无动力变压吸附提氢装置的运行及优化总结

李玉顺 ， 顾朝晖 ， 刘　伟 ， 杨国洞

(河南心连心化肥有限公司 , 河南 新乡　453731)



无动力变压吸附提氢装置的运行及优化总结

李玉顺 ， 顾朝晖 ， 刘伟 ， 杨国洞

(河南心连心化肥有限公司 , 河南 新乡453731)

介绍了变压吸附技术的原理、特点、分类以及变压吸附提氢装置的工艺流程和运行情况，针对运行中遇到的问题进行了优化，取得了良好的效果，有效降低了公司的生产成本，为公司带来可观的经济效益。

无动力 ; 变压吸附提氢 ; 优化 ; 收率

河南心连心化肥有限公司(以下简称心连心公司)是中国大型煤头尿素生产商之一，公司现拥有尿素260万t/a、复合肥125万t/a和甲醇30万t/a的生产能力。其中氮肥系统一、二、三分厂半水煤气净化工序均采用变压吸附脱碳工艺，两个化工项目原料氢的制取均采用了无动力变压吸附提氢工艺。本文就心连心公司6 000 Nm3/h原料气的变压吸附提氢装置的运行情况及工艺优化进行总结。

1　工艺简介

变压吸附(Pressure Swing Adsorption，PSA)的基本原理是利用气体组分在固体材料上吸附特性的差异以及吸附量随压力变化而变化的特性，通过周期性的压力变换过程实现气体的分离或提纯。

变压吸附工艺根据吸附剂再生方式的不同分为常规变压吸附工艺和无动力变压吸附工艺。两者的主要区别在于：前者吸附剂再生时，当压力降到常压后，采用真空泵对吸附塔进行抽真空的方法进行进一步地再生；而无动力变压吸附工艺不设置真空泵，而是引用系统内的工艺气对吸附剂床层进行吹扫使得吸附剂再生，从而节约了真空泵日常运行的电耗及维修费用，达到节约运行费用的目的。

2　装置概况

2.1设计参数

心连心公司变压吸附提氢装置于2015年投产运行，采用10-1-7/P工艺，即10个吸附塔，一个吸附塔同时进料，7次均压，顺放冲洗再生。设计参数如下：①处理能力6 000 Nm3/h原料气；②产品氢气纯度≥99.8%，CO含量≤20×10-6；③氢气收率≥92%；④装置操作的压力为4.3 MPa；⑤操作弹性30%～120%。

2.2主要工艺流程

原料气进入界区，首先经气液分离罐分离掉液态物质，再经流量计计量后，进入变压吸附PSA程序：①吸附(简称A)。原料气通过原料进气阀自下而上进入吸附塔，原料气中的杂质组分由易到难依次被吸附，最难被吸附的氢气作为产品气出吸附器。当被吸附杂质的吸附前沿(此时产品气中杂质达到最大控制浓度)移动到吸附器一定位置时，关闭原料气进气阀和产品气出口阀，停止吸附工作。原料气根据塔号的顺序转入吸附剂完全再生且压力达到吸附压力的吸附器。②均压均降(简称E1D、E2D、E3D、E4D、E5D、E6D、E7D)。所谓降压不是一味地对某一台吸附塔降压，而是顺着吸附方向将塔内较高压力的气体转入其他已完成再生过程且正在均压升压的具有较高压力吸附塔的过程。该过程既保证了氢气的充分回收，又保证了装置的平稳操作。降压过程共进行7次均压降压，最后塔内的压力降低到规定值。③顺放(简称PP1、PP2)。吸附器沿吸附的正方向与顺放气缓冲罐A进行第一级顺向降压，当吸附器内压力下降至规定值时，结束第一级顺向降压。然后吸附器沿吸附的正方向与顺放气罐B进行第二级顺向降压，当吸附器内压力下降规定值时，关闭顺放阀，顺放二结束。④逆放(简称D1、D2)。吸附器沿吸附的反方向与解吸气缓冲罐A进行第一级逆向降压，即逆放前期，吸附剂中的部分杂质得到解吸。当塔的压力降到规定值(此压力可根据外送解吸气压力情况进行适当调整)时，逆放一结束。吸附器沿吸附的反方向与解吸气缓冲罐B进行第二级逆向降压，即逆放后期，吸附剂中的大部分杂质得到解吸。当塔的压力降到规定值时，逆放二结束。⑤冲洗(简称P2、P1)。利用顺放缓冲罐B内的顺放气沿吸附的反方向对吸附器进行第二级冲洗，吸附剂进一步解吸再生。当顺放缓冲罐B内压力达到规定值(此压力可根据吸附剂再生情况进行适当调整)时，冲洗二结束。利用顺放缓冲罐A内的顺放气沿吸附的反方向对吸附器进行再次冲洗，吸附剂进一步解吸再生。当顺放缓冲罐A内压力达到规定值时，冲洗一结束。⑥均压均升(简称E7R、E6R、E5R、E4R、E5R、E6R、E7R)。同理，均压不是一味地对某一台吸附塔升压，每次升压均用来自其他吸附塔的较高压力氢气依次对该吸附塔进行升压，最后塔内的压力升高至规定值。这一过程与均压降压过程相对应，不仅是升压过程，而且是回收其它塔床层死空间氢气的过程。本流程共包括连续7次均压升压过程。最后塔内的压力升高到规定值。⑦终充(简称FR)。用产品气给吸附器限流充压使其逐步达到吸附压力。当压力接近或等于吸附压力后，终充结束。至此，吸附器的吸附、再生过程全部结束，紧接着进行下一次循环。

