制氫裝置變壓吸附現(xiàn)狀分析及改造措施

許 楠，肖風(fēng)良

(中國(guó)石化洛陽(yáng)分公司，河南 洛陽(yáng) 471012)

成品油的需求量與質(zhì)量不斷提高，煉油廠油品質(zhì)量升級(jí)刻不容緩，增加加氫工藝裝置成為煉油廠升級(jí)的必由之路，隨之氫氣資源的缺乏也逐漸變成煉油廠的重要問(wèn)題[1]。針對(duì)這一問(wèn)題，各大煉油廠都積極拓寬制氫來(lái)源，而含氫干氣的高效利用已成為降低產(chǎn)氫、用氫成本的重要手段[2-3]。中國(guó)石化洛陽(yáng)分公司(簡(jiǎn)稱洛陽(yáng)分公司)制氫裝置公稱能力為40 000 m3/h 工業(yè)氫，采用輕烴水蒸氣制氫技術(shù)，年開(kāi)工8 400 h，生產(chǎn)純氫30.2 kt。制氫裝置由原料加氫脫硫、水蒸氣轉(zhuǎn)化、中溫變換、變壓吸附(PSA)氫氣提純及余熱回收系統(tǒng)組成[4]。其中PSA氫氣提純部分由成都華西化工科技股份有限公司設(shè)計(jì)，加工量為40 000 m3/h，制氫裝置于2009年5月一次開(kāi)車成功，生產(chǎn)出純度為99.9%的工業(yè)氫。2015年12月裝置大檢修后停運(yùn)制氫裝置，外購(gòu)濟(jì)源氫氣和洛陽(yáng)分公司所產(chǎn)重整氫共同構(gòu)成氫管網(wǎng)，制氫裝置原料富氫氣體進(jìn)入高壓瓦斯管網(wǎng)作為燃料氣。富氫氣體流量(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))為10 500～12 000 m3/h，氫氣體積分?jǐn)?shù)為60%～75%，作為燃料氣造成高壓瓦斯管網(wǎng)過(guò)剩(夏季尤為突出)。為降低購(gòu)氫成本，2016年，對(duì)制氫裝置中PSA單元進(jìn)行改造，利舊現(xiàn)有PSA實(shí)施改造，富氫氣體直接進(jìn)入PSA進(jìn)行提純，2016年11月改造項(xiàng)目完成并成功投產(chǎn)。2017年10月30日至11月10日停工檢修，更換了10臺(tái)程控閥后，至今運(yùn)行正常。以下主要介紹洛陽(yáng)分公司制氫PSA裝置的特點(diǎn)和現(xiàn)狀以及制氫PSA改造內(nèi)容和改造后的標(biāo)定情況。

1 裝置概況

制氫裝置原PSA單元由10臺(tái)吸附塔、2臺(tái)順?lè)殴蕖?臺(tái)解吸氣緩沖罐、1臺(tái)解吸氣混合罐，83個(gè)程控閥及1個(gè)液壓泵站構(gòu)成。產(chǎn)品氫外送至管網(wǎng)，解吸氣送至轉(zhuǎn)化爐作為燃料氣的一部分燒掉。整個(gè)吸附提純過(guò)程通過(guò)程序設(shè)計(jì)控制83個(gè)程控閥自動(dòng)開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用10-2-4流程設(shè)計(jì)，即在一個(gè)吸附周期內(nèi)10塔流程，2塔同時(shí)吸附，吸附過(guò)程包括 4次連續(xù)均壓回收氫氣，逆放、沖洗再生過(guò)程。單獨(dú)對(duì)于一個(gè)吸附塔，共有10個(gè)程控閥，通過(guò)程控閥的開(kāi)關(guān)變化，完成吸附、一均降、二均降、三均降、四均降、順?lè)?、逆放、沖洗、四均升、三均升、二均升、一均升、產(chǎn)品氫終升共13個(gè)工藝步序。

