劉 珍，年里珂

(河南能源化工集團煤氣化公司義馬氣化廠，河南義馬 472300)

變壓吸附提氫裝置運行總結

劉 珍，年里珂

(河南能源化工集團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在甲醇弛放氣聯(lián)氨裝置中的應用，總結了裝置實際生產(chǎn)中的運行情況及正常運行下的操作，并對裝置生產(chǎn)運行中遇到的問題進行探討。

變壓吸附;運行;操作;問題

河南能源化工煤氣化公司義馬氣化廠變壓吸附裝置通過技術改造將原有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)。裝置的原料氣來自甲醇弛放氣經(jīng)過膜分離的滲透氣，產(chǎn)品氫氣送至下游合成氨裝置利用，解吸氣經(jīng)過壓縮機回收返回甲醇合成裝置利用。該裝置2013年7月一次開車成功并正式投產(chǎn)，投產(chǎn)后裝置運行平穩(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在吸附劑上吸附量的不同，以及同一吸附質在吸附劑上的吸附量隨著吸附質的分壓不同而變化的原理設計的分離過程，通過高壓吸附、低壓解吸的原理實現(xiàn)氣體的分離。

1.2 吸附劑的種類和性質

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H2O有很高的吸附能力，同時再生非常容易，且具有很高的強度和穩(wěn)定性，故適合于裝填在吸附塔的底部脫除水分和保護上層吸附劑。

硅膠類吸附劑屬于一種高孔隙率的無定形二氧化硅，通?？裳b于吸附塔中下部，用于吸附水分、CO2和重烴。活性炭類吸附劑屬于耐水型無極性吸附劑，對原料氣中幾乎所有的有機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不同的氣體組分有特定的結合能力，因此，吸附床層往往設計成多層的不同吸附劑混合裝填模式，以達到將氫氣從不同氣體的混合物中分離出來的目的。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裝置工藝流程簡述

PSA-H2裝置由10個吸附塔、1個冷卻器、1個順放氣緩沖罐、1個產(chǎn)品氣緩沖罐、1個沖洗廢氣緩沖罐、2個解吸氣緩沖罐、139臺相應的程控閥、13臺調節(jié)閥組成。來自甲醇弛放氣經(jīng)過膜分離的滲透氣(壓力2.4 MPa，流量38 000 Nm3/h)作為原料氣首先進入冷卻器，溫度由50℃降至40℃后進入變壓吸附裝置，PSA-H2裝置的主工藝流程為10-2-5/P，即:有2臺吸附塔處于吸附狀態(tài)，進行5次均壓，連續(xù)沖洗。經(jīng)歷吸附、均壓、順放、逆放、沖洗和升壓等過程。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)回收氣壓縮機加壓后送至甲醇合成裝置。裝置物料衡算見表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工作過程包括吸附、均壓、順放、逆放、沖洗和升壓等過程。

2.1 吸附

原料氣進入吸附塔，除了氫氣以外的絕大部分雜質被吸附，氫氣從塔頂流出，當被吸附雜質的吸附前沿移動到吸附器一定位置時，停止原料氣進入和產(chǎn)品氣輸出，吸附塔進入再生過程。

2.2 壓力均衡

吸附結束后，由于此時床層死空間內仍有部分有效氣體，為了提高裝置氫氣回收率，死空間內有效氣體組分必須進行回收，在回收有效氣體組分的同時，對另一個吸附床層進行充壓;順著吸附方向將塔內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程，該過程不僅是降壓過程，更是回收床層死空間氫氣的過程。

2.3 順向降壓

在壓力均衡降后，首先順著吸附方向將吸附塔頂部的濃度較高的氫氣，經(jīng)調壓穩(wěn)流后去再生另一個正處于沖洗步驟的吸附塔，進一步降低吸附劑上吸附雜質的分壓，有利于雜質的徹底解吸。

2.4 逆向放壓

吸附塔在順放結束后，吸附前沿已達到吸附床層的出口位置時，沿吸附的反方向進行降壓，吸附劑中的大部分雜質得到解吸，當塔的壓力降低到0.02 MPa時，逆放結束。

2.5 沖洗

在逆放過程全部結束后，為使吸附劑得到徹底的再生，用順放步驟放出的氣體逆著吸附方向對吸附床層進行沖洗，進一步降低雜質組分的分壓，使吸附劑得以徹底再生，該過程應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，用來自其它吸附塔的較高壓力的氫氣對該吸附塔進行升壓，這一過程與均壓降過程相對應，不僅是升壓過程，而且更是回收其它塔的床層死空間內氫氣的過程，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)品純度在這一過程中不發(fā)生波動，通過充壓調節(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)這一過程后吸附塔便完成了一個完整的“吸附—再生”循環(huán)，又為下一次吸附做好了準備。完成上述工藝步驟后，該吸附床完成了一個循環(huán)周期的操作，將進行下一循環(huán)的工藝步驟。

