PSA氫回收裝置工藝優(yōu)化簡介

毛司理，馮 建，胡 明，陳 勇，鐘國強(qiáng)

（中海石油化學(xué)股份有限公司，海南 東方 572600）

中海石油建滔化工有限公司600kt／a天然氣制甲醇裝置于2006年9月投產(chǎn)，是我國最先利用國外先進(jìn)技術(shù)建成的大型中壓合成甲醇生產(chǎn)裝置。其PSA氫回收系統(tǒng)自投產(chǎn)以來，隨著技術(shù)與操作人員對工藝掌握程度的提高，以及生產(chǎn)工況的不斷變化，對工藝操作指標(biāo)進(jìn)行了一系列調(diào)整，對操作規(guī)程進(jìn)行了多次優(yōu)化，在工藝指標(biāo)調(diào)節(jié)及操作細(xì)化上逐漸形成了特有的思路；本文著重探討通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)與理論參數(shù)的對比，評估主要操作參數(shù)如原料天然氣組分波動、操作系數(shù)低、吸附劑吸附效果變差等對PSA單元回收氫氣的影響，從而優(yōu)化工藝指標(biāo)，達(dá)到增產(chǎn)降耗、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

1 影響PSA單元氫氣產(chǎn)量的主要因素

1.1 操作系數(shù)

吸附時間的控制方式有自動和手動（或能力和局部）兩種控制方式。自動方式控制時，吸附時間作為進(jìn)料流率的一個函數(shù)自動計算得出，吸附時間可以隨進(jìn)料流率的變化及時自動地調(diào)整，而且可以通過調(diào)整控制系數(shù)使得吸附時間與進(jìn)料流量相匹配，使氫回收率保持在一個高水平上。因此，正常生產(chǎn)中自動（或能力）控制方式是優(yōu)先選擇的操作方式。

手動（或局部）控制時，吸附時間的控制由操作員利用控制臺鍵盤輸入新的吸附時間來實現(xiàn)。一般應(yīng)用于開停車或者進(jìn)料組成急劇變化和懷疑進(jìn)料流量計有故障等異常情況下，操作員根據(jù)需要或?qū)嶋H進(jìn)料量的大小，輸入合適的吸附時間，以便盡快地得到合格產(chǎn)品或防止雜質(zhì)超載現(xiàn)象的發(fā)生。

PSA單元回收的氫氣的純度必須大于98.0%。其操作系數(shù)是一個可訪問的顯示電，允許手動調(diào)整吸附時間，即操作人員可通過調(diào)整操作系數(shù)來調(diào)整PSA步驟時間。它能有以下幾個值：

操作系數(shù)＝1 吸附時間（周期）與設(shè)計指標(biāo)相同

操作系數(shù)＞1 延長PSA周期、延長吸附時間

操作系數(shù)＜1 縮短PSA周期、縮短吸附時間

筆者在系統(tǒng)負(fù)荷為100%（氫氣設(shè)計產(chǎn)量16 430m3／h），其他參數(shù)大致不變的情況下調(diào)整操作系數(shù)到穩(wěn)定狀態(tài)，并記錄了相關(guān)的數(shù)據(jù)，見表1。

表1 氫氣純度及實際產(chǎn)量與PSA操作系數(shù)的關(guān)系

由表1可以看出，在設(shè)計指標(biāo)范圍內(nèi)，保證PSA裝置所產(chǎn)氫氣純度大于98.0%的情況下，適當(dāng)調(diào)節(jié)PSA操作系數(shù)對氫氣實際產(chǎn)量有明顯的影響。

1.2 原料天然氣組分

筆者在系統(tǒng)負(fù)荷為100%，其他參數(shù)大致不變的情況下，觀察原料天然氣組分波動對PSA單元氫氣產(chǎn)量的影響，見表2。

表2 原料天然氣組分波動對PSA單元氫氣產(chǎn)量的影響

由表2可以看出，在設(shè)計指標(biāo)范圍內(nèi)，保證PSA裝置所產(chǎn)氫氣純度大于98.0%的情況下，原料天然氣甲烷含量的波動，對PSA系統(tǒng)氫氣產(chǎn)量有直接的影響。原料天然氣組分由上游供氣公司控制，我們只能加強(qiáng)與上游供氣公司的聯(lián)系，盡量穩(wěn)定天然氣組分，保證PSA裝置的產(chǎn)氫量正常。

