無(wú)動(dòng)力變壓吸附提氫裝置的運(yùn)行及優(yōu)化總結(jié)

李玉順 ， 顧朝暉 ， 劉　偉 ， 楊國(guó)洞

(河南心連心化肥有限公司 , 河南 新鄉(xiāng)　453731)

?

無(wú)動(dòng)力變壓吸附提氫裝置的運(yùn)行及優(yōu)化總結(jié)

李玉順 ， 顧朝暉 ， 劉偉 ， 楊國(guó)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(diǎn)、分類以及變壓吸附提氫裝置的工藝流程和運(yùn)行情況，針對(duì)運(yùn)行中遇到的問(wèn)題進(jìn)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(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

無(wú)動(dòng)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(jiǎn)稱心連心公司)是中國(guó)大型煤頭尿素生產(chǎn)商之一，公司現(xiàn)擁有尿素260萬(wàn)t/a、復(fù)合肥125萬(wàn)t/a和甲醇30萬(wàn)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(gè)化工項(xiàng)目原料氫的制取均采用了無(wú)動(dòng)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(yùn)行情況及工藝優(yōu)化進(jìn)行總結(jié)。

1　工藝簡(jiǎn)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(guò)周期性的壓力變換過(guò)程實(shí)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(wú)動(dòng)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(shí)，當(dāng)壓力降到常壓后，采用真空泵對(duì)吸附塔進(jìn)行抽真空的方法進(jìn)行進(jìn)一步地再生；而無(wú)動(dòng)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(duì)吸附劑床層進(jìn)行吹掃使得吸附劑再生，從而節(jié)約了真空泵日常運(yùn)行的電耗及維修費(fèi)用，達(dá)到節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用的目的。

2　裝置概況

2.1設(shè)計(jì)參數(shù)

心連心公司變壓吸附提氫裝置于2015年投產(chǎn)運(yùn)行，采用10-1-7/P工藝，即10個(gè)吸附塔，一個(gè)吸附塔同時(shí)進(jìn)料，7次均壓，順?lè)艣_洗再生。設(shè)計(jì)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(jìn)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(jì)計(jì)量后，進(jìn)入變壓吸附PSA程序：①吸附(簡(jiǎn)稱A)。原料氣通過(guò)原料進(jìn)氣閥自下而上進(jìn)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(shí)產(chǎn)品氣中雜質(zhì)達(dá)到最大控制濃度)移動(dòng)到吸附器一定位置時(shí)，關(guān)閉原料氣進(jìn)氣閥和產(chǎn)品氣出口閥，停止吸附工作。原料氣根據(jù)塔號(hào)的順序轉(zhuǎn)入吸附劑完全再生且壓力達(dá)到吸附壓力的吸附器。②均壓均降(簡(jiǎn)稱E1D、E2D、E3D、E4D、E5D、E6D、E7D)。所謂降壓不是一味地對(duì)某一臺(tái)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(guò)程且正在均壓升壓的具有較高壓力吸附塔的過(guò)程。該過(guò)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(guò)程共進(jìn)行7次均壓降壓，最后塔內(nèi)的壓力降低到規(guī)定值。③順?lè)?簡(jiǎn)稱PP1、PP2)。吸附器沿吸附的正方向與順?lè)艢饩彌_罐A進(jìn)行第一級(jí)順向降壓，當(dāng)吸附器內(nèi)壓力下降至規(guī)定值時(shí)，結(jié)束第一級(jí)順向降壓。然后吸附器沿吸附的正方向與順?lè)艢夤轇進(jìn)行第二級(jí)順向降壓，當(dāng)吸附器內(nèi)壓力下降規(guī)定值時(shí)，關(guān)閉順?lè)砰y，順?lè)哦Y(jié)束。④逆放(簡(jiǎn)稱D1、D2)。吸附器沿吸附的反方向與解吸氣緩沖罐A進(jìn)行第一級(jí)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(jìn)行適當(dāng)調(diào)整)時(shí)，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(jìn)行第二級(jí)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(shí)，逆放二結(jié)束。⑤沖洗(簡(jiǎn)稱P2、P1)。利用順?lè)啪彌_罐B內(nèi)的順?lè)艢庋匚降姆捶较驅(qū)ξ狡鬟M(jìn)行第二級(jí)沖洗，吸附劑進(jìn)一步解吸再生。當(dāng)順?lè)啪彌_罐B內(nèi)壓力達(dá)到規(guī)定值(此壓力可根據(jù)吸附劑再生情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整)時(shí)，沖洗二結(jié)束。利用順?lè)啪彌_罐A內(nèi)的順?lè)艢庋匚降姆捶较驅(qū)ξ狡鬟M(jìn)行再次沖洗，吸附劑進(jìn)一步解吸再生。當(dāng)順?lè)啪彌_罐A內(nèi)壓力達(dá)到規(guī)定值時(shí)，沖洗一結(jié)束。⑥均壓均升(簡(jiǎn)稱E7R、E6R、E5R、E4R、E5R、E6R、E7R)。同理，均壓不是一味地對(duì)某一臺(tái)吸附塔升壓，每次升壓均用來(lái)自其他吸附塔的較高壓力氫氣依次對(duì)該吸附塔進(jìn)行升壓，最后塔內(nèi)的壓力升高至規(guī)定值。這一過(guò)程與均壓降壓過(guò)程相對(duì)應(yīng)，不僅是升壓過(guò)程，而且是回收其它塔床層死空間氫氣的過(guò)程。本流程共包括連續(xù)7次均壓升壓過(guò)程。最后塔內(nèi)的壓力升高到規(guī)定值。⑦終充(簡(jiǎn)稱FR)。用產(chǎn)品氣給吸附器限流充壓使其逐步達(dá)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(guò)程全部結(jié)束，緊接著進(jìn)行下一次循環(huán)。