3 裝置正常運行下的操作

在正常生產(chǎn)中，為了保證裝置安全平穩(wěn)運行，在運行期間要隨時檢查和調整下列項目:

3.1 吸附壓力

吸附壓力是決定裝置能力的主要參數(shù)，在本裝置設計范圍內，提高吸附壓力，裝置能力增大。通過吸附壓力自動調節(jié)系統(tǒng)在允許范圍內盡量保持較高的吸附壓力。

3.2 均壓時間

由于存在阻力、吸附—解吸速度等多種因素的影響，兩個吸附塔均壓時要達到壓力完全平衡，需花費很長時間。為此，規(guī)定進行均壓的兩個吸附塔，其壓差＜0.05 MPa，即為完成均壓過程。在不影響吸附時間的條件下，均壓時間的設置應盡可能的長。

3.3 終充流量

吸附塔在再次進行吸附步驟之前，用產(chǎn)品氣通過終充流量調節(jié)系統(tǒng)對吸附塔進行充壓。調整終充流量調節(jié)閥的開度，使在最終升壓步驟結束時，被充壓的吸附塔剛好達到規(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。

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

一個吸附塔具有固定的雜質負載能力，在一個吸附—再生循環(huán)里能提純一定數(shù)量的原料氣。循環(huán)時間過長或原料氣流量過大，產(chǎn)品雜質含量增加，會影響產(chǎn)品氣的純度;循環(huán)時間過短，產(chǎn)品雜質含量減少，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。本裝置通過調整循環(huán)時間的方法可控制產(chǎn)品中雜質的含量。雜質含量越低，產(chǎn)品組分回收率相應降低。

4 PSA-H2裝置的運行情況

①本裝置于2013年7月一次投產(chǎn)成功，通過連續(xù)72 h性能考核，產(chǎn)品氫氣純度≥99.9%，CO+ CO2≤10×10-6，氫氣回收率最高達到90%。②本裝置累計運行一年，在正常運行過程中的操作是非常少的，幾乎所有的調節(jié)均由計算機自動完成。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、原料氣的流量來調整吸附時間，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，運行可靠性高。一般情況下，處理氣量可以在設計能力的60%～120%范圍內波動，不影響產(chǎn)品氫氣純度與回收率，只是操作周期相應有點變化。當某一個吸附塔相關程控閥或儀表出現(xiàn)故障時，可以快速、任意切換操作，不影響裝置的運行。④裝置開停車速度快、簡單、方便，開車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。在運行中，如有故障發(fā)生，導致裝置停車，待故障排除后，生產(chǎn)很快轉為正常，開停車非常方便。開停車現(xiàn)場人員操作少，只需調整裝置原料氣進口閥和產(chǎn)品氫氣外送閥。

5 裝置存在的問題

5.1 逆放氣壓力波動大

裝置的總體運行情況平穩(wěn)、可靠，各項技術指標均滿足設計和生產(chǎn)要求，但解吸氣系統(tǒng)仍存在壓力波動較大的問題，其波動范圍一般在0.01～0.04 MPa。解吸氣壓力波動比較大的原因是:由于逆放過程是間歇的，在逆放過程中排出的大量解吸氣在很短的時間內送入兩臺解吸氣緩沖罐，導致解吸氣緩沖罐的壓力迅速增加。雖然設置解吸氣放空閥，解決了解吸氣超壓問題，但是解吸氣壓力仍然波動，影響了后續(xù)解吸氣回收壓縮機的平穩(wěn)運行，解吸氣間歇放空也造成了原料的浪費。

5.2 裝置管道設備內積液

由于裝置上設計缺陷，裝置進口未設計原料氣氣水分離器，造成變壓吸附提氫裝置管道設備內積液。裝置管道設備內積液的原因:由于變壓吸附的原料氣來自膜分離后的甲醇弛放氣，原料氣在膜分離工段進行洗醇時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，進入變壓吸附裝置，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備內積液。積液主要存在各吸附塔底進氣管線及解吸氣回收壓縮機，該部分液體醇含量0.1%，COD超標，無法妥善處理，就地排放易造成環(huán)境污染，原料氣中水蒸氣含量高也會造成吸附劑的使用壽命縮短。

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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。