氫氣提純裝置（PSA）改造

王 璐，文 章

（中國石油廣西石化公司，廣西 欽州 535008）

氫氣提純裝置（PSA）改造

王 璐，文 章

（中國石油廣西石化公司，廣西 欽州 535008）

南方某煉廠氫氣提純裝置（PSA），由于原設(shè)計中的程控閥選型存在一定問題，使得吸附劑使用效果不理想，造成產(chǎn)品氫氣純度只有在吸附劑使用初期時才能達到設(shè)計、生產(chǎn)要求，但在保證了產(chǎn)品氫純度時，氫氣回收率卻不盡理想，與原設(shè)計存在偏離。經(jīng)過改造，不僅解決了程控閥的問題，更主要的是在滿足產(chǎn)品氫純度的同時，氫氣回收率也較為理想。新增的流程、預(yù)處理系統(tǒng)也為裝置長周期安全、平穩(wěn)、高效生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

氫氣；改造；運行

1 裝置簡介

南方某煉廠的氫氣提純裝置（PSA1），由PSA主體部分、解吸氣壓縮機部分和公用工程部分組成，以重整氫氣和含硫量高的加氫裝置冷低分氣等混合氣為原料，采用國內(nèi)某公司的10-2-4 PSA 流程變壓吸附氫提純技術(shù)，從混合氣中提純分離出純度大于99.9%的氫氣，副產(chǎn)品解吸氣可作為燃料氣使用或送入制氫裝置。

改造后，裝置采用國外某公司的10-2-4的流程變壓吸附氫提純技術(shù)，原料氣為重整氫、含硫量高的加氫裝置冷低分氣和氫氣回收裝置產(chǎn)品氫的混合氣。產(chǎn)品氫純度達99.9%以上，產(chǎn)品氫規(guī)模為12×104Nm3·h-1，氫氣回收率達到92%，操作彈性為50%～110%。副產(chǎn)品解吸氣進入全廠燃料氣管網(wǎng)，或者作為制氫裝置或氫氣回收裝置的原料。裝置由PSA撬塊、預(yù)處理部分、解吸氣壓縮機部分和公用工程部分組成。

2 原有運行問題

2.1 設(shè)計缺陷

2.1.1 均壓速度過快

PSA1裝置由10臺吸附塔和4臺緩沖罐組成，采用10-2-4 PSA工藝流程，即裝置的10個吸附塔中有2個吸附塔始終處于同時進料吸附的狀態(tài)。其吸附和再生工藝過程由吸附、連續(xù)4次均壓降壓、順放、沖洗、連續(xù)4次均壓升壓和產(chǎn)品最終升壓等步驟組成。

圖1 吸附塔的實際壓力變化曲線與理想曲線

圖1是吸附塔的實際壓力變化曲線與理想曲線對比。從圖1可以看出，實際的吸附曲線成階梯狀，均壓過程過快。而導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因是均壓管線的管徑設(shè)計失誤，均壓過程中氣體流速過大。管線流速過大直接帶來設(shè)備的運行問題。均壓速度過快，引起床層頂部的吸附劑沸騰而粉化，較高的氣流攜帶著吸附劑粉塵對程控閥長期沖刷，吸附塔的每次均壓都會對吸附劑床層造成巨大沖擊，并且PSA1裝置運行時一直存在噪音較高的問題。為解決均壓問題，在均壓速度過快的管線中加裝限流孔板，之后3次調(diào)整孔板的尺寸和位置，均無明顯效果。

2.1.2 程控閥選型錯誤

程控閥選型為液壓制動兩位式蝶閥，運行過程中有三大問題：1）兩位式開關(guān)動作，瞬間全開或全關(guān)，進一步加重了均壓的速度，每次均壓對吸附劑床層造成的沖擊不亞于一次爆破吹掃；2）程控閥內(nèi)漏嚴重。程控閥內(nèi)漏是吸附塔內(nèi)吸附劑穿透失活的主要原因之一，PSA1裝置運行以來，已對內(nèi)漏的程控閥多次維修或更換；3）執(zhí)行機構(gòu)液壓缸接頭頻繁漏油，液壓油滴落到地面，污染裝置的雨排系統(tǒng)。

