變壓吸附提氫（PSA-H）技術(shù)在合成氨廠的應(yīng)用研究

武楷淳

摘 要：本文對(duì)PSA-H技術(shù)的原理與特點(diǎn)進(jìn)行分析，并通過案例分析的方式，介紹了該項(xiàng)技術(shù)的工藝流程、裝置規(guī)格與吸附劑選擇，并對(duì)吸附裝置的生產(chǎn)與運(yùn)行情況進(jìn)行分析，闡述該項(xiàng)技術(shù)在合成氨廠的應(yīng)用方法與效果。通過PSA-H技術(shù)的應(yīng)用，使裝置氫氣回收率達(dá)到87%、氫氣純度達(dá)99.999%，與技術(shù)要求充分符合，運(yùn)行效果良好。

關(guān)鍵詞：PSA-H技術(shù);合成氨;應(yīng)用方法

0 引言

PSA-H技術(shù)屬于氣體凈化提純技術(shù)的一種，隨著該技術(shù)理論層面的不斷完善，可對(duì)CO、CO2、CH4以及烴類有機(jī)氣體進(jìn)行凈化提純，被廣泛應(yīng)用到電子、化工、冶金、國防等多個(gè)領(lǐng)域中，使工業(yè)生產(chǎn)效率得到顯著提升。

1 PSA-H技術(shù)原理與特點(diǎn)

該原理為利用吸附劑對(duì)氣體中各組分的吸附容量與壓力變化呈現(xiàn)差異特點(diǎn)，在選擇性吸附狀態(tài)下，通過增加壓力的方式對(duì)原料中的CO、CO2與CH4等強(qiáng)吸附組分進(jìn)行吸附，而弱吸附組分H2則從吸附塔出口排出，再通過減壓沖洗吸附的CO、CO2與CH4，使吸附劑得以再生。原理如下圖1所示。

該項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)如下：首先，具有較強(qiáng)的壓力適應(yīng)性，變壓吸附對(duì)壓力的要求通常在0-2.98MPa之間，允許壓力變化的范圍較寬，大部分氣源壓力均可滿足這一要求，進(jìn)而減少二次加壓的能耗;其次，自動(dòng)化程度較高，該技術(shù)通過計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)操作，工藝流程較為完善，人員配置數(shù)量較少，基本可實(shí)現(xiàn)無人值班;第三，生產(chǎn)時(shí)只需增加少量吸附塔與程控閥，便可使產(chǎn)量成倍增加，且生產(chǎn)過程中無“三廢”產(chǎn)生，具有較強(qiáng)的節(jié)能環(huán)保特點(diǎn)[1]。

2 PSA-H技術(shù)在合成氨廠的應(yīng)用方法

2.1 工程概述低溫甲醇洗工段

某氮肥廠原本焦?fàn)t煤氣每年產(chǎn)量為16萬t合成氨與28萬t尿素，但因該廠所處區(qū)域的焦?fàn)t煤氣較為豐富，為利用剩余的煤氣，需要對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行優(yōu)化，使能源消耗量降低，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)效益提升，因此對(duì)原本裝置進(jìn)行綜合利用和挖潛改造。采用低溫甲醇洗裝置來的原料氣，利用PSA-H技術(shù)構(gòu)建新的煤氣變壓吸附制氫裝置、合成氨系統(tǒng)，并引入一系列設(shè)備，如壓縮機(jī)、合成塔、脫硫塔等等，使每年合成氨產(chǎn)量增加4.5萬t、尿素增加8.63萬t。在PSA技術(shù)應(yīng)用下，提氫裝置的生產(chǎn)純度達(dá)到99.999%，并將氫氣供合成氨用氫，自從投入生產(chǎn)以來，運(yùn)行效果始終良好。

2.2 工序應(yīng)用

采用低溫甲醇洗裝置來的原料氣，經(jīng)過PSA吸附塔提純后，進(jìn)入一、二級(jí)精脫硫塔中進(jìn)行深度脫硫、脫氧，最終產(chǎn)出合格氫氣，使S的數(shù)值低于5ppb，CO小于5ppm，CO2低于10ppm，氫氣純度達(dá)到99.9%，外送己內(nèi)酰胺、苯加氫和雙氧水等車間使用。同時(shí)，對(duì)解析氣體利用壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮。

