薛德蓮

（中國石油廣西石化公司生產(chǎn)二部，廣西 欽州 5350008）

變壓吸附（PSA）氫氣提純裝置運(yùn)行工況淺析

薛德蓮

（中國石油廣西石化公司生產(chǎn)二部，廣西 欽州 5350008）

介紹了廣西石化公司變壓吸附（PSA）氫氣提純裝置運(yùn)行分析及解吸氣中氫氣含量高解決措施。

解吸氣;氫含量;壓力;壓縮機(jī)

廣西石化公司以重整氫氣和加氫冷低分氣等的混合氣為原料，采用成都華西化工科技股份有限公司的10－2－4 PSA流程變壓吸附氫提純技術(shù)，從混合氣中提純分離出純度大于99．9%的氫氣，然后送出界區(qū)去氫氣管網(wǎng)。重整氫氣和加氫冷低分氣等混合氣在提純氫后的解吸氣，經(jīng)過解吸氣壓縮機(jī)升壓后去全廠燃料氣管網(wǎng)。PSA設(shè)計(jì)參數(shù)為公稱產(chǎn)氫能力 12×104Nm3·h－1， 操作彈性50%～110%。

1 PSA裝置運(yùn)行分析

PSA裝置投產(chǎn)運(yùn)行已經(jīng)1年，開工初期PSA裝置運(yùn)行良好，氫氣純度控制99．99%以上，解吸氣壓力 0．00～0．01MPa， 在運(yùn)行期間經(jīng)歷以下問題:兩次受到瞬時(shí)大流量沖擊;部分二、三均（4#）閥門內(nèi)漏嚴(yán)重，切除兩塔后八塔運(yùn)行。

（1）重整裝置調(diào)整操作，重整氫進(jìn)料量瞬間由 8×104Nm3·h－1增加到 14×104Nm3·h－1， 操作員立即縮短吸附時(shí)間，但為時(shí)已晚，造成2臺(tái)處于吸附狀態(tài)的吸附塔頂層分子篩被穿透，氫氣純度由99．99%以上降至99．0%，待進(jìn)料流量正常后被穿透的吸附塔氫氣純度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于正常狀態(tài)的吸附純度，最好只能恢復(fù)到99．5%。

（2）柴油加氫裝置停工期間，大量尾氣進(jìn)入PSA 裝置， 瞬時(shí)進(jìn)料量由 7．5×104Nm3·h－1增加到12．4×104Nm3·h－1， 再次造成 2 臺(tái)處于吸附狀態(tài)的吸附塔頂層分子篩被穿透，氫氣純度降至99．0%。經(jīng)歷兩次大流量沖擊之后，PSA裝置氫氣純度已經(jīng)不能恢復(fù)至99．99%，效果越來越差。

（3）通過趨勢曲線發(fā)現(xiàn)部分二、三均（4#）閥門內(nèi)漏嚴(yán)重，導(dǎo)致高壓氣進(jìn)入解吸氣系統(tǒng)，解吸氣中氫含量偏高達(dá)到70%，解吸氣壓力達(dá)到0．09MPa，離心式壓縮機(jī)入口實(shí)際分子量低于13．0，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)分子量 18．51，壓縮機(jī)做功很小不能將解吸氣壓力抽下來，導(dǎo)致分子篩解吸不徹底，氫氣純度呈下降趨勢，低至98%。

2 PSA檢修后運(yùn)行分析

針對以上問題，廣西石化公司于2011年9月對PSA裝置進(jìn)行檢修，檢修后運(yùn)行至今裝置并沒有達(dá)到預(yù)期效果。對裝置存在的問題做以下分析:

（1）PSA1解吸氣氫氣含量偏高，分子量偏小，導(dǎo)致解吸氣壓縮機(jī)不上量，壓縮機(jī)工作點(diǎn)離喘振工作點(diǎn)近，易失電。

表1 離心壓縮機(jī)工作點(diǎn)數(shù)據(jù)

（2）由于解吸氣中氫氣含量偏高，解吸氣壓力達(dá)到 0．06～0．08MPa，壓力不下來造成解吸效果不理想，吸附劑在解吸時(shí)不徹底，最終產(chǎn)品氫純度越來越低，氫純度最低掉到 99．1%（指標(biāo)99．5%）。

（3）可能有閥門微漏導(dǎo)致高壓氣進(jìn)入解吸氣系統(tǒng)，漏量極微小，但是對于解吸氣影響很大，解吸氣含氫量高、壓力大、密度小，壓縮機(jī)不上量。

（4）通過產(chǎn)品氫純度趨勢判斷，在E、F塔吸附結(jié)束前幾秒時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)品氫純度開始快速下降至 99．1%，而其他塔的純度在 99．6%左右，分析 E、F塔已較其他塔提前達(dá)到吸附前沿。

（5）數(shù)據(jù)分析

（a）根據(jù)化驗(yàn)結(jié)果計(jì)算分析，數(shù)據(jù)見表2。實(shí)際值與設(shè)計(jì)值對比見表3。

表2 PSA1解吸氣參數(shù)