2.1.3 氫氣回收率低

PSA1裝置設(shè)計氫氣回收率的保證值是92%，期望值是93%，產(chǎn)品氫純度為99.9%。但實際運行期間，氫氣回收率長期低于90%，主要表現(xiàn)在產(chǎn)品氫純度低（末期低于95%），解吸氣氫氣含量高（設(shè)計43%，末期實際高于70%）。針對氫氣回收率低的問題，裝置進行了3次換劑，其中兩次為撇頭換劑，一次為全部換劑，每次換劑后初期運行效果改善，隨后吸附劑吸附效果逐漸變差，回收率低的問題始終無法徹底解決。

2.1.4 PSA1裝置管道未設(shè)計保冷設(shè)施

重整氫氣經(jīng)過丙烷冷凍后，到PSA1裝置溫度只有7℃左右，而欽州地區(qū)由于空氣相對濕度較高，空氣中的水分會在管道壁上冷凝，PSA1管道未設(shè)保冷設(shè)施，管道常年滴水，不但增加了現(xiàn)場管理的難度，同時增加了設(shè)備銹蝕，不利于裝置長周期運行。

2.2 混合低分氣品質(zhì)差

2.2.1 低分氣純度低

PSA1來料分為三部分，分別為重整氫氣、加氫裂化脫硫低分氣和渣油加氫脫硫低分氣。由化驗分析數(shù)據(jù)可知，重整氫氣的純度與設(shè)計值相近，約為91%～92%，而加氫低分氣和渣油加氫低分氣的氫氣純度均長期為80%，遠低于二期工況設(shè)計的89%、86%，這導(dǎo)致兩股原料氣混合后的氫氣純度偏低，在同等操作條件下（主要為吸附時間的設(shè)定），則產(chǎn)品氫純度與設(shè)計值相比偏低。

2.2.2 低分氣夾帶銨鹽

由于PSA1系統(tǒng)壓降增大，PSA1進行緊急停工檢修，打開原料氣分液罐頂部出口時發(fā)現(xiàn)，出口過濾器發(fā)生堵塞，對堵塞物進行收集后送檢，化驗分析發(fā)現(xiàn)結(jié)晶物含硫化銨。進一步分析后發(fā)現(xiàn)，加氫裂化低分氣中銨離子含量約200×10-6，遇微量硫后會生成銨鹽，堵塞在出口過濾器處。

2.2.3 低分氣帶液嚴重

兩路加氫低分氣一直以來帶液嚴重，PSA1原料氣分液罐每天定時切液，排出大量污水。

2.2.4 低分氣硫化氫腐蝕嚴重

正常情況下，兩路低分氣經(jīng)胺洗后可以去除大部分硫化氫，滿足PSA1對進料中硫含量的要求（設(shè)計6×10-6）。但由于生產(chǎn)波動等原因，低分氣中的硫含量有超標的情況。更為嚴重的是沒有脫硫的低分氣直接進入PSA1裝置，大量硫化氫進入吸附劑床層，降低吸附劑的吸附效果，并對原料分液罐頂部鋼結(jié)構(gòu)格柵板、絲網(wǎng)、吸附塔底部絲網(wǎng)造成嚴重腐蝕。

3 改造內(nèi)容

由于裝置存在諸多生產(chǎn)運行問題，不但氫氣純度、氫氣回收率難以保證生產(chǎn)要求，而且還造成了吸附塔“跑劑”，導(dǎo)致解吸氣壓縮機轉(zhuǎn)子損壞等問題。經(jīng)多方分析研究，最終于2016年10月開始，對原有PSA裝置進行全面改造。

