)程與均壓降過(guò)程相對(duì)應(yīng)，不僅是升壓過(guò)程，而且更是回收其它塔的床層死空間內(nèi)氫氣的過(guò)程，可保證氫氣的回收率。

2.7 最終升壓

經(jīng)均壓升步驟后，為了使吸附塔可以平穩(wěn)地切換至下一次吸附，并保證產(chǎn)品純度在這一過(guò)程中不發(fā)生波動(dòng)，通過(guò)充壓調(diào)節(jié)閥緩慢而平穩(wěn)地用產(chǎn)品氫氣，將吸附塔壓力升至吸附壓力。

經(jīng)這一過(guò)程后吸附塔便完成了一個(gè)完整的“吸附—再生”循環(huán)，又為下一次吸附做好了準(zhǔn)備。完成上述工藝步驟后，該吸附床完成了一個(gè)循環(huán)周期的操作，將進(jìn)行下一循環(huán)的工藝步驟。

3 裝置正常運(yùn)行下的操作

在正常生產(chǎn)中，為了保證裝置安全平穩(wěn)運(yùn)行，在運(yùn)行期間要隨時(shí)檢查和調(diào)整下列項(xiàng)目:

3.1 吸附壓力

吸附壓力是決定裝置能力的主要參數(shù)，在本裝置設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，提高吸附壓力，裝置能力增大。通過(guò)吸附壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)在允許范圍內(nèi)盡量保持較高的吸附壓力。

3.2 均壓時(shí)間

由于存在阻力、吸附—解吸速度等多種因素的影響，兩個(gè)吸附塔均壓時(shí)要達(dá)到壓力完全平衡，需花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間。為此，規(guī)定進(jìn)行均壓的兩個(gè)吸附塔，其壓差＜0.05 MPa，即為完成均壓過(guò)程。在不影響吸附時(shí)間的條件下，均壓時(shí)間的設(shè)置應(yīng)盡可能的長(zhǎng)。

3.3 終充流量

吸附塔在再次進(jìn)行吸附步驟之前，用產(chǎn)品氣通過(guò)終充流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)吸附塔進(jìn)行充壓。調(diào)整終充流量調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，使在最終升壓步驟結(jié)束時(shí)，被充壓的吸附塔剛好達(dá)到規(guī)定的吸附壓力，這樣不僅保持吸附壓力穩(wěn)定，而且降低了產(chǎn)品氣輸出的波動(dòng)。

3.4 解吸氣輸出

PSA-H2工序解吸氣主要分為兩部分:逆放氣和沖洗氣。逆放初期，壓力較高的逆放解吸氣進(jìn)入逆放氣緩沖罐;逆放后期，壓力較低的逆放氣送往解吸氣混合罐后再送去界外。沖洗廢氣則先送入沖洗廢氣緩沖罐，再進(jìn)解吸氣混合罐，與逆放氣混合后送去界外。

3.5 產(chǎn)品純度

一個(gè)吸附塔具有固定的雜質(zhì)負(fù)載能力，在一個(gè)吸附—再生循環(huán)里能提純一定數(shù)量的原料氣。循環(huán)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或原料氣流量過(guò)大，產(chǎn)品雜質(zhì)含量增加，會(huì)影響產(chǎn)品氣的純度;循環(huán)時(shí)間過(guò)短，產(chǎn)品雜質(zhì)含量減少，但床層未充分利用，引起產(chǎn)品組分的損失增大，從而影響產(chǎn)品的收率。本裝置通過(guò)調(diào)整循環(huán)時(shí)間的方法可控制產(chǎn)品中雜質(zhì)的含量。雜質(zhì)含量越低，產(chǎn)品組分回收率相應(yīng)降低。

