變壓吸附提氫裝置氫收率低的原因分析及改進措施

翟 琛

（陜西陜化煤化工集團有限公司，陜西渭南 714100）

陜西陜化煤化工集團有限公司 （簡稱陜化集團）100kt／a 1，4-丁二醇及下游產(chǎn)品項目由中國成達工程有限公司負責總體設(shè)計。其中，乙炔裝置采用干法電石制乙炔技術(shù)；甲醛裝置采用瑞典柏仕道普公司的鐵鉬法合成技術(shù)；1，4-丁二醇裝置采用美國英威達公司的炔醛法合成技術(shù)；原料氣提氫裝置采用變壓吸附氫提純技術(shù)；空分系統(tǒng)和蒸汽系統(tǒng)則依托陜化集團節(jié)能減排技改項目；同時，1，4-丁二醇項目配套采用了美國霍尼韋爾公司的自動化控制系統(tǒng)和德國西門子公司的緊急停車系統(tǒng)。

陜化集團100kt／a 1，4-丁二醇及下游產(chǎn)品項目2014年投運至今，整體而言系統(tǒng)運行穩(wěn)定，已突破了1，4-丁二醇月產(chǎn)10000t的大關(guān)。但系統(tǒng)連續(xù)、穩(wěn)定運行的同時，項目配套的變壓吸附提氫裝置運行中出現(xiàn)的一個瓶頸問題——原料氣消耗較高、解吸氣量較大、產(chǎn)品氫收率低尤為突出。設(shè)計原料氫氣消耗量為11000m3／h，產(chǎn)品氫氣產(chǎn)量約10000m3／h，解吸氣量約1100 m3／h，氫收率95%；但實際上原料氫氣消耗量約12000m3／h，產(chǎn)品氫氣產(chǎn)量約 9400m3／h，解吸氣量約2600m3／h，氫收率約84%。因此，系統(tǒng)如何節(jié)能降耗，成為陜化集團的一個新課題。為此，陜化集團結(jié)合系統(tǒng)的實際運行情況，分析影響變壓吸附提氫裝置氫收率的主要因素，通過采取相應(yīng)的技術(shù)改造和工藝調(diào)整措施后，最終實現(xiàn)了變壓吸附提氫裝置的高效、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行。

1 變壓吸附提氫裝置簡介

1.1 工作原理

變壓吸附提氫裝置的工作原理是，利用吸附劑對混合氣體組分選擇性吸附的性質(zhì)，以及對吸附組分的吸附量隨壓力的升降同步升降的特性，達到多組分氣體分離純化的目的。

混合原料氣中易吸附組分 （如醇類、H2O、CO、CH4、N2等）先被吸附，不易吸附組分（如H2等）由塔頂排出，作為產(chǎn)品氣送往下一工段；當易吸附組分的吸附前沿快要到達塔頂時，停止通氣，此塔通過和其他塔進行多次均壓降后，塔內(nèi)的有效氣體得到回收，然后通過逆放和吹掃使吸附劑得到再生，最后通過多次均壓升和最終升壓進入下一個吸附循環(huán)。

1.2 工藝流程說明

陜化集團節(jié)能減排技改項目低溫甲醇洗裝置送來的原料氫混合氣，經(jīng)冷卻分離除去氣體中的少量水和醇類雜質(zhì)后，進入變壓吸附裝置脫除其中的 CH4、CO2、CO、CH3O H和少量 N2、A r，制得純度較高的產(chǎn)品氫氣，送往1，4-丁二醇裝置加氫工段；變壓吸附解吸尾氣經(jīng)尾氣壓縮機升壓后送往節(jié)能減排技改項目變換裝置回收利用。

1.3 技改前變壓吸附提氫裝置的運行狀況

變壓吸附提氫裝置于2014年投運，原設(shè)計程序為14—1—11雙沖洗流程，即變壓吸附提氫裝置的14臺吸附塔中有1臺吸附塔始終處于進料吸附的狀態(tài)，其吸附和再生工藝過程由吸附、連續(xù)11次均壓降、逆放、沖洗、連續(xù)11次均壓升和最終升壓等步驟組成。

但隨著變壓吸附提氫裝置運行時間的延長，其氫收率呈逐年下降趨勢。經(jīng)過對原設(shè)計程序的多次修改后，實際運行程序為14—1—9流程，即14臺吸附塔中有1臺吸附塔始終處于進料吸附的狀態(tài)，其吸附和再生工藝過程由吸附、連續(xù)9次均壓降、逆放、沖洗、連續(xù)9次均壓升和最終升壓等步驟組成。裝置原料氫氣消耗約12000 m3／h，產(chǎn)品氫氣產(chǎn)量約 9400m3／h，氫收率約84%，遠低于設(shè)計值。