3.1 更換工藝包

原設(shè)計采用國內(nèi)某公司的10-2-4 PSA 流程變壓吸附氫提純技術(shù)，改造后，采用國外某公司的10-2-4 PSA 流程變壓吸附氫提純技術(shù)。新工藝保留原有10臺吸附塔和原料氣緩沖罐，去除了順放氣罐，將原有2臺串聯(lián)尾氣緩沖罐改為并聯(lián)。

3.2 更換吸附劑

原設(shè)計裝填為5種吸附劑、一種瓷球，改造后裝填為3種吸附劑、3種瓷球，均為專利產(chǎn)品。

3.3 更換吸附區(qū)所有管閥架及控制閥

原設(shè)計中的80臺程控閥由液壓油系統(tǒng)驅(qū)動，執(zhí)行機構(gòu)液壓缸接頭頻繁漏油，且程控閥每開關(guān)一次相當(dāng)于一次小型爆破。改造后將其更換為軟密封形式的氣動控制閥共62臺，由后臺程序自動控制每步序的閥門開度，有效減小了全開全關(guān)對吸附劑的沖擊，同時也避免了泄漏的液壓油污染裝置的雨水系統(tǒng)。

3.4 增加解吸氣至膜回收裝置流程

由于解吸氣中氫氣含量偏高，為了更好地將其進行回收利用，吸附后的解吸氣改至膜回收裝置，通過膜分離，回收的氫氣回到PSA裝置入口，再經(jīng)提純后送入氫氣管網(wǎng)，增加了產(chǎn)氫量，提升了效益。

3.5 增設(shè)了預(yù)處理部分

加氫混合低分氣夾帶銨鹽，遇微量硫就會生成硫化銨，對設(shè)備造成堵塞。針對此現(xiàn)象，在混合低分氣進原料氣緩沖罐前，增加了水洗塔、水洗泵、穩(wěn)壓罐、除氣罐等設(shè)備及配套控制系統(tǒng)、管線、儀表、閥門、安全閥等，以便更好地脫去混合低分氣中的銨鹽。

4 改造后運行效果

4.1 氫氣純度對比

圖2是改造前后的產(chǎn)品氫數(shù)據(jù)對比圖。由圖2可以看出，改造換劑前，氫氣純度平均值在96%，遠遠達不到設(shè)計值99.9%。改造后，氫氣純度平均值為99.99%，效果很理想。

圖2 改造前后的產(chǎn)品氫純度數(shù)據(jù)對比

4.2 氫氣回收率對比

圖3為改造前后的產(chǎn)品氫回收率對比圖。圖3中數(shù)據(jù)的趨勢很明顯，改造前氫氣回收率在85%左右，遠遠達不到設(shè)計的89.5%，改造后回收率在90%，較穩(wěn)定。

圖3 改造前后的產(chǎn)品氫回收率對比圖

5 結(jié)論

針對此套PSA的改造是比較成功的。首先，解決了原有設(shè)計中程控閥的選型問題，不會再有瞬間全開全關(guān)對吸附劑造成較大沖擊的現(xiàn)象；其次，程控閥由原有的液壓制動到現(xiàn)在的氣動閥門，解決了現(xiàn)場液壓油滲漏污染雨水池的問題；第三，增設(shè)的預(yù)處理系統(tǒng)能有效避免混合低分氣中夾帶的銨鹽與微量硫反應(yīng)生成硫化銨，對設(shè)備造成堵塞。更主要的還是保證了在較高的產(chǎn)品氫純度下較高的氫氣回收率，使裝置能夠安全平穩(wěn)、低能高效地長周期運行。

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Pressure Swing Adsorption (PSA) Unit Improvment

WANG Lu, WEN Zhang
(Guangxi Petrochemical Company, CNPC, Qinzhou 535008, China)

TQ 116.2

B

1671-9905(2017)07-0065-03