2.2.1 粗脫模塊

該環(huán)節(jié)主要包括三臺(tái)粗脫塔，其中兩臺(tái)投入使用，一臺(tái)為備用;也可以根據(jù)實(shí)際情況只投入一臺(tái)使用，剩余兩臺(tái)備用;在必要的情況下也可將三臺(tái)全部投入到粗脫塔運(yùn)行之中。工藝流程為：將源于外界的壓力為20kPa的煤氣從塔底輸入粗脫塔之中，有兩臺(tái)為雜質(zhì)狀態(tài)，剩余一臺(tái)為再生狀態(tài)，三者可以交替工作，使焦?fàn)t煤氣得到初步凈化。

2.2.2 變壓吸附

采用10個(gè)吸附塔，1個(gè)沖洗氣緩沖罐，1臺(tái)解析氣緩沖罐，1臺(tái)混合罐與調(diào)節(jié)閥、程控閥。在工作過程中，包括吸附、均壓、順逆放、沖洗與升壓等流程，在該工藝中采用10-2-5/p時(shí)序，也就是利用10個(gè)吸附塔，2個(gè)在線吸附與5次均壓完成該項(xiàng)流程。

2.2.3 精脫硫工藝

將變壓吸附生產(chǎn)出的中間產(chǎn)品氣，采用熱工藝氣體換熱后，投入到加熱器中使溫度提高到210±10℃，在投入到第一級(jí)銅催化劑脫硫系統(tǒng)中，使原料中的硫化物被有效剔除，硫含量達(dá)到ppb級(jí)別。經(jīng)過深度脫硫后，使原料氣的溫度保持在130±5℃，直接開始二級(jí)脫硫，使微量殘?jiān)惶蕹?，氣體中的硫含量低于0.1ppb。在二級(jí)脫硫后，產(chǎn)品氣與中間產(chǎn)品氣換熱處理，再用冷卻器冷卻，使溫度達(dá)到40℃，送出界區(qū)。

2.2.4 氫氣提純

該項(xiàng)環(huán)節(jié)包括脫硫和脫氧兩項(xiàng)內(nèi)容，在脫硫工序中，經(jīng)過PSA-H技術(shù)應(yīng)用后，煤氣中硫物質(zhì)被徹底脫除干凈，但為了有效延續(xù)催化劑使用壽命，可在PSA-H技術(shù)完成后設(shè)置脫硫工序。在該工序中，主要包括兩臺(tái)精脫硫塔、兩個(gè)手動(dòng)閥門，脫硫塔處于并聯(lián)狀態(tài)，支持交替運(yùn)行，當(dāng)其中一臺(tái)投入運(yùn)行后，另外一臺(tái)可作為脫硫劑備用。在本次工序中，以活性炭作為精脫硫劑，可將氫氣中的有機(jī)/無機(jī)硫有效去除。在脫氧工序中，從PSA工序或者脫硫工序中的氫氣脫除率低于1ppm，在壓力為1.9MPa，溫度為35℃的環(huán)境下，氫氣可進(jìn)入到常溫脫氧塔內(nèi)部，并在裝填常溫Ba催化劑的作用下，氧與氫共同反應(yīng)后可生成水，利用冷卻器冷卻后實(shí)現(xiàn)氣液分離[2]。

2.3 運(yùn)行效果

采用上述工藝流程進(jìn)行操作，在PSA-H技術(shù)應(yīng)用下，當(dāng)前裝置產(chǎn)氫的瞬時(shí)流量均值為12800Nm3/h，氫氣回收率可達(dá)87%，與設(shè)計(jì)要求相比超過86%。在產(chǎn)品氫氣純度方面，可達(dá)99.999%，其中氫氣中各成份含量如下表1所示。與技術(shù)要求不超過10ppm相比較低，說明運(yùn)行效果良好。

3 結(jié)論

綜上所述，PSA-H技術(shù)具有運(yùn)行穩(wěn)定、吸附容量大、抗壓強(qiáng)度高等特點(diǎn)，可促進(jìn)合成氨廠整體運(yùn)行效率提升。在后續(xù)發(fā)展中，還要注意吸附劑易被污染的缺陷，定期檢測(cè)運(yùn)行成果，及時(shí)更換填料，使吸附劑能夠長(zhǎng)久運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]婁軍澤.焦?fàn)t煤氣變壓吸附提氫工藝在合成氨中的應(yīng)用[J].中國科技縱橫，2019，000（016）：75-76.

[2]王瑾，劉志敏.PSA工藝制氫裝置在合成氨廠的應(yīng)用[J].節(jié)能，2019，000（010）：26-28.