表3 實(shí)際值和設(shè)計(jì)值對比

（b）根據(jù)實(shí)際進(jìn)、出料流量計(jì)算分析，結(jié)果見表 3、4。

表3 計(jì)算數(shù)據(jù)依據(jù)（1O月15日）

表4 流量計(jì)算結(jié)果

計(jì)算方法:原料氣氫氣純度為化驗(yàn)結(jié)果93%，

①原料氣中氫含量＝91000×93%＝84630m3·h－1

② 原 料 氣 中 雜 質(zhì) 含 量 ＝91000×（1－0．93） ＝6370m3·h－1

③解吸氣中氫含量%＝（16000－6370）×100%／16000＝60．19%

④氫氣收率%＝[91000×93%－（16000－6370）]×100%／84630＝88．6%

通過以上兩種計(jì)算方法可以看出，解吸氣中氫含量都在60%以上，氫收率低于89%。解吸氣中氫氣含量很高，氫收率低，密度小。

兩組數(shù)據(jù)之所以產(chǎn)生偏差是由于流量數(shù)據(jù)是在一定范圍波動(dòng)的，取數(shù)時(shí)達(dá)不到十分精確。

3 解決措施

（1）操作上保證氫純度不再降低，首先將解吸氣壓力降低。當(dāng)壓縮機(jī)工作點(diǎn)達(dá)到27000Nm3·h－1并且工作點(diǎn)還繼續(xù)上升，此時(shí)手動(dòng)將防喘振二返一閥FV1003關(guān)3%～8%個(gè)閥位，盡可能地降低解吸氣壓力，當(dāng)工作點(diǎn)開始下降至 27000Nm3·h－1時(shí)將FV1003恢復(fù)至關(guān)閥前閥位，隨著解吸氣壓力降低，解吸效果變好，氫氣純度呈上升趨勢（每次調(diào)整吸附時(shí)間增加1s最少間隔2～3個(gè)吸附周期），如此反復(fù)操作至PSA穩(wěn)定，解吸氣中氫含量慢慢降低，氫氣收率增加，壓縮機(jī)做功效果明顯，氫氣純度逐漸恢復(fù)至99．5%，解吸氣壓力逐漸降低。

（a）根據(jù)化驗(yàn)結(jié)果計(jì)算分析，結(jié)果見表5，調(diào)整后的實(shí)際值與設(shè)計(jì)值的對比見表6。

表5 調(diào)整操作后的PSA解吸氣參數(shù)（同表2算法）

表6 調(diào)整操作后實(shí)際值和設(shè)計(jì)值對比

（b）根據(jù)實(shí)際進(jìn)、出料流量計(jì)算分析，結(jié)果見表7。流量計(jì)算結(jié)果為:氫含量50．55%，氫收率91．03%。

由以上數(shù)據(jù)可以看出在按照上述方法調(diào)整操作之后，解吸氣中氫氣含量呈下降趨勢，由于是每天上午9:00至11:00采樣分析，可能存在采樣和化驗(yàn)分析上的偏差造成解吸氣氫氣含量的偶爾偏高;解吸氣壓力曲線是每d每h的平均值，呈平穩(wěn)下降趨勢，壓力在0．01~0．03MPa之間波動(dòng)達(dá)到設(shè)計(jì)工況。對比10月11日操作調(diào)整兩組曲線的前后，按照此方法操作解吸氣中氫氣含量和壓力得到明顯的改善。

圖1 9月29日至1O月31日解吸氣氫氣含量采樣結(jié)果曲線

圖2 9月29日至1O月31日解吸氣壓力曲線

（2）解吸氣緩沖罐和混合罐都是底部進(jìn)料通至罐中上部，底部出料，罐高24m，體積185m3。正常發(fā)生操作調(diào)整吸附時(shí)間時(shí)必須緩慢（瞬間大流量波動(dòng)除外），切不可以因?yàn)楫a(chǎn)品氫氣純度偏低就大幅度減吸附時(shí)間，當(dāng)時(shí)氫氣純度可以短時(shí)間上升，但是解吸氣中氫氣含量增加進(jìn)入緩沖罐和混合罐后，氫氣在罐子頂部，需要長時(shí)間才能將罐子中氫氣慢慢降下來。切塔時(shí)要在逆放和沖洗時(shí)切（除緊急情況除外），不可將高壓氣放入解吸氣系統(tǒng)中。解吸氣壓力呈上升趨勢時(shí)及時(shí)調(diào)整壓縮機(jī)防喘振閥將壓力抽下來。

（3）當(dāng)解吸氣氫含量高時(shí)，以上手段難以恢復(fù)操作平穩(wěn)，通過其他手段（類如增設(shè)瓦斯線）增加解吸氣壓縮機(jī)入口密度，使壓縮機(jī)上量，以降低解吸氣壓力，提升吸附劑的解吸效果，然后操作上通過緩慢的延長吸附時(shí)間增加氫收率從而將解吸氣中氫含量將下來;否則頂層分子篩得不到徹底解吸產(chǎn)品氫純度會(huì)越來越差，而且這種過程是不可逆的。

（4）建議設(shè)計(jì)部門在PSA進(jìn)料線上增加流量控制調(diào)節(jié)閥，將該流控閥設(shè)置一定流量，在進(jìn)料大流量波動(dòng)時(shí)可以及時(shí)將原料氣釋放出去以減少對PSA吸附塔床層的沖擊。

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Operation Conditions Analysisof Hydrogen Purification by Pressure Swing Adsorption

XUEDe－lian
（Guangxi Petrochemical Company， CNPC， Qinzhou 535008，China）

TQ 028.1+7

B

1671-9905（2012）03-0059-03

薛德蓮，就職于中國石油天然氣股份有限公司廣西石化分公司生產(chǎn)二部，E-mail:xuedelian＠petrochina．com．cn，電話:0777-3881767，15907773181

2011-11-29