李玉順 ， 顧朝暉 ， 劉　偉 ， 楊國洞

(河南心連心化肥有限公司 , 河南 新鄉(xiāng)　453731)

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無動力變壓吸附提氫裝置的運行及優(yōu)化總結(jié)

李玉順 ， 顧朝暉 ， 劉偉 ， 楊國洞

(河南心連心化肥有限公司 , 河南 新鄉(xiāng)453731)

介紹了變壓吸附技術(shù)的原理、特點、分類以及變壓吸附提氫裝置的工藝流程和運行情況，針對運行中遇到的問題進行了優(yōu)化，取得了良好的效果，有效降低了公司的生產(chǎn)成本，為公司帶來可觀的經(jīng)濟效益。

無動力 ; 變壓吸附提氫 ; 優(yōu)化 ; 收率

河南心連心化肥有限公司(以下簡稱心連心公司)是中國大型煤頭尿素生產(chǎn)商之一，公司現(xiàn)擁有尿素260萬t/a、復(fù)合肥125萬t/a和甲醇30萬t/a的生產(chǎn)能力。其中氮肥系統(tǒng)一、二、三分廠半水煤氣凈化工序均采用變壓吸附脫碳工藝，兩個化工項目原料氫的制取均采用了無動力變壓吸附提氫工藝。本文就心連心公司6 000 Nm3/h原料氣的變壓吸附提氫裝置的運行情況及工藝優(yōu)化進行總結(jié)。

1　工藝簡介

變壓吸附(Pressure Swing Adsorption，PSA)的基本原理是利用氣體組分在固體材料上吸附特性的差異以及吸附量隨壓力變化而變化的特性，通過周期性的壓力變換過程實現(xiàn)氣體的分離或提純。

變壓吸附工藝根據(jù)吸附劑再生方式的不同分為常規(guī)變壓吸附工藝和無動力變壓吸附工藝。兩者的主要區(qū)別在于：前者吸附劑再生時，當(dāng)壓力降到常壓后，采用真空泵對吸附塔進行抽真空的方法進行進一步地再生；而無動力變壓吸附工藝不設(shè)置真空泵，而是引用系統(tǒng)內(nèi)的工藝氣對吸附劑床層進行吹掃使得吸附劑再生，從而節(jié)約了真空泵日常運行的電耗及維修費用，達到節(jié)約運行費用的目的。

2　裝置概況

2.1設(shè)計參數(shù)

心連心公司變壓吸附提氫裝置于2015年投產(chǎn)運行，采用10-1-7/P工藝，即10個吸附塔，一個吸附塔同時進料，7次均壓，順放沖洗再生。設(shè)計參數(shù)如下：①處理能力6 000 Nm3/h原料氣；②產(chǎn)品氫氣純度≥99.8%，CO含量≤20×10-6；③氫氣收率≥92%；④裝置操作的壓力為4.3 MPa；⑤操作彈性30%～120%。

2.2主要工藝流程

原料氣進入界區(qū)，首先經(jīng)氣液分離罐分離掉液態(tài)物質(zhì)，再經(jīng)流量計計量后，進入變壓吸附PSA程序：①吸附(簡稱A)。原料氣通過原料進氣閥自下而上進入吸附塔，原料氣中的雜質(zhì)組分由易到難依次被吸附，最難被吸附的氫氣作為產(chǎn)品氣出吸附器。當(dāng)被吸附雜質(zhì)的吸附前沿(此時產(chǎn)品氣中雜質(zhì)達到最大控制濃度)移動到吸附器一定位置時，關(guān)閉原料氣進氣閥和產(chǎn)品氣出口閥，停止吸附工作。原料氣根據(jù)塔號的順序轉(zhuǎn)入吸附劑完全再生且壓力達到吸附壓力的吸附器。②均壓均降(簡稱E1D、E2D、E3D、E4D、E5D、E6D、E7D)。所謂降壓不是一味地對某一臺吸附塔降壓，而是順著吸附方向?qū)⑺?nèi)較高壓力的氣體轉(zhuǎn)入其他已完成再生過程且正在均壓升壓的具有較高壓力吸附塔的過程。該過程既保證了氫氣的充分回收，又保證了裝置的平穩(wěn)操作。降壓過程共進行7次均壓降壓，最后塔內(nèi)的壓力降低到規(guī)定值。③順放(簡稱PP1、PP2)。吸附器沿吸附的正方向與順放氣緩沖罐A進行第一級順向降壓，當(dāng)吸附器內(nèi)壓力下降至規(guī)定值時，結(jié)束第一級順向降壓。然后吸附器沿吸附的正方向與順放氣罐B進行第二級順向降壓，當(dāng)吸附器內(nèi)壓力下降規(guī)定值時，關(guān)閉順放閥，順放二結(jié)束。④逆放(簡稱D1、D2)。吸附器沿吸附的反方向與解吸氣緩沖罐A進行第一級逆向降壓，即逆放前期，吸附劑中的部分雜質(zhì)得到解吸。當(dāng)塔的壓力降到規(guī)定值(此壓力可根據(jù)外送解吸氣壓力情況進行適當(dāng)調(diào)整)時，逆放一結(jié)束。吸附器沿吸附的反方向與解吸氣緩沖罐B進行第二級逆向降壓，即逆放后期，吸附劑中的大部分雜質(zhì)得到解吸。當(dāng)塔的壓力降到規(guī)定值時，逆放二結(jié)束。⑤沖洗(簡稱P2、P1)。利用順放緩沖罐B內(nèi)的順放氣沿吸附的反方向?qū)ξ狡鬟M行第二級沖洗，吸附劑進一步解吸再生。當(dāng)順放緩沖罐B內(nèi)壓力達到規(guī)定值(此壓力可根據(jù)吸附劑再生情況進行適當(dāng)調(diào)整)時，沖洗二結(jié)束。利用順放緩沖罐A內(nèi)的順放氣沿吸附的反方向?qū)ξ狡鬟M行再次沖洗，吸附劑進一步解吸再生。當(dāng)順放緩沖罐A內(nèi)壓力達到規(guī)定值時，沖洗一結(jié)束。⑥均壓均升(簡稱E7R、E6R、E5R、E4R、E5R、E6R、E7R)。同理，均壓不是一味地對某一臺吸附塔升壓，每次升壓均用來自其他吸附塔的較高壓力氫氣依次對該吸附塔進行升壓，最后塔內(nèi)的壓力升高至規(guī)定值。這一過程與均壓降壓過程相對應(yīng)，不僅是升壓過程，而且是回收其它塔床層死空間氫氣的過程。本流程共包括連續(xù)7次均壓升壓過程。最后塔內(nèi)的壓力升高到規(guī)定值。⑦終充(簡稱FR)。用產(chǎn)品氣給吸附器限流充壓使其逐步達到吸附壓力。當(dāng)壓力接近或等于吸附壓力后，終充結(jié)束。至此，吸附器的吸附、再生過程全部結(jié)束，緊接著進行下一次循環(huán)。

