15萬噸/年合成氨PSA變壓吸附技術(shù)優(yōu)化研究

＊羅時華 瞿道兵 李少軍 余士明 劉哲 劉善培 粟學(xué)俐*

（1.湖北凱龍化工集團(tuán)股份有限公司 湖北 448032 2.湖北凱龍楚興化工集團(tuán)有限公司 湖北 431913 3.荊楚理工學(xué)院 湖北 448000）

合成氨是一種重要的無機(jī)化工原料，對國民生產(chǎn)生活具有重大意義。由于合成氨生產(chǎn)技術(shù)制約，合成氨工藝實施過程中存在諸多問題，也是消耗能源的大戶。隨著社會的進(jìn)步，要求工業(yè)生產(chǎn)符合資源節(jié)約型、環(huán)境友好型生產(chǎn)理念，技術(shù)升級迫在眉睫，國內(nèi)外專家開展了合成氨各新技術(shù)的研究。

湖北凱龍楚興化工集團(tuán)有限公司的合成氨裝置，因其工藝技術(shù)落后，能耗高，污染大，生產(chǎn)成本居高不下，公司投資10多億元對合成氨裝置進(jìn)行工藝技術(shù)優(yōu)化和技術(shù)升級。合成氨生產(chǎn)線通過近一年的試生產(chǎn)，暴露出PSA提氫處理能力不足、氫氣損耗大、吸附時間短，程控閥動作頻繁等問題，并為進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)，節(jié)能降耗、增產(chǎn)降耗，進(jìn)行了PSA提氫技改項目公司采用N2再生+微動力回收工藝技術(shù)，新增凈化段吸附塔4臺、硅膠吸附劑570m3、氫氣回收壓縮機(jī)1臺、氮氣輸送羅茨風(fēng)機(jī)1臺，氣動程控閥136臺等設(shè)備設(shè)施。本文主要涉及湖北凱龍楚興化工集團(tuán)有限公司100000Nm3/h PSA提氫裝置的設(shè)計要求、裝置設(shè)計條件、工藝流程。

1.PSA變壓吸附原理

變壓吸附脫碳是將氣化工段來的煤氣經(jīng)變換、脫硫后的變換氣送入吸附塔吸附，再經(jīng)精脫硫處理后，將煤氣中CO2及H2S控制在指標(biāo)內(nèi)，凈化氣送后工段。吸附塔再生解吸下來的C02通過減壓分離、順放、逆放、吹掃放空或回收利用。變壓吸附吸附脫碳原理是基于各類專用吸附劑具有的兩個基本性質(zhì)：（1）對不同組分的吸附能力不同；（2）吸附質(zhì)在吸附劑中吸附容量隨吸附質(zhì)的分壓上升而增加，降低而下降。利用吸附劑第一個性質(zhì)即：對混合氣體中某些組分的優(yōu)先吸附或弱吸附性能，實現(xiàn)目標(biāo)組與其它組分分離而得以提純；利用吸附劑的第二個性質(zhì)，可實現(xiàn)吸附劑在高壓下吸附而在低壓下解吸再生，從而構(gòu)成吸附劑吸附與再生循環(huán)，采用多塔交替操作，實現(xiàn)連續(xù)分離氣體目的，其工藝過程通常按吸附、均壓降、順放、逆放、再生（吹掃或抽真空）、均壓升、步序依次循環(huán)進(jìn)行，始終保持一定數(shù)量吸附塔輪流處于吸附狀態(tài)。

2.裝置設(shè)計

(1)裝置設(shè)計要求

①原料氣參數(shù)

進(jìn)裝置原料氣規(guī)格，見表1。

表1 進(jìn)PSA原料氣指標(biāo)