2 改造方案的主要內(nèi)容

利舊現(xiàn)有制氫裝置的PSA單元，實(shí)施適當(dāng)改造，調(diào)整吸附劑配置，停掉制氫裝置原料加氫脫硫、水蒸氣轉(zhuǎn)化、中溫變換、余熱回收系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)富氫氣體直接進(jìn)入PSA單元進(jìn)行提純回收氫氣，同時(shí)仍保留中變氣(即利用富氫氣體脫硫后進(jìn)轉(zhuǎn)化爐進(jìn)行反應(yīng)，再進(jìn)入中變反應(yīng)器后的氣體產(chǎn)物)進(jìn)料運(yùn)行工況。本次PSA改造包括兩部分，分別為PSA流程改造和吸附劑換劑。

2.1 PSA流程改造

改造后PSA工藝流程示意見(jiàn)圖1。富氫氣體經(jīng)富氫氣體分液罐分液后，經(jīng)過(guò)富氫氣體脫硫塔脫硫后，經(jīng)原料氣壓縮機(jī)從0.6 MPa升壓至2.4 MPa，進(jìn)入原有中變氣冷卻流程，利舊中變氣空冷器和中變氣水冷器冷卻至40 ℃，經(jīng)中變氣分水罐分水后，進(jìn)入PSA原料預(yù)處理罐攔截重?zé)N類雜質(zhì)，再進(jìn)入PSA進(jìn)行氫氣提純(PSA吸附劑部分利舊)，PSA解吸氣需要經(jīng)壓縮機(jī)升壓后送至高壓瓦斯管網(wǎng)，氫氣進(jìn)入產(chǎn)品氫升壓機(jī)升壓至3.5 MPa后進(jìn)入氫氣管網(wǎng)。

本次改造新增PSA原料預(yù)處理罐1臺(tái)，改造后PSA采用8-1-4工藝流程，仍由 10臺(tái)吸附塔、2臺(tái)順?lè)殴蕖?臺(tái)解吸氣緩沖罐、1臺(tái)解吸氣混合罐，83個(gè)程控閥及1個(gè)液壓泵站構(gòu)成，8個(gè)塔工作，其余2個(gè)塔處于備用狀態(tài)。運(yùn)行時(shí)1臺(tái)始終處于吸附狀態(tài)，其余7臺(tái)處于再生的不同階段。吸附塔的整個(gè)吸附與再生過(guò)程都是通過(guò)65臺(tái)程控閥門(mén)按一定的工藝步驟和順序進(jìn)行開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

單獨(dú)對(duì)于1個(gè)塔，共有 10 個(gè)程控閥，通過(guò)程控閥的開(kāi)關(guān)變化，仍完成吸附、一均降、二均降、三均降、四均降、順?lè)拧⒛娣?、沖洗、四均升、三均升、二均升、一均升、產(chǎn)品氫終升共 13 個(gè)工藝步序，但是吸附時(shí)間相比改造前進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整。

圖1 改造后PSA工藝流程示意

2.2 PSA吸附劑更換

本次吸附劑裝填方案見(jiàn)表1，主要涉及PSA原料預(yù)處理罐吸附劑裝填(表中序號(hào)1)，原有的10個(gè)吸附塔吸附劑部分更換(表中序號(hào)2～7)。從表1可以看出，根據(jù)PSA進(jìn)料組成的變化，主要在原料預(yù)處理罐中裝填攔截重?zé)N類的吸附劑HXBC-30D，補(bǔ)充吸附水和烴類的吸附劑HXSI-01、HXBC-15D，減少了吸附甲烷和氮?dú)獾奈絼〩XBC-15B、HX5A-98H。

表1 吸附劑裝填方案

3 改造后工藝特點(diǎn)和裝置運(yùn)行效果

3.1 改造后工藝特點(diǎn)

