＊羅時華¹ 瞿道兵² 李少軍² 余士明² 劉哲² 劉善培³ 粟學(xué)俐³*

（1.湖北凱龍化工集團(tuán)股份有限公司 湖北 448032

2.湖北凱龍楚興化工集團(tuán)有限公司 湖北 431913

3.荊楚理工學(xué)院 湖北 448000）

摘要：為了解決合成氨生產(chǎn)中PSA提氫處理能力不足、氫氣損耗大等問題，本文主要對15萬噸/年合成氨PSA變壓吸附技術(shù)做優(yōu)化研究，對變壓吸附工藝進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用N₂再生+微動力回收工藝技術(shù)，解決了變壓吸附技術(shù)在合成氨生產(chǎn)過程中氣體損失問題，達(dá)到節(jié)能降耗增產(chǎn)目的。PSA提氫裝置技改投運(yùn)后,系統(tǒng)出口CO₂含量小于0.1%，氫氣回收率高于98.5%。本文對于相關(guān)研究工作有一定的參考作用。

關(guān)鍵詞：變壓吸附技術(shù)；提氫；工藝參數(shù)；工藝優(yōu)化

       合成氨是一種重要的無機(jī)化工原料，對國民生產(chǎn)生活具有重大意義。由于合成氨生產(chǎn)技術(shù)制約，合成氨工藝實(shí)施過程中存在諸多問題，也是消耗能源的大戶。隨著社會的進(jìn)步，要求工業(yè)生產(chǎn)符合資源節(jié)約型、環(huán)境友好型生產(chǎn)理念，技術(shù)升級迫在眉睫，國內(nèi)外專家開展了合成氨各新技術(shù)的研究。

       湖北凱龍楚興化工集團(tuán)有限公司的合成氨裝置，因其工藝技術(shù)落后，能耗高，污染大，生產(chǎn)成本居高不下，公司投資10多億元對合成氨裝置進(jìn)行工藝技術(shù)優(yōu)化和技術(shù)升級。合成氨生產(chǎn)線通過近一年的試生產(chǎn)，暴露出PSA提氫處理能力不足、氫氣損耗大、吸附時間短，程控閥動作頻繁等問題，并為進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)，節(jié)能降耗、增產(chǎn)降耗，進(jìn)行了PSA提氫技改項(xiàng)目公司采用N2再生+微動力回收工藝技術(shù)，新增凈化段吸附塔4臺、硅膠吸附劑570m³、氫氣回收壓縮機(jī)1臺、氮?dú)廨斔土_茨風(fēng)機(jī)1臺，氣動程控閥136臺等設(shè)備設(shè)施。本文主要涉及湖北凱龍楚興化工集團(tuán)有限公司100000Nm³/h PSA提氫裝置的設(shè)計(jì)要求、裝置設(shè)計(jì)條件、工藝流程。

1.PSA變壓吸附原理

       變壓吸附脫碳是將氣化工段來的煤氣經(jīng)變換、脫硫后的變換氣送入吸附塔吸附，再經(jīng)精脫硫處理后，將煤氣中CO₂及H₂S控制在指標(biāo)內(nèi)，凈化氣送后工段。吸附塔再生解吸下來的C0₂通過減壓分離、順放、逆放、吹掃放空或回收利用。變壓吸附吸附脫碳原理是基于各類專用吸附劑具有的兩個基本性質(zhì)：（1）對不同組分的吸附能力不同；（2）吸附質(zhì)在吸附劑中吸附容量隨吸附質(zhì)的分壓上升而增加，降低而下降。利用吸附劑第一個性質(zhì)即：對混合氣體中某些組分的優(yōu)先吸附或弱吸附性能，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)組與其它組分分離而得以提純；利用吸附劑的第二個性質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)吸附劑在高壓下吸附而在低壓下解吸再生，從而構(gòu)成吸附劑吸附與再生循環(huán)，采用多塔交替操作，實(shí)現(xiàn)連續(xù)分離氣體目的，其工藝過程通常按吸附、均壓降、順放、逆放、再生（吹掃或抽真空）、均壓升、步序依次循環(huán)進(jìn)行，始終保持一定數(shù)量吸附塔輪流處于吸附狀態(tài)。