3　裝置運行問題及優(yōu)化

3.1運行中出現(xiàn)問題

2015年，心連心公司某變壓吸附提氫投運后，裝置運行穩(wěn)定，出口產(chǎn)品氣純度達到設(shè)計要求，但由于配套的化工項目生產(chǎn)負荷過小，用氫量過小，導(dǎo)致該裝置運行的經(jīng)濟性不夠理想，具體表現(xiàn)在：①產(chǎn)品氫實際用量過小，變壓吸附提氫的運行負荷達不到設(shè)計的最低負荷；②負荷低的情況下，為保證產(chǎn)品氣純度，解吸氣排放量大，導(dǎo)致氫氣回收率低(72%～84%)，原料氣消耗高。

3.2采取措施

針對上述問題，心連心公司技術(shù)人員通過分析后采取了以下優(yōu)化措施：①適當(dāng)延長分子篩吸附時間。變壓吸附提氫運行過程中，每個吸附周期都要有解吸氣排出。由于吸附器及分子篩裝填量是滿負荷設(shè)計的，目前運行負荷較低，分子篩還未達到吸附極限時，即開始再生解吸，造成解吸氣排放量大。所以決定通過延長吸附時間，減少解吸氣排放次數(shù)來提高氫氣收率。具體操作上，為了盡快提高收率，同時保證分子篩床層不被穿透，事先計算出可以提高的最終吸附時間，然后分步驟多次延長吸附時間，單次加吸附時間采取前多后少，每次加時間的間隔采取前短后長，即第一次加100 s，第二次加50 s，之后每2 h加10 s，再后每2～3 h加5 s等。吸附時間的無限延長肯定會造成出口氣體純度下降，所以，在延長吸附時間的同時，嚴格監(jiān)控并保證出口產(chǎn)品氫的各項指標合格。每個生產(chǎn)負荷對應(yīng)一個最佳吸附時間，為兼顧高回收率和裝置安全性，在生產(chǎn)負荷發(fā)生變化，應(yīng)該及時調(diào)整吸附時間，并不斷摸索各種生產(chǎn)負荷下的最佳吸附時間，制定不同生產(chǎn)負荷與最佳吸附時間的對應(yīng)表。這樣，下次生產(chǎn)負荷調(diào)整時，就可以根據(jù)對應(yīng)表直接調(diào)整到最佳吸附時間，但是調(diào)整之后仍然需要加強對出口氣體含量的監(jiān)控。②嚴格控制解吸氣混合罐的壓力：根據(jù)變壓吸附裝置的特點，吸附劑是需要在低壓狀態(tài)下再生，所以解吸氣混合罐的壓力越低越有利于吸附劑的再生，在裝置運行中盡量把混合罐的壓力控制到最低。實際生產(chǎn)中，解吸氣混合罐的壓力控制一般控制在30 kPa以下。③順放罐壓力控制：吸附劑的再生主要是通過低壓狀態(tài)下用順放氣對其進行沖洗，所以控制好沖洗過程的氣量對吸附劑再生效果有很大影響。比如沖洗開始時順放罐的壓力為0.15 MPa，而沖洗結(jié)束時順放罐的壓力為0.05 MPa，那么就有0.1 MPa的氣量對吸附劑再生，而沖洗時間假如為100 s，那么最好的效果是0.1 MPa的氣量在100 s內(nèi)均勻沖洗吸附劑。如果前20 s就用掉0.08 MPa的氣量對吸附劑沖洗，那么后80 s就只有0.02 MPa的氣量對吸附劑沖洗，說明沖洗前期的調(diào)節(jié)閥開度過大，大量的氣體在沖洗前期，那么后期的沖洗效果會很差。所以現(xiàn)場沖洗調(diào)節(jié)閥的開度要適度，保證均勻沖洗。

4　結(jié)語

經(jīng)過現(xiàn)場逐步優(yōu)化，吸附時間最高延長至優(yōu)化前的近4倍，達到了該負荷下的最佳吸附時間；由于吸附時間合理，吸附器每次都能接近或達到吸附極限，每小時解吸氣量降低至優(yōu)化前的41.9%；氫氣收率由84%～87.38%上升至92.45%，原料氣消耗大大下降，有效降低了公司的生產(chǎn)成本。

2016-05-27

李玉順(1960-)，男，高級工程師，從事合成氨、尿素及相關(guān)上下游產(chǎn)品系統(tǒng)技術(shù)研究工作，電話：15237305632。

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