②產(chǎn)品規(guī)格

裝置產(chǎn)品氣應(yīng)滿足如下規(guī)格，見表2。

表2 出PSA產(chǎn)品規(guī)格

③界區(qū)劃分

本裝置工程設(shè)計范圍從原料氣通過管道進(jìn)入本裝置，從第一個閥門起；產(chǎn)品氫氣通過管道輸出本裝置，解吸氣通過管道輸出界區(qū)，以最后一個閥門為止。另包括氮氣提壓系統(tǒng)、回收氣壓縮系統(tǒng)、公用工程整體設(shè)計。PSA提氫裝置見圖1。

圖1 PSA提氫裝置圖

(2)裝置設(shè)計條件

①公用工程條件

A.氮氣

成份：純度＞99.995%（Vol），氧含量≤0.005%；

進(jìn)界區(qū)壓力：≥0.01MPa(G)，溫度≤40℃。

B.儀表氣

進(jìn)裝置區(qū)壓力：≥0.45MPa(G)，露點溫度：-40℃。

C.循環(huán)水

壓力：≥0.3MPa(G)，溫度：≤32℃。

D.電

供配電電壓：0.38/10kV，頻率：50Hz。

②公用工程消耗指標(biāo)

本項目以變換氣為原料，經(jīng)變壓吸附提氫裝置，生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品氫氣，公用工程消耗如下表。

表3 公用工程規(guī)格及消耗表

3.工藝流程

15萬噸/年合成氨PSA變壓吸附工藝流程見圖2。本次改造PSA1段采用流程22塔操作（吸附塔數(shù)不變），其中4臺吸附塔在線吸附，多塔均壓、雙塔氮氣吹掃再生流程，以保證良好再生效果。PSA2段采用17塔操作（增加4臺吸附塔）其中3臺吸附塔在線吸附，多塔均壓、氮氣吹掃再生流程。

圖2 15萬噸/年合成氨PSA變壓吸附工藝流程框圖

整套PSA提氫裝置在入塔原料氣溫度下操作，出PSA裝置產(chǎn)品氫氣壓力≥1.65MPa(G)，整套裝置阻力降≤0.05MPa；出PSA裝置產(chǎn)品氫氣CO2含量＜0.1%，CO含量≥1.2%，產(chǎn)品CO2純度≥98%。

(1)PSA1段工藝流程

來自界外1.70MPa(G)，溫度≤40℃變換氣自PSA1段吸附塔底部進(jìn)入處于吸附狀態(tài)塔內(nèi)，在不同種類吸附床層選擇吸附下，原料氣中雜質(zhì)組分（如H2O、CO2）經(jīng)過吸附劑床層時依次被吸附下來，控制出吸附塔頂部中間氣中CO2含量7%～8%進(jìn)入PSA2段進(jìn)一步處理。

當(dāng)被吸附雜質(zhì)的傳質(zhì)區(qū)前沿（稱為吸附前沿）到達(dá)床層出口預(yù)留段某一位置時，關(guān)掉該吸附塔底進(jìn)料閥和塔頂出口閥，停止吸附。吸附床層開始轉(zhuǎn)入再生過程。通過多次均壓，順著吸附方向?qū)⑺?nèi)較高壓力富含氫氮氣的混合氣放入其它已完成再生較低壓力的吸附塔內(nèi)，該過程可充分回收床層死空間氫氣；均壓過程結(jié)束后通過吸附塔底部及頂部程控閥繼續(xù)降壓，將床層CO2提濃至合格，順放結(jié)束后逆著吸附方向?qū)⑽剿毫抵脸?，使吸附劑達(dá)到自然降壓初步再生目的；逆放結(jié)束后，利用PSA2段再生氣對吸附床層進(jìn)行吹掃，使吸附劑得到完全再生。吸附劑再生完全后，吸附塔再通過均壓升及終升達(dá)到吸附壓力，進(jìn)入下一個循環(huán)操作。逆放階段純度≥98%的CO2氣送液體二氧化碳崗位作原料。變壓吸附塔操作溫度均在進(jìn)氣溫度下運行，每臺吸附塔依次經(jīng)歷吸附、均壓降、順放、逆放、吹掃、均壓升、最終升壓等步序。

