PSA氫提純系統(tǒng)的應(yīng)用與故障分析

馮多學(xué)，周偉民

（大連石化公司，遼寧 大連 116031）

變壓吸附（PSA）技術(shù)是通過改變吸附罐壓力對來料氣進行分離，同時自身吸附劑也可實現(xiàn)吸附與再生，單元整體自動化程度高，處理量大，再生速度快，操作穩(wěn)定，能耗低，易于控制，并且對于來料組分復(fù)雜的氣體可一次性脫除雜質(zhì)，獲得高質(zhì)量產(chǎn)品，目前已成為一種成熟的多組分氣體分離技術(shù)。

大連石化公司20 萬Nm3·h-1制氫裝置PSA 氫提純系統(tǒng)目前已投產(chǎn)多年，整體運行穩(wěn)定，但也出現(xiàn)過產(chǎn)品氫壓力波動、程控閥門頻繁故障等異常事件，現(xiàn)就具體情況進行如下分析。

1 PSA 氫提純的原理

變壓吸附氫提純工藝過程之所以得以實現(xiàn)是由于吸附劑在這種物理吸附中所具有的兩個性質(zhì)：一是對不同組分的吸附能力不同，二是吸附質(zhì)在吸附劑上的吸附容量隨吸附質(zhì)的分壓上升而增加，隨吸附溫度的上升而下降。利用吸附劑的第一個性質(zhì)，可實現(xiàn)對含氫氣源中雜質(zhì)組分的優(yōu)先吸附而使氫氣得以提純；利用吸附劑的第二個性質(zhì)，可實現(xiàn)吸附劑在低溫、高壓下吸附而在高溫、低壓下解吸再生，從而構(gòu)成吸附劑的吸附與再生循環(huán)，達到連續(xù)分離提純氫氣的目的。正是吸附劑所具有的這種吸附雜質(zhì)組分的能力遠(yuǎn)強于吸附氫氣能力的特性，才可以將混合氣體中的氫氣提純。吸附劑對各種氣體的吸附性能主要是通過實驗測定的吸附等溫線來評價的。

通常采用不同溫度下的吸附等溫線來描述這一關(guān)系，如圖1 所示。從圖1 的 B→C 和 A→D 可以看出，在壓力一定時，隨著溫度的升高吸附容量逐漸減小。吸附劑的這段特性正是變溫吸附（TSA）工藝所利用的特性。從圖1 的 B→A 可以看出，在溫度一定時，隨著壓力的升高吸附容量逐漸增大。變壓吸附過程正是利用圖1 中吸附劑在 A-B 段的特性來實現(xiàn)吸附與解吸的。吸附劑在常溫高壓（A點）下大量吸附原料氣中除氫以外的雜質(zhì)組分，然后降低雜質(zhì)的分壓（B 點）使各種雜質(zhì)得以解吸。

圖1 不同溫度下的吸附等溫線

2 PSA 系統(tǒng)工藝流程簡述

我公司PSA 系統(tǒng)采用十塔操作，共設(shè)置10 個吸附塔，正常運行時2 個執(zhí)行吸附程序，8 個執(zhí)行再生程序，系統(tǒng)程序設(shè)置13 個步驟：吸附→一次均壓降→二次均壓降→三次均壓降→四次均壓降→順放→逆放→沖洗→四次均壓升→三次均壓升→二次均壓升→一次均壓升→系統(tǒng)終升。正常運行模式采用10-2-4 模式，即10 塔運行，2 塔吸附，4 次均壓。此外，當(dāng)某個吸附塔出現(xiàn)程控閥門狀態(tài)報警并引起測量壓力與系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)壓力不一致時，將啟動自動切塔，切除塔停止吸附并隔離，9 塔在線運行實現(xiàn)9-2-3模式，工作狀態(tài)步序如表1 所示。

表1 工作狀態(tài)步序表

3 PSA出現(xiàn)問題的原因分析及應(yīng)對措施

3.1 PSA 系統(tǒng)頻繁切塔事件

2018年12月27日6 時50 分開始，制氫裝置PSA 單元頻繁出現(xiàn)切塔情況，造成氫網(wǎng)壓力降低，加氫裝置降量配合氫網(wǎng)調(diào)整，至18 時20 分恢復(fù)正常生產(chǎn)，加氫裝置逐步恢復(fù)加工量。