2 變壓吸附提氫裝置氫收率的主要影響因素

氫收率的計算公示為：氫收率＝［產(chǎn)品氫流量 （m3／h） ×產(chǎn)品氣氫含量 （%）］ ÷ ［原料氫流量 （m3／h） ×原料氣氫含量 （%）］ ×100%。受下游工段的制約，陜化集團產(chǎn)品氫流量和產(chǎn)品氣氫含量是不變的，因此，原料氣消耗較高、解吸氣量較大、原料氣氫含量低是裝置氫收率低的直接影響因素。

2.1 原料氣組成的影響

陜化集團變壓吸附裝置原料氫混合氣來自陜化集團節(jié)能減排技改項目的低溫甲醇洗裝置，原設(shè)計原料氫混合氣的H2含量為96.6% （體積分數(shù)，下同），混合氣中CO、CO2及其他雜質(zhì)含量分別為2.66%、0.0001%、0.7399%。但實際送來的原料氫混合氣H2含量為94%，混合氣中CO、CO2及其他雜質(zhì)含量分別為 3.60%、0.92%、1.48%?？梢钥闯觯瑢嶋H原料氣組分與設(shè)計值存在較大偏差，雜質(zhì)氣體含量遠高于設(shè)計值，由于其中的雜質(zhì)氣體——CO、CO2與吸附劑之間吸附力較強，在變壓吸附裝置運行過程中較難從吸附劑中解吸出來，導致吸附劑再生不徹底，單位時間內(nèi)吸附劑的吸附量下降，從而造成變壓吸附提氫裝置氫收率下降。

2.2 吸附時間的影響

理論上，延長吸附時間就意味著單位時間內(nèi)的再生次數(shù)減少，再生過程中損失的氫氣也就減少，氫收率越高。但是，在同樣的條件下，吸附時間越長，進入吸附劑床層的雜質(zhì)量也就越大，而受吸附塔大小和吸附劑裝填量的制約，吸附劑的動態(tài)吸附量是不會改變的，也就是說不能被吸附劑吸附而穿透吸附劑進入產(chǎn)品氫的雜質(zhì)量也就會增大，如此勢必造成產(chǎn)品氫的純度下降。因此，變壓吸附提氫裝置的實際操作中，在保證產(chǎn)品氫純度的前提下，應(yīng)盡可能延長吸附時間，以提高產(chǎn)品氫氣的收率，實現(xiàn)變壓吸附裝置的經(jīng)濟運行。

2.3 均壓次數(shù)的影響

所謂均壓，就是將需降壓解吸的吸附塔內(nèi)的氣體分別均給需升壓的吸附塔，使需降壓解吸的吸附塔壓力逐級下降、需升壓吸附塔的壓力逐級升高，從而使吸附塔降壓排出產(chǎn)品氫氣的一個過程?？梢?，增加均壓次數(shù)，可回收更多的產(chǎn)品氫氣，氫氣收率得以提高；但是，隨著均壓次數(shù)的增加，順放壓力相應(yīng)降低，使得作為沖洗氣的順放氣中被吸附組分的濃度升高，同時順放壓差變小，吸附劑沖洗再生的效果變差，吸附劑的動態(tài)吸附量減少，產(chǎn)品氫的收率隨之降低。因此，為實現(xiàn)變壓吸附裝置的經(jīng)濟運行，陜化集團將其均壓次數(shù)由原設(shè)計的11次降到了9次。

2.4 均壓降壓力與均壓升壓力的影響

理論上，變壓吸附裝置每次均壓的降壓壓力都比升壓壓力高，即均壓降壓力實際上不等于均壓升壓力。這是因為：一方面降壓過程中吸附塔的初末期平均壓力比升壓過程中吸附塔的初末期平均壓力高，即2臺相互均壓的吸附塔所處狀態(tài)不同、過程也不互逆；另一方面，升壓發(fā)生在吸附劑剛再生好的吸附塔中，塔內(nèi)吸附空間相對于降壓中正在解吸的吸附塔容量更大。變壓吸附提氫裝置運行過程中壓力參數(shù)的對比見表1。