(2)PSA2段工藝流程

來PSA1段壓力1.67MPa(G)，溫度≤40℃中間氣自吸附塔底部進(jìn)入處于吸附狀態(tài)塔內(nèi)，在吸附床層選擇吸附下，原料氣中雜質(zhì)組分CO2經(jīng)過吸附劑床層時被吸附下來，控制出吸附塔頂部產(chǎn)品氫氣中CO2含量≤0.1%送醇烷化工段進(jìn)一步處理。

當(dāng)被吸附雜質(zhì)的傳質(zhì)區(qū)前沿（稱為吸附前沿）到達(dá)床層出口預(yù)留段某一位置時，關(guān)掉該吸附塔底進(jìn)料閥和塔頂出口閥，停止吸附。吸附床層開始轉(zhuǎn)入再生過程。通過多次均壓降，順著吸附方向?qū)⑺?nèi)較高壓力富含氫氮氣的混合氣放入其它已完成再生較低壓力的吸附塔內(nèi)，該過程可充分回收床層死空間氫氣；均壓過程結(jié)束后將吸附塔內(nèi)氣送緩沖罐充分回收。降壓結(jié)束后，將塔內(nèi)富氫氣體順放至解吸氣壓縮機(jī)加壓回收至PSA1入口管線；順放結(jié)束后，利用界外氮氣對吸附床層進(jìn)行吹掃，使吸附劑得到完全再生。吹掃結(jié)束后吸附塔再通過均壓升及終升達(dá)到吸附壓力，進(jìn)入下一個循環(huán)操作。PSA2段吸附塔操作溫度均在進(jìn)氣溫度下運行，每臺吸附塔依次經(jīng)歷吸附、均壓降、逆放、順放、吹掃、均壓升、最終升壓等步序。

4.裝置改造后情況

本裝置改造歷經(jīng)一年建設(shè)，于2022年8月25日一次性投料加負(fù)荷成功，裝置各項技術(shù)均取得了優(yōu)于設(shè)計值好成績，裝置原料氣操作工況下生產(chǎn)的產(chǎn)品氣情況見表4：

表4 原料氣及產(chǎn)品氣表

PSA提氫裝置技改開車后運行正常，吸附循環(huán)時間大幅加長，各閥門運行平穩(wěn)，氫氣回收率高。目前裝置在8.8萬m3/h負(fù)荷下運行，系統(tǒng)出口CO2含量＜0.1%，氫氣回收率高于98.5%。在相比改造前增加1萬m3/h原料氣情況下，一段吸附循環(huán)時間由技改前462s左右延長至1000s左右，二段吸附時間由技改前1400s延長至現(xiàn)3600s以上。按目前情況看，PSA提氫技改后達(dá)到10萬m3/h處理氣量。吸附塔吸附時間增加了一倍多，再生及解吸氣放空次數(shù)縮減了一倍多，大幅縮減了再生時有效氣的損耗，氣化單爐滿負(fù)荷生產(chǎn)產(chǎn)量有原80噸/班增加到95噸/班以上，產(chǎn)量增加了18噸/班以上，每班產(chǎn)量由原160噸/班左右，增加到現(xiàn)198噸/班左右，噸氨煤耗由原1550kg左右降至現(xiàn)1430kg左右，噸氨電耗由原1350kWh降至現(xiàn)1230kWh左右。產(chǎn)品指標(biāo)見表5。

表5 湖北凱龍楚興化工集團(tuán)有限公司100000Nm3/h PSA提氫裝置產(chǎn)品指標(biāo)

5.結(jié)論

變壓吸附技術(shù)具有能耗低、流程簡單、產(chǎn)品氣純度高、裝置自動化程度高、操作簡單等優(yōu)點，在合成氨企業(yè)已得到廣泛應(yīng)。隨著計算機(jī)人工智能技術(shù)的的發(fā)展，控制系統(tǒng)等軟件功能的升級和應(yīng)用，特別是本項技術(shù)研發(fā)不斷深入，變壓吸附技術(shù)水平將會得到的持續(xù)提升。