3　装置运行问题及优化

3.1运行中出现问题

2015年，心连心公司某变压吸附提氢投运后，装置运行稳定，出口产品气纯度达到设计要求，但由于配套的化工项目生产负荷过小，用氢量过小，导致该装置运行的经济性不够理想，具体表现在：①产品氢实际用量过小，变压吸附提氢的运行负荷达不到设计的最低负荷；②负荷低的情况下，为保证产品气纯度，解吸气排放量大，导致氢气回收率低(72%～84%)，原料气消耗高。

3.2采取措施

针对上述问题，心连心公司技术人员通过分析后采取了以下优化措施：①适当延长分子筛吸附时间。变压吸附提氢运行过程中，每个吸附周期都要有解吸气排出。由于吸附器及分子筛装填量是满负荷设计的，目前运行负荷较低，分子筛还未达到吸附极限时，即开始再生解吸，造成解吸气排放量大。所以决定通过延长吸附时间，减少解吸气排放次数来提高氢气收率。具体操作上，为了尽快提高收率，同时保证分子筛床层不被穿透，事先计算出可以提高的最终吸附时间，然后分步骤多次延长吸附时间，单次加吸附时间采取前多后少，每次加时间的间隔采取前短后长，即第一次加100 s，第二次加50 s，之后每2 h加10 s，再后每2～3 h加5 s等。吸附时间的无限延长肯定会造成出口气体纯度下降，所以，在延长吸附时间的同时，严格监控并保证出口产品氢的各项指标合格。每个生产负荷对应一个最佳吸附时间，为兼顾高回收率和装置安全性，在生产负荷发生变化，应该及时调整吸附时间，并不断摸索各种生产负荷下的最佳吸附时间，制定不同生产负荷与最佳吸附时间的对应表。这样，下次生产负荷调整时，就可以根据对应表直接调整到最佳吸附时间，但是调整之后仍然需要加强对出口气体含量的监控。②严格控制解吸气混合罐的压力：根据变压吸附装置的特点，吸附剂是需要在低压状态下再生，所以解吸气混合罐的压力越低越有利于吸附剂的再生，在装置运行中尽量把混合罐的压力控制到最低。实际生产中，解吸气混合罐的压力控制一般控制在30 kPa以下。③顺放罐压力控制：吸附剂的再生主要是通过低压状态下用顺放气对其进行冲洗，所以控制好冲洗过程的气量对吸附剂再生效果有很大影响。比如冲洗开始时顺放罐的压力为0.15 MPa，而冲洗结束时顺放罐的压力为0.05 MPa，那么就有0.1 MPa的气量对吸附剂再生，而冲洗时间假如为100 s，那么最好的效果是0.1 MPa的气量在100 s内均匀冲洗吸附剂。如果前20 s就用掉0.08 MPa的气量对吸附剂冲洗，那么后80 s就只有0.02 MPa的气量对吸附剂冲洗，说明冲洗前期的调节阀开度过大，大量的气体在冲洗前期，那么后期的冲洗效果会很差。所以现场冲洗调节阀的开度要适度，保证均匀冲洗。

4　结语

经过现场逐步优化，吸附时间最高延长至优化前的近4倍，达到了该负荷下的最佳吸附时间；由于吸附时间合理，吸附器每次都能接近或达到吸附极限，每小时解吸气量降低至优化前的41.9%；氢气收率由84%～87.38%上升至92.45%，原料气消耗大大下降，有效降低了公司的生产成本。

2016-05-27

李玉顺(1960-)，男，高级工程师，从事合成氨、尿素及相关上下游产品系统技术研究工作，电话：15237305632。

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1003-3467(2016)08-0059-02