4 PSA-H2裝置的運(yùn)行情況

①本裝置于2013年7月一次投產(chǎn)成功，通過(guò)連續(xù)72 h性能考核，產(chǎn)品氫氣純度≥99.9%，CO+ CO2≤10×10-6，氫氣回收率最高達(dá)到90%。②本裝置累計(jì)運(yùn)行一年，在正常運(yùn)行過(guò)程中的操作是非常少的，幾乎所有的調(diào)節(jié)均由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成。正常生產(chǎn)中主要的操作是根據(jù)產(chǎn)品氫氣在線分析純度、原料氣和解吸氣的分析指標(biāo)、原料氣的流量來(lái)調(diào)整吸附時(shí)間，在保證產(chǎn)品氫氣純度的條件下盡量提高氫氣回收率。③裝置處理氣量彈性大，運(yùn)行可靠性高。一般情況下，處理氣量可以在設(shè)計(jì)能力的60%～120%范圍內(nèi)波動(dòng)，不影響產(chǎn)品氫氣純度與回收率，只是操作周期相應(yīng)有點(diǎn)變化。當(dāng)某一個(gè)吸附塔相關(guān)程控閥或儀表出現(xiàn)故障時(shí)，可以快速、任意切換操作，不影響裝置的運(yùn)行。④裝置開(kāi)停車速度快、簡(jiǎn)單、方便，開(kāi)車2 h后產(chǎn)品氫純度完全合格，并趨于穩(wěn)定，可連續(xù)生產(chǎn)純氫。在運(yùn)行中，如有故障發(fā)生，導(dǎo)致裝置停車，待故障排除后，生產(chǎn)很快轉(zhuǎn)為正常，開(kāi)停車非常方便。開(kāi)停車現(xiàn)場(chǎng)人員操作少，只需調(diào)整裝置原料氣進(jìn)口閥和產(chǎn)品氫氣外送閥。

5 裝置存在的問(wèn)題

5.1 逆放氣壓力波動(dòng)大

裝置的總體運(yùn)行情況平穩(wěn)、可靠，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)和生產(chǎn)要求，但解吸氣系統(tǒng)仍存在壓力波動(dòng)較大的問(wèn)題，其波動(dòng)范圍一般在0.01～0.04 MPa。解吸氣壓力波動(dòng)比較大的原因是:由于逆放過(guò)程是間歇的，在逆放過(guò)程中排出的大量解吸氣在很短的時(shí)間內(nèi)送入兩臺(tái)解吸氣緩沖罐，導(dǎo)致解吸氣緩沖罐的壓力迅速增加。雖然設(shè)置解吸氣放空閥，解決了解吸氣超壓?jiǎn)栴}，但是解吸氣壓力仍然波動(dòng)，影響了后續(xù)解吸氣回收壓縮機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行，解吸氣間歇放空也造成了原料的浪費(fèi)。

5.2 裝置管道設(shè)備內(nèi)積液

由于裝置上設(shè)計(jì)缺陷，裝置進(jìn)口未設(shè)計(jì)原料氣氣水分離器，造成變壓吸附提氫裝置管道設(shè)備內(nèi)積液。裝置管道設(shè)備內(nèi)積液的原因:由于變壓吸附的原料氣來(lái)自膜分離后的甲醇弛放氣，原料氣在膜分離工段進(jìn)行洗醇時(shí)攜帶部分飽和水蒸氣，在膜分離工段由于原料氣中飽和水蒸氣分壓小，飽和水蒸氣未被冷凝分離出來(lái)，進(jìn)入變壓吸附裝置，由于氣體壓力組分的變化，飽和水蒸氣逐漸被冷凝，造成變壓吸附提氫裝置管道設(shè)備內(nèi)積液。積液主要存在各吸附塔底進(jìn)氣管線及解吸氣回收壓縮機(jī)，該部分液體醇含量0.1%，COD超標(biāo)，無(wú)法妥善處理，就地排放易造成環(huán)境污染，原料氣中水蒸氣含量高也會(huì)造成吸附劑的使用壽命縮短。

TQ052

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1003-3467(2015)10-0038-03

2015-06-27

劉 珍(1986-)，女，助理工程師，從事化工生產(chǎn)管理工作，電話:13419831125。