2.裝置設(shè)計(jì)

(1)裝置設(shè)計(jì)要求

①原料氣參數(shù)

進(jìn)裝置原料氣規(guī)格，見表1。

②產(chǎn)品規(guī)格

裝置產(chǎn)品氣應(yīng)滿足如下規(guī)格，見表2。

       本裝置工程設(shè)計(jì)范圍從原料氣通過管道進(jìn)入本裝置，從第一個閥門起；產(chǎn)品氫氣通過管道輸出本裝置，解吸氣通過管道輸出界區(qū)，以最后一個閥門為止。另包括氮?dú)馓釅合到y(tǒng)、回收氣壓縮系統(tǒng)、公用工程整體設(shè)計(jì)。PSA提氫裝置見圖1。

(2)裝置設(shè)計(jì)條件

①公用工程條件

A.氮?dú)?/span>

成份：純度＞99.995%（Vol），氧含量≤0.005%；

進(jìn)界區(qū)壓力：≥0.01MPa(G)，溫度≤40℃。

B.儀表氣

進(jìn)裝置區(qū)壓力：≥0.45MPa(G)，露點(diǎn)溫度：-40℃。

C.循環(huán)水

壓力：≥0.3MPa(G)，溫度：≤32℃。

D.電

供配電電壓：0.38/10kV，頻率：50Hz。

②公用工程消耗指標(biāo)

       本項(xiàng)目以變換氣為原料，經(jīng)變壓吸附提氫裝置，生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品氫氣，公用工程消耗如下表。

3.工藝流程

       15萬噸/年合成氨PSA變壓吸附工藝流程見圖2。本次改造PSA1段采用流程22塔操作（吸附塔數(shù)不變），其中4臺吸附塔在線吸附，多塔均壓、雙塔氮?dú)獯祾咴偕鞒蹋员ＷC良好再生效果。PSA2段采用17塔操作（增加4臺吸附塔）其中3臺吸附塔在線吸附，多塔均壓、氮?dú)獯祾咴偕鞒獭?/span>

       整套PSA提氫裝置在入塔原料氣溫度下操作，出PSA裝置產(chǎn)品氫氣壓力≥1.65MPa(G)，整套裝置阻力降≤0.05MPa；出PSA裝置產(chǎn)品氫氣CO₂含量＜0.1%，CO含量≥1.2%，產(chǎn)品CO₂純度≥98%。

(1)PSA1段工藝流程

       來自界外1.70MPa(G)，溫度≤40℃變換氣自PSA1段吸附塔底部進(jìn)入處于吸附狀態(tài)塔內(nèi)，在不同種類吸附床層選擇吸附下，原料氣中雜質(zhì)組分（如H₂O、CO₂）經(jīng)過吸附劑床層時依次被吸附下來，控制出吸附塔頂部中間氣中CO₂含量7%～ 8%進(jìn)入PSA2段進(jìn)一步處理。

       當(dāng)被吸附雜質(zhì)的傳質(zhì)區(qū)前沿（稱為吸附前沿）到達(dá)床層出口預(yù)留段某一位置時，關(guān)掉該吸附塔底進(jìn)料閥和塔頂出口閥，停止吸附。吸附床層開始轉(zhuǎn)入再生過程。通過多次均壓，順著吸附方向?qū)⑺?nèi)較高壓力富含氫氮?dú)獾幕旌蠚夥湃肫渌淹瓿稍偕^低壓力的吸附塔內(nèi)，該過程可充分回收床層死空間氫氣；均壓過程結(jié)束后通過吸附塔底部及頂部程控閥繼續(xù)降壓，將床層CO₂提濃至合格，順放結(jié)束后逆著吸附方向?qū)⑽剿毫抵脸?，使吸附劑達(dá)到自然降壓初步再生目的；逆放結(jié)束后，利用PSA2段再生氣對吸附床層進(jìn)行吹掃，使吸附劑得到完全再生。吸附劑再生完全后，吸附塔再通過均壓升及終升達(dá)到吸附壓力，進(jìn)入下一個循環(huán)操作。逆放階段純度≥98%的CO₂氣送液體二氧化碳崗位作原料。變壓吸附塔操作溫度均在進(jìn)氣溫度下運(yùn)行，每臺吸附塔依次經(jīng)歷吸附、均壓降、順放、逆放、吹掃、均壓升、最終升壓等步序。