3　裝置運(yùn)行問(wèn)題及優(yōu)化

3.1運(yùn)行中出現(xiàn)問(wèn)題

2015年，心連心公司某變壓吸附提氫投運(yùn)后，裝置運(yùn)行穩(wěn)定，出口產(chǎn)品氣純度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但由于配套的化工項(xiàng)目生產(chǎn)負(fù)荷過(guò)小，用氫量過(guò)小，導(dǎo)致該裝置運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性不夠理想，具體表現(xiàn)在：①產(chǎn)品氫實(shí)際用量過(guò)小，變壓吸附提氫的運(yùn)行負(fù)荷達(dá)不到設(shè)計(jì)的最低負(fù)荷；②負(fù)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(duì)上述問(wèn)題，心連心公司技術(shù)人員通過(guò)分析后采取了以下優(yōu)化措施：①適當(dāng)延長(zhǎng)分子篩吸附時(shí)間。變壓吸附提氫運(yùn)行過(guò)程中，每個(gè)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(fù)荷設(shè)計(jì)的，目前運(yùn)行負(fù)荷較低，分子篩還未達(dá)到吸附極限時(shí)，即開(kāi)始再生解吸，造成解吸氣排放量大。所以決定通過(guò)延長(zhǎng)吸附時(shí)間，減少解吸氣排放次數(shù)來(lái)提高氫氣收率。具體操作上，為了盡快提高收率，同時(shí)保證分子篩床層不被穿透，事先計(jì)算出可以提高的最終吸附時(shí)間，然后分步驟多次延長(zhǎng)吸附時(shí)間，單次加吸附時(shí)間采取前多后少，每次加時(shí)間的間隔采取前短后長(zhǎng)，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(shí)間的無(wú)限延長(zhǎng)肯定會(huì)造成出口氣體純度下降，所以，在延長(zhǎng)吸附時(shí)間的同時(shí)，嚴(yán)格監(jiān)控并保證出口產(chǎn)品氫的各項(xiàng)指標(biāo)合格。每個(gè)生產(chǎn)負(fù)荷對(duì)應(yīng)一個(gè)最佳吸附時(shí)間，為兼顧高回收率和裝置安全性，在生產(chǎn)負(fù)荷發(fā)生變化，應(yīng)該及時(shí)調(diào)整吸附時(shí)間，并不斷摸索各種生產(chǎn)負(fù)荷下的最佳吸附時(shí)間，制定不同生產(chǎn)負(fù)荷與最佳吸附時(shí)間的對(duì)應(yīng)表。這樣，下次生產(chǎn)負(fù)荷調(diào)整時(shí)，就可以根據(jù)對(duì)應(yīng)表直接調(diào)整到最佳吸附時(shí)間，但是調(diào)整之后仍然需要加強(qiáng)對(duì)出口氣體含量的監(jiān)控。②嚴(yán)格控制解吸氣混合罐的壓力：根據(jù)變壓吸附裝置的特點(diǎn)，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(yùn)行中盡量把混合罐的壓力控制到最低。實(shí)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?lè)殴迚毫刂疲何絼┑脑偕饕峭ㄟ^(guò)低壓狀態(tài)下用順?lè)艢鈱?duì)其進(jìn)行沖洗，所以控制好沖洗過(guò)程的氣量對(duì)吸附劑再生效果有很大影響。比如沖洗開(kāi)始時(shí)順?lè)殴薜膲毫?.15 MPa，而沖洗結(jié)束時(shí)順?lè)殴薜膲毫?.05 MPa，那么就有0.1 MPa的氣量對(duì)吸附劑再生，而沖洗時(shí)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(duì)吸附劑沖洗，那么后80 s就只有0.02 MPa的氣量對(duì)吸附劑沖洗，說(shuō)明沖洗前期的調(diào)節(jié)閥開(kāi)度過(guò)大，大量的氣體在沖洗前期，那么后期的沖洗效果會(huì)很差。所以現(xiàn)場(chǎng)沖洗調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度要適度，保證均勻沖洗。

4　結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)逐步優(yōu)化，吸附時(shí)間最高延長(zhǎng)至優(yōu)化前的近4倍，達(dá)到了該負(fù)荷下的最佳吸附時(shí)間；由于吸附時(shí)間合理，吸附器每次都能接近或達(dá)到吸附極限，每小時(shí)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(jí)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。

TQ052

B

1003-3467(2016)08-0059-02