為提高裝置運(yùn)行的連續(xù)性和可靠性，編制了一套自動(dòng)切塔與恢復(fù)程序，即當(dāng)某一臺(tái)吸附塔出現(xiàn)故障時(shí)，可將其脫出工作線，讓剩余的7個(gè)吸附塔轉(zhuǎn)入7-1-3流程(7塔流程、1塔處于吸附、3次均壓)運(yùn)行，如果再有一臺(tái)吸附塔出現(xiàn)故障則可繼續(xù)切除，轉(zhuǎn)入6-1-3流程(6塔流程、1塔處于吸附、3次均壓)，但此時(shí)裝置處理氣量和產(chǎn)氫量等指標(biāo)會(huì)發(fā)生變化，切塔后流量和壓力參數(shù)的變化見(jiàn)表2。

表2 切塔后流量的變化

3.2 標(biāo)定結(jié)果

改造項(xiàng)目于2016年11月20日投產(chǎn)后，運(yùn)行平穩(wěn)正常。于2017年2月13—16日對(duì)裝置進(jìn)行了標(biāo)定。標(biāo)定進(jìn)料條件為：PSA進(jìn)料量(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))10 000～15 000 m3/h，富氫氣氫體積分?jǐn)?shù)不小于70%。以組成來(lái)計(jì)算氫氣回收率(Y)的公式見(jiàn)式(1)。

(1)

式中：φP,φF,φD分別為原料、產(chǎn)品和解吸氣中氫氣體積分?jǐn)?shù)。

3.2.1標(biāo)定原料組成富氫氣原料組成見(jiàn)表3。從表3可以看出，標(biāo)定期間的原料氣組成變化不大，氫氣體積分?jǐn)?shù)平均為71.88%，屬于中等含量的富氫氣體，為典型的以低壓分離氣為主的含氫氣體，雜質(zhì)以C1～C4為主，硫化氫含量極少，C5+重?zé)N類也很少，較適合作為PSA的原料。

表3 富氫氣原料組成 φ，%

3.2.2標(biāo)定主要操作條件標(biāo)定時(shí)的主要操作條件和參數(shù)見(jiàn)表4和表5。由表4和表5可以看出，標(biāo)定期間的操作條件比較平穩(wěn)，基本與制氫工況類似，由于其工藝流程較簡(jiǎn)單，因此操作參數(shù)控制點(diǎn)并不多，2個(gè)分液罐的液位控制都較低，PSA入口溫度和壓力較為平穩(wěn)。

表4 主要操作條件

表5 主要操作參數(shù)

1)為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。

3.2.3產(chǎn)品性質(zhì)制氫PSA的兩種產(chǎn)品解吸氣和氫氣組成見(jiàn)表6和表7。從表6和表7可以看出：由于本裝置PSA為沖洗再生流程，因此解吸氣中有一定量的氫氣，原料氣中的絕大部分雜質(zhì)均在解吸氣中；產(chǎn)品氫中氫氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)到99%以上，CO體積分?jǐn)?shù)平均值小于1 μL/L，CO2體積分?jǐn)?shù)平均值小于5 μL/L，還有極少量的甲烷，完全滿足下游加氫裝置的需求。

表6 解吸氣組成 φ，%

表7 產(chǎn)品氫氣組成 φ，%

1)單位為μLL。

3.2.4物料平衡及氫氣回收率物料平衡數(shù)據(jù)及氫氣回收率見(jiàn)表8和表9。從表8和表9可以看出，原料富氫氣體中氫體積分?jǐn)?shù)平均為71.88%，解吸氣中氫體積分?jǐn)?shù)平均為32.13%，氫氣回收率為81.6%，產(chǎn)品氫體積分?jǐn)?shù)平均為99.52%，滿足用氫需求，此次改造基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表8 物料平衡數(shù)據(jù) m3/h