表2 切塔頻次順序表

3.2 原因分析

1）液壓油系統(tǒng)存水，低溫形成冰渣堵塞電磁閥導(dǎo)致切塔。2018年7月末液壓油油冷器泄漏，循環(huán)水進入油系統(tǒng)。2018年7月26日，裝置發(fā)現(xiàn)PSA液壓油箱液位上漲，判定原因是PSA 液壓油站冷卻器泄漏，0.3 MPa 循環(huán)水漏至液壓油箱中。裝置對油樣分析，有明水存在。至9月中旬，裝置通過“排回油加新油”的方式，累計置換新油40 余桶，用于置換系統(tǒng)內(nèi)存水。至9月17日采樣分析為痕跡后，停止換油；同年12月27日最低氣溫降至-14 ℃，液壓油系統(tǒng)水解析形成冰渣，堵塞電磁閥導(dǎo)致程控閥無法正常開關(guān)，PSA 頻繁出現(xiàn)切塔。

表3 8月3日PSA 油采樣分析表

表4 8月6日PSA 油采樣分析表

表5 9月17日PSA 油采樣分析表

2）對微量水的凍凝后果估計不足，措施不到位。9月17日分析液壓油中水含量為痕跡后，意識到系統(tǒng)內(nèi)存水可能造成的防凍凝影響，并通過PSA 油站油箱頂部增加蒸汽伴熱的方法提高油溫，但未考慮到供油總線裸管的降溫會導(dǎo)致微量水形成冰渣，卡澀電磁閥。12月27日出現(xiàn)問題后裝置加采油樣，水含量仍然為痕跡，證實微量水仍會對系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響。

表6 12月27日PSA 油采樣分析表

3.3 解決措施

出現(xiàn)切塔問題后，裝置從“除水、提油溫”兩方面處理，一方面對系統(tǒng)內(nèi)的液壓油繼續(xù)置換，繼續(xù)降低油系統(tǒng)內(nèi)的水含量，從根本上解決問題；另一方面提高油溫，對供油主線加裝蒸汽伴熱膠帶，加包保溫，并設(shè)置擋風(fēng)棚提高環(huán)境溫度，措施落實后，PSA 運行正常，未出現(xiàn)切塔事件。

圖3 上油主線蒸汽帶伴熱，加包保溫

圖4 設(shè)置擋風(fēng)棚，提高環(huán)境溫度

3.4 預(yù)防措施

3.4.1 更換冷卻器形式

計劃詢問PSA廠家及其他煉廠PSA液壓油油冷器形式，條件允許可更換為空氣冷卻等形式，從本質(zhì)上避免水與油的接觸。

3.4.2 油路增加保溫或伴熱

因地理位置影響，為杜絕冬季油路溫度低造成的切塔事件發(fā)生，計劃對PSA 油線增加保溫或者伴熱，提高液壓油循環(huán)溫度，保證生產(chǎn)正常。

4 PSA 切塔經(jīng)濟性分析

大連石化公司氫網(wǎng)氫氣來源主要為PSA氫提純單元，在切塔的同時，不但會影響到裝置的平穩(wěn)運行，也會對氫氣管網(wǎng)壓力造成較大晃動，影響加氫裝置正常的氫氣需求。按照10 塔切至9 塔為例，因9 塔運行時執(zhí)行9-2-3 程序，減少一個均壓升降的過程，部分氫氣無法得到有效回收，即隨尾氣進入轉(zhuǎn)化爐作為燃料燃燒。按照10 萬Nm3·h-1制氫裝置在70%負(fù)荷下，尾氣量為39 000 Nm3·h-1運行數(shù)據(jù)計算，2020年4月裝置9 塔運行時尾氣氫體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)如表7 所示。

表7 2020年4月PSA 尾氣氫體積分?jǐn)?shù)分析表

同年7月，PSA 單元恢復(fù)10 塔運行后，尾氣氫體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)如表8 所示。

表8 2020年7月PSA 尾氣氫體積分?jǐn)?shù)分析表

從表7、表8 數(shù)據(jù)可知，在70%負(fù)荷下尾氣流量為39 000 Nm3·h-1，節(jié)省4 414 Nm3·h-1氫氣，在保證10 塔在線運行情況下，每月可節(jié)省268 萬元。

5 結(jié)束語

PSA 氫提純單元閥門數(shù)量大，動作次數(shù)多，閥門內(nèi)漏、液壓油管路堵塞、閥檢偏差、壓差產(chǎn)生振動等問題持續(xù)困擾單元的平穩(wěn)運行，接下來裝置也會重點關(guān)注以上問題，制定應(yīng)急預(yù)案，為氫網(wǎng)穩(wěn)定供氫。