由表1可以看出，雖然陜化集團變壓吸附提氫裝置運行時滿足均壓降壓力都比均壓升壓力高這一理論，但兩者平均壓差過大，達到0.2～0.3MPa。經(jīng)分析，這是變壓吸附提氫裝置均壓程控閥與均壓管線尺寸不匹配造成的。變壓吸附提氫裝置均壓程控閥為D N 32，各塔均壓支管也為D N 32，而二／三均、四／五均、六／七均這3條均壓總管為D N 20，均壓總管尺寸過小，導致各塔在相同均壓時間內(nèi)均壓降壓力與均壓升壓力差值較大，各塔壓力均不平衡，進而導致變壓吸附提氫裝置產(chǎn)品氫收率低。

表1 變壓吸附提氫裝置運行壓力的對比MPa

3 工藝優(yōu)化及改進措施

3.1 降低原料氣中CO、CO2及其他雜質(zhì)含量

為降低原料氣中的CO、CO2及其他雜質(zhì)含量，我們對節(jié)能減排技改項目變換裝置和低溫甲醇洗裝置進行了如下工藝調(diào)整：①更換變換爐催化劑，提高變換爐入口工藝氣的溫度和水氣比，提高變換爐（R1501、R1502）的操作溫度；②加大低溫甲醇洗裝置的甲醇循環(huán)量，降低貧甲醇的溫度，保證甲醇水分離塔（T1605）的正常運行，控制貧甲醇中的水含量；③加強操作運行管理，嚴格控制工藝指標并保持穩(wěn)定，嚴格控制系統(tǒng)加減量的速率，防止變換爐爐溫和系統(tǒng)壓力波動過大。

采取上述工藝優(yōu)化調(diào)整措施后，變壓吸附提氫裝置入口原料氣中的氫含量由94%提高到設(shè)計值96.6%以上，CO含量由3.60%降至1.50%以下，CO2含量由0.92%降至50×10-6以下，其他雜質(zhì)含量由1.48%降至0.50%以下，從源頭上改善了原料氣的氣質(zhì)，解決了變壓吸附提氫裝置負荷重導致的氫收率低問題。

3.2 延長吸附時間

在保證變壓吸附裝置產(chǎn)品氫純度≥99.7%的前提下，維持9次均壓運行的同時盡可能地延長吸附時間，即將吸附時間從30s延長至45s，通過優(yōu)化操作進一步提高變壓吸附提氫裝置產(chǎn)品氫氣的收率。

3.3 保證均壓平衡

重新計算和設(shè)計均壓管線的管徑，增大均壓程控閥和均壓管線的尺寸，將二／三均、四／五均、六／七均這3條均壓總管尺寸由D N 20變更為D N 25，以減小均壓降壓力和均壓升壓力的差值，盡可能地保證均壓降壓力和均壓升壓力的平衡，從設(shè)備硬件匹配上降低降壓解吸吸附塔的壓力，為進一步提高變壓吸附提氫裝置的氫收率做好保障。

3.4 回收變壓吸附提氫裝置的解吸氣

采取上述措施后，變壓吸附提氫裝置解吸氣（尾氣）量約為1300m3／h，壓力0.02MPa，H2含量約80%、CO含量約20%，原設(shè)計此部分尾氣直排火炬系統(tǒng)燃燒排放，造成有效氣的浪費。本著環(huán)保、節(jié)能、高效的原則，陜化集團在變壓吸附提氫裝置下游新增尾氣壓縮裝置，即利用陜化集團原有的2臺M W-22／0.2-25型尾氣壓縮機和新增的2臺D W-1.1／23-66型尾氣壓縮機，將解吸氣壓力由0.02MPa提至6.60MPa，然后通過管道回收至節(jié)能減排項目變換裝置入口總管，實現(xiàn)變壓吸附提氫裝置解吸尾氣的全部回收利用，進一步降低了生產(chǎn)成本，相當于提高了變壓吸附提氫裝置產(chǎn)品氫氣的收率。

4 結(jié)束語

針對陜化集團100kt／a 1，4-丁二醇項目變壓吸附提氫裝置運行過程中存在的產(chǎn)品氫收率低的問題，采取降低原料氫混合氣中的CO、CO2及其他雜質(zhì)含量以及延長吸附時間、保證均壓平衡、回收變壓吸附提氫裝置解吸氣等優(yōu)化改造措施后，變壓吸附提氫裝置在保證出工段產(chǎn)品氫氣產(chǎn)量9400m3／h的前提下，原料氣耗量由12000m3／h降至10700m3／h，解吸尾氣量由2600m3／h降至1300m3／h，并將解吸尾氣全部予以回收，確保了變壓吸附提氫裝置的高效、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行，有力地助推了企業(yè)的節(jié)能減排和降本增效。