天然气制气中优化PSA装置操作

上海石洞口煤气制气有限公司 马龙

0 前言

上海石洞口煤气制气有限公司(以下简称石煤)有三条生产线，原生产工艺是以轻质石脑油为原料生产城市人工煤气，从2009年6月开始，制气原料改为天然气。

天然气制气工艺是天然气在高温高压下与蒸汽发生催化反应，生成热值较低、比重较轻的合成气，经减压后与来自石洞口天然气门站的掺混天然气和 PSA变压吸附装置出口富氮气混兑为符合质量要求的城市人工煤气，送入管网。

PSA变压吸附装置的作用是接收来自掺混空气压缩机的压缩空气，通过变压吸附除去压缩空气中部分氧气，生成的富氮气供煤气掺混。PSA装置的运行直接影响到煤气生产稳定和煤气掺混质量，石煤技术人员经过一年多的摸索，进行了详细的生产测试，研究出了一套适合实际生产工况的PSA变压吸附装置操作方法。

1 PSA装置在煤气生产中的作用

天然气制气工艺中，生产线(阀门PV2725)出来的合成气比重较小，为使产品煤气达到质量要求，必须掺入比重较大的惰性气体。PSA变压吸附装置接收来自掺混空气压缩机出口的压缩空气，除去其中部分氧气后生成的富氮气是符合工艺要求、调节煤气质量的适合气源。

PSA装置制富氮气和煤气掺混流程见图1。

图1 PSA装置制富氮气和煤气掺混示意

2 分析技术难点

石煤 PSA装置是由四川天一公司负责设计建造的，当初用石脑油生产煤气时，为了增加煤气产量，通过掺入气态液化气(来自液化气汽化器)，同时掺入来自PSA变压吸附装置的富氮气进行混兑，使产品煤气达到质量要求。

2009年，由于制气原料改为天然气后，改变了生产方法，PSA装置操作工况也相应发生了变化，主要有以下两个方面：

(1)PSA装置进口压缩空气压力与流量对 PSA系统的影响：进口压缩空气由空气压缩机生产，石煤原有RWBII—856双螺杆压缩机四台，每台排气压力900~1 200 kPa，排气流量5 000~10 000 m3/h。PSA变压吸附装置制富氮气分为单系列和双系列两种运行方式。根据PSA装置生产要求，当进口压缩空气流量低于11 000 m3/h时，变压吸附装置需采用单系列吸附，进口压缩空气流量大于11 000 m3/h时需采用双系列吸附方式。PSA变压吸附装置制富氮气得气率一般在 0.45~0.50之间，其受进口压缩空气流量影响较大，进口压缩空气流量越小，出口富氮气得气率越低。设计要求PSA装置单系列运行时进口压缩空气流量不低于8 000 m3/h。

在石脑油制气工况下，煤气掺混所需富氮气流量较大，相应所需PSA装置的进口压缩空气流量在8 000 m3/h以上，因而PSA装置运行状况较为稳定。天然气制气工况下，煤气掺混所需富氮气流量大大减少，变压吸附装置在大多数情况下采用单系列吸附，且运行负荷(以进口处压缩空气流量作为参照)较低。低于PSA装置的进口压缩空气最低设计流量8 000 m3/h，PSA装置运行状况波动很大。

(2)PSA装置出口富氮气的压力与流量对出厂煤气掺混的影响：PSA装置出口富氮气压力是随着PSA装置运行的不同阶段动态变化的。生产实践证明：石脑油制气工况下，PSA装置运行状况较为稳定，相应出口富氮气流量和掺混压力(阀门PV8202控制)也较为稳定。天然气制气工况下，煤气生产负荷较高、富氮气需求量较大时，进入变压吸附装置的压缩空气流量较大，变压吸附装置运行较为稳定，富氮气流量较为稳定，计量孔板FI8301也能正确显示，掺混煤气质量较高。当煤气生产负荷较低、富氮气需求量较小，且在计量孔板量程的低位导致不能准确提供真实数据，会造成掺混煤气质量不稳定。由于富氮气掺混压力(阀门 PV8202控制)随出厂煤气压力波动，影响了PSA装置系统的压力，最终影响了吸附的正常运行。

3 调整PSA装置操作规程和设备的改造

3.1 制定PSA装置新规程及参数调整

根据生产实践得出的经验，邀请四川天一公司的专家一同考察和研究，制定了新的PSA变压吸附操作规程，分别对变压吸附的干燥系统和吸附系统的各阶段作了调整，具体调整了单系列运行状态下PSA装置操作指标(如吸附时间、热吹温度等)到合适的范围。

3.1.1 PSA装置干燥变温吸附部分

(1)变温吸附步骤：每个干燥塔在一次循环中都要经历：吸附、逆向放压、热吹、冷吹和升压等五个步骤。

(2)调整后变温吸附工艺参数，见表1：

表1 变温吸附新工艺参数参考值

3.1.2 PSA装置变压吸附部分

(1)PSA装置变压吸附工作步骤：变压吸附在一次循环内经历：吸附、降压平衡、顺放1、顺放2、冲洗、升压平衡和终充等七个步骤。

(2)调整后变压吸附装置的工艺参数，见表2：

表2 变压吸附装置新工艺参数参考值

经过各项工艺参数调整后，使得PSA装置进口压缩空气流量保持在5 000 m3/h(还是低于设计指标8 000 m3/h)以上时，PSA装置即能稳定运行，且有较为稳定的富氮气得气率(0.42~0.45)，即新规程要求PSA装置进口压缩空气流量必须在5 000 m3/h以上，以使变压吸附装置运行稳定。

3.2 进行设备改造

(1)新购置三台TS32S—600XHWC压缩机，替代原有的空气掺混压缩机。每台新压缩机排气压力800~1 100 kPa，排气流量3 100~3 400 m3/h。天然气制气工况下，PSA装置大多数情况下采用单系列吸附，且运行负荷(以进口压缩空气流量作为参照)较低，因而采取排气量较小且运行较为稳定的新型压缩机。按照新的变压吸附操作规程进行操作。采用同时开两台以上节能型掺混空气压缩机的方法，变压吸附装置进口压缩空气流量控制在6 500 m3/h以上，满足了PSA变压吸附装置在单系列运行状态下的最低进气量要求，PSA变压吸附装置运行稳定。

(2)在PSA装置出口安装压力调节阀PIC8401，控制出口富氮气压力稳定，不随PSA装置运行的不同阶段发生动态变化，保障了PSA装置正常运行。通过 PIC8401稳定控制在 830 kPa，也保障了PV8202稳定控制富氮气与出厂煤气保持一定压差掺混。当煤气生产负荷较低，所需掺混富氮气流量较小时，通过PIC8401控制对PSA装置出口富氮气进行分流，除一部分用于必要的煤气掺混，其余的转向放散，见表3。

表3 不同生产负荷下的富氮气掺混流量控制

(3)调整了孔板FI8301量程1500 m3~8 000 m3，掺混富氮气流量计量的准确性明显提高。

4 结论

虽然生产方式改为天然气制气，但通过优化PSA装置操作的研究，改进PSA装置操作方法，制定了新的 PSA装置操作规程并进行了相关设备改造，仍可保障煤气生产过程中PSA装置运行稳定、操作安全，进而提高煤气生产的安全性和稳定性、保证煤气质量。