1.3 吸附劑老化

筆者在系統(tǒng)負(fù)荷為100%，其他參數(shù)大致不變情況下，對PSA操作系數(shù)進(jìn)行分析（因操作系數(shù)是反映PSA吸附劑吸附能力的重要指標(biāo)），即將以往數(shù)據(jù)和設(shè)計指標(biāo)進(jìn)行對比，見表3。

表3 吸附劑老化對PSA操作系數(shù)及氫氣產(chǎn)量的影響

由表3可以看出，在設(shè)計指標(biāo)范圍內(nèi)，保證PSA裝置所產(chǎn)氫氣純度大于98.0%的情況下，隨著PSA吸附劑吸附效果的減弱，氫氣產(chǎn)量逐漸下降。

2 工藝操作優(yōu)化

2.1 優(yōu)化調(diào)整的數(shù)據(jù)記錄（表4、表5）

表4 9月3日優(yōu)化調(diào)整數(shù)據(jù)記錄表

由表4可以看出，操作系數(shù)在0.68～0.64之間變化時，對PSA裝置的產(chǎn)氫量及氫氣純度的影響不大；當(dāng)操作系數(shù)從0.64降至0.63時，氫氣純度上升較多，而產(chǎn)氫量開始下降。

表5 9月6日優(yōu)化調(diào)整數(shù)據(jù)記錄表

由表5可以看出，操作系數(shù)在0.63～0.64之間變化時，對PSA裝置的產(chǎn)氫量及氫氣純度影響不大；當(dāng)操作系數(shù)從0.64提高到0.65時，氫氣純度開始下降，而產(chǎn)氫量開始上升；操作系數(shù)在0.66～0.70之間變化時，對產(chǎn)氫量及氫氣純度影響不大；當(dāng)操作系數(shù)從0.70提高到0.71時，氫氣純度下降較多，而產(chǎn)氫量上升較多。PSA裝置的運(yùn)行狀態(tài)分兩個階段發(fā)生著比較大的變化。

2.2 工藝優(yōu)化調(diào)整的成果

工藝優(yōu)化前后各相關(guān)數(shù)據(jù)見表6。

表6 工藝優(yōu)化前后系統(tǒng)各相關(guān)數(shù)據(jù)

由表6可見，產(chǎn)氫量從優(yōu)化前的16 960m3／h上升到優(yōu)化后的18 550m3／h。因氫氣在我部門沒有進(jìn)行定價，所以不能直接進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益的計算，但可以通過平時向外部的送氫量（見表7）來進(jìn)行詁算。

表7 PSA氫回收裝置工藝優(yōu)化后系統(tǒng)的運(yùn)行狀況

由外送氫量與甲醇產(chǎn)量的對應(yīng)關(guān)系，據(jù)表7可計算出生產(chǎn)甲醇所需的氫氣量為2 500m3／h×24h／d÷（1 802t／d－1 784t／d）＝3 333.33m3／t。產(chǎn)氫量由16 960m3／h上升到18 550m3／h，則可多產(chǎn)甲醇（18 550m3／h－16 960m3／h）×24h／d÷3 333.33m3／t＝11.15t／d；甲醇價格以2 500元／t計，則效益為11.15t／d×2500元／t＝27875元／d。

產(chǎn)氫量的增加，使作為燃料的尾氣減少，為保持系統(tǒng)平衡必須加入天然氣（增產(chǎn)氫氣量的1／3）。天然氣價格為0.58元／m3，則增加的燃?xì)獬杀緸椋?8 550m3／h－16 960m3／h）÷3×0.58元／m3×24h／d＝7 377元／d。

上述兩項合計，綜合效益為（27 875元／d－7 377元／d）×365d／a＝748萬元／a。

3 結(jié)束語

操作系數(shù)調(diào)整后，PSA氫回收系統(tǒng)運(yùn)行狀況頗佳，產(chǎn)氫能力有了一定的提高，運(yùn)行較為穩(wěn)定，并降低了系統(tǒng)的能耗，為公司創(chuàng)造了可觀的效益。

［1］張魁.PSA制氣裝置運(yùn)行現(xiàn)狀及優(yōu)化措施 ［J］.天津科技，2012，39 （5）：32～34.

［2］夏青，陳常貴主編.化工原理 ［M］.天津：天津大學(xué)出版社，2005.

［3］天津大學(xué)物理化學(xué)教研室編.物理化學(xué) （第四版） ［M］.北京：高等教育出版社，2008.

［4］天津堿廠.合成氨裝置變壓吸附提氫工序崗位操作法.