PSA制氢装置改造相关问题探讨与思考

张磊（惠生（南京）清洁能源股份有限公司，江苏 南京 210000）

PSA制氢装置改造相关问题探讨与思考

张磊（惠生（南京）清洁能源股份有限公司，江苏 南京 210000）

本文在分析变压吸附系统工作原理基础上，针对PSA单元存在的主要问题进行分析，并提出要求在氢气质量得到保证的情况下，结合实际情况，改造PSA单元，能够使得装置产氢量达到改造前的设计目标。经过实践检验，制氢装置的改造使得反应部分负荷有所降低，丰富资源得以有效利用。

PSA制氢；装置改造；存在问题；改造策略

为了提高总产氢的能力，并且要求满足最终产品的氢气纯度的合格要求，结合实际情况，全面的技术改进工作在PSA单元中推进，结果表明，能有效提高氢回收率（由改造前的80%提高到改造后的90%左右），达到总产氢能力为58000 Nm3／h，能够满足氢气生产成本大幅度降低的要求。新吸附剂的性能和装填量在改造过程中均有所提高，能够使得制氢原材料降低消耗，使得富氢资源得以充分利用。部分重整氢装置在平稳运行PSA装置后进行引入，能够实现提纯的要求，实践证明能够取得较好效果。

1 变压吸附系统工作原理分析

在进行同一气体的吸附过程中，任何一种吸附剂在达到吸附平衡的情况下，吸附剂的吸附量随着气体压力的升高而增加。反之亦然，吸附量随着压力的降低而减少。对于升高的空气压力来说，大量的水分、二氧化碳、氧气将被碳分子所吸附。对于由装有碳分子筛的吸附塔和其控制系统所组成的A和B来说，其主要组成变压吸附设备。在A塔内通过由上到下的压缩空气的情况下，其内的碳分子则吸附水分、二氧化碳和氧气，塔顶流出则是能通过的氮气。B塔的吸附过程则是在A塔内分子筛吸附饱和的情况下才进行，在此过程中，也能实现对于A塔分子筛的再生。在再生的过程中，也就是能够实现压力迅速降低至常压，这主要是通过吸附塔内气体排至大气来实现，这样就是分子筛内释放出来的所被分子筛吸附的水分、二氧化碳和氧气，在吸附和再生的发生时间大约在120秒内完成。

在天然气制氢过程中，主要包括两个部分，一部分为天然气蒸汽转化制转化气，另外一部分则为变压吸附(PSA)提纯氢气(H2)。820～950℃的天然气物质通过镍催化剂的反应，使得天然气与水蒸汽混合在压缩并脱硫后成为可能，进行相关的物质转化，变成二氧化碳(CO2）、一氧化碳(CO)和氢气(H2)的转化气。另外，通过一定的变换条件，可以把转化气一氧化碳(CO)转变为氢气(H2)，这就是变换气，然后，在相关的变压吸附(PSA)作用下，纯度比较高的氢气(H2)就可以从变换气和转化气就可以得到。

2 PSA单元存在的主要问题

处理能力偏小则是对原有的PSA单元进行开工后所发现的问题，46000 Nm3／h则是原有单元的极限产量，还不能够达到设计要求，仅为涉及产量的74%左右，还不能满足用氢装置的产氢需求。在经过详细的分析和探讨基础上，主要探讨几个方面的问题，主要包括：第一，由于装置建设的时间具有一定相比，后期增设的6台吸附罐内的吸附剂和之前已经投入使用的6个罐还存在一定的性能不匹配的问题，同时，对于装填量来说，也不能满足生产需要；第二，存在不合理的吸附剂装填问题，具有偏大的吸附剂床层死空间；第三，存在氢气回收率比较低的问题，对于CO+CO2含量在氢气产品中的控制量来说，其控制在10×10-6时，氢气回收率仅能达到80%左右。第四，具有较小的吸附塔的解析气管线，需要进一步优化和改造。

3 改造方案的确定及实施

3.1 改造措施分析和思考

针对上述分析的PSA单元存在问题，结合工程实际情况，并积极和设计单位相关专家进行多次探讨和论证，提出以下的相关改造措施：

第一，一台顺放气缓冲罐在工程中增加，对于冲洗调节回路的改变位置进行一定优化和修改；第二，所有的吸附剂进行更换处理；第三，DN250的解吸气出口程控阀门12台进行增设；第四，在解吸气混合罐中中充分混合所有的解吸气，然后在进入相关的转化炉；第五，对于计算机控制程序进行一定修改，流程进行优化，变为12-3-4流程。

3.2 具体方案实施探讨

12-3-4流程则是进行相应的改造以后的运行方式，此时，三个吸附塔在装置的十二个吸附塔中则会始终处于进料吸附的状态，同时，这为四次的均压过程。分析其吸附和再生工艺过程，可以发现其主要包括吸附、连续四次均压降压、冲洗、顺放、连续四次均压升压，以及相关的产品气升压等几部分组成。

4 改造遗留问题

PSA单元的产氢能力瓶颈的确定则可以利用操作参数在极限负荷测试中进行，主要包括，吸附塔内的冲洗再生压力在满负荷中的再生压力则能够高达0 09～0 1 MPa(G)，相比于正常设计值，则明显偏高，造成解吸效果由于较高的解吸压力大大降低，使得装置处理能力受到制约。

要求在氢气质量得到保证的情况下，结合实际情况，改造PSA单元，能够使得装置产氢量达到改造前的设计目标(58000 Nm 3／h)。制氢装置的中变气能够通过PSA单元进行处理，还可以掺入占PSA进料的10%的重整氢气，使得反应部分负荷有所降低，丰富资源得以有效利用，有效降低装置原料的消耗问题。

[1]马丽君.运行参数对PSA煤气制氢工艺的影响[J].辽宁科技学院学报,2008,10(4).

[2]闫志者.焦炉煤气PSA制氢及其进展[J].炼油技术与工程, 2014,44(1).