(2)PSA2段工藝流程

       來PSA1段壓力1.67MPa(G)，溫度≤40℃中間氣自吸附塔底部進(jìn)入處于吸附狀態(tài)塔內(nèi)，在吸附床層選擇吸附下，原料氣中雜質(zhì)組分CO₂經(jīng)過吸附劑床層時被吸附下來，控制出吸附塔頂部產(chǎn)品氫氣中CO₂含量≤0.1%送醇烷化工段進(jìn)一步處理。

       當(dāng)被吸附雜質(zhì)的傳質(zhì)區(qū)前沿（稱為吸附前沿）到達(dá)床層出口預(yù)留段某一位置時，關(guān)掉該吸附塔底進(jìn)料閥和塔頂出口閥，停止吸附。吸附床層開始轉(zhuǎn)入再生過程。通過多次均壓降，順著吸附方向?qū)⑺?nèi)較高壓力富含氫氮?dú)獾幕旌蠚夥湃肫渌淹瓿稍偕^低壓力的吸附塔內(nèi)，該過程可充分回收床層死空間氫氣；均壓過程結(jié)束后將吸附塔內(nèi)氣送緩沖罐充分回收。降壓結(jié)束后，將塔內(nèi)富氫氣體順放至解吸氣壓縮機(jī)加壓回收至PSA1入口管線；順放結(jié)束后，利用界外氮?dú)鈱ξ酱矊舆M(jìn)行吹掃，使吸附劑得到完全再生。吹掃結(jié)束后吸附塔再通過均壓升及終升達(dá)到吸附壓力，進(jìn)入下一個循環(huán)操作。PSA2段吸附塔操作溫度均在進(jìn)氣溫度下運(yùn)行，每臺吸附塔依次經(jīng)歷吸附、均壓降、逆放、順放、吹掃、均壓升、最終升壓等步序。

4.裝置改造后情況

       本裝置改造歷經(jīng)一年建設(shè)，于2022年8月25日一次性投料加負(fù)荷成功，裝置各項(xiàng)技術(shù)均取得了優(yōu)于設(shè)計(jì)值好成績，裝置原料氣操作工況下生產(chǎn)的產(chǎn)品氣情況見表4：

       PSA提氫裝置技改開車后運(yùn)行正常，吸附循環(huán)時間大幅加長，各閥門運(yùn)行平穩(wěn)，氫氣回收率高。目前裝置在8.8萬m³/h負(fù)荷下運(yùn)行，系統(tǒng)出口CO₂含量＜0.1%，氫氣回收率高于98.5%。在相比改造前增加1萬m³/h原料氣情況下，一段吸附循環(huán)時間由技改前462s左右延長至1000s左右，二段吸附時間由技改前1400s延長至現(xiàn)3600s以上。按目前情況看，PSA提氫技改后達(dá)到10萬m³/h處理氣量。吸附塔吸附時間增加了一倍多，再生及解吸氣放空次數(shù)縮減了一倍多，大幅縮減了再生時有效氣的損耗，氣化單爐滿負(fù)荷生產(chǎn)產(chǎn)量有原80 噸/班增加到95噸/班以上，產(chǎn)量增加了18噸/班以上，每班產(chǎn)量由原160噸/班左右，增加到現(xiàn)198噸/班左右，噸氨煤耗由原1550kg左右降至現(xiàn)1430kg左右，噸氨電耗由原1350kWh降至現(xiàn)1230kWh左右。產(chǎn)品指標(biāo)見表5。

5.結(jié)論

        變壓吸附技術(shù)具有能耗低、流程簡單、產(chǎn)品氣純度高、裝置自動化程度高、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，在合成氨企業(yè)已得到廣泛應(yīng)。隨著計(jì)算機(jī)人工智能技術(shù)的的發(fā)展，控制系統(tǒng)等軟件功能的升級和應(yīng)用，特別是本項(xiàng)技術(shù)研發(fā)不斷深入，變壓吸附技術(shù)水平將會得到的持續(xù)提升。

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