表9 氫氣回收率 φ，%

3.3 裝置運(yùn)行效果

自2017年2月開(kāi)始，制氫PSA開(kāi)始最大量產(chǎn)氫，引入芳烴干氣進(jìn)制氫PSA，擴(kuò)大原料來(lái)源，按照進(jìn)料量(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))不小于16 000 m3/h、產(chǎn)品氫中(CO+CO2)體積分?jǐn)?shù)不大于10 μL/L來(lái)控制，氫氣體積分?jǐn)?shù)始終保持在99%以上，2017年1—10月制氫PSA產(chǎn)氫量見(jiàn)表10，不僅滿足了用氫單位的需求，也降低了用氫成本。

表10 2017年1—10月制氫PSA產(chǎn)氫量

4 存在的問(wèn)題及對(duì)策

4.1 氣體流量?jī)x表波動(dòng)較大

原制氫裝置PSA設(shè)計(jì)進(jìn)料量(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))為59 000 m3/h，產(chǎn)氫量為40 000 m3/h，改造后進(jìn)料量(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))為12 000～15 000 m3/h，產(chǎn)氫量為7 000～8 700 m3/h，原始管徑過(guò)大，造成計(jì)量?jī)x表不準(zhǔn)確，給物料統(tǒng)計(jì)帶來(lái)一定困難。通過(guò)對(duì)中變氣進(jìn)PSA流量計(jì)和產(chǎn)氫流量計(jì)進(jìn)行縮量程改造，基本滿足了計(jì)量的要求。

4.2 入口分液罐帶液

由于該項(xiàng)改造投用后效益比較明顯，而干氣量主要來(lái)源于重整裝置、催化裂化柴油加氫、直餾柴油加氫、噴氣燃料加氫、蠟油加氫等裝置的低壓分離氣、酸性氣和廢氫，實(shí)施高低硫原油順序加工時(shí)，干氣量較大，經(jīng)過(guò)富氫氣體脫硫塔后，再經(jīng)過(guò)原料氣壓縮機(jī)壓縮后，產(chǎn)生了一定量的胺液和輕烴類混合物，夏季時(shí)排放至裝置放空罐，但是冬季氣溫較低情況下，又是間斷排放，存在凍凝現(xiàn)象，造成PSA被迫降量，以減少帶液。通過(guò)增加排凝管線伴熱，既保證了最大量產(chǎn)氫，又防止管線后路凍凝。

4.3 程控閥部分內(nèi)漏

由于裝置自2009年開(kāi)工至改造期間，程控閥沒(méi)有進(jìn)行更換，部分存在著內(nèi)漏現(xiàn)象，造成氫氣回收率下降，在2017年11月檢修過(guò)程中，運(yùn)用靜態(tài)基準(zhǔn)塔判斷法[5]，更換了10臺(tái)存在內(nèi)漏的程控閥，同時(shí)發(fā)現(xiàn)程控閥中有少量吸附劑粉末，初步判斷為塔頂部絲網(wǎng)可能發(fā)生破損，為此更換了新絲網(wǎng)，跑劑原因可能是因?yàn)槲絼﹥H是部分更換，吸附劑受烴類長(zhǎng)期浸透和穿透產(chǎn)生粉化從絲網(wǎng)漏出。因此，監(jiān)控原料組成、根據(jù)在線分析儀及時(shí)調(diào)整吸附時(shí)間對(duì)于制氫PSA長(zhǎng)周期運(yùn)行十分必要。

5 結(jié) 論

PSA制氫裝置改造后，優(yōu)化了產(chǎn)氫流程，提高了供氫量，在原料富氫氣體中氫體積分?jǐn)?shù)為71.88%的條件下，產(chǎn)品氫中氫體積分?jǐn)?shù)達(dá)到99%以上，CO體積分?jǐn)?shù)平均值小于1 μL/L，CO2體積分?jǐn)?shù)平均值小于5 μL/L，氫氣回收率為81.6%，基本滿足了用氫要求。