王明蘭，王 輝，楊列省

(聯(lián)泓(山東)化學有限公司, 山東滕州 277527)

聯(lián)泓(山東)化學有限公司(簡稱聯(lián)泓化學)以對置式四噴嘴水煤漿加壓氣化生產(chǎn)的水煤氣作為原料，經(jīng)變換、低溫甲醇洗工序制得合格的凈化氣體，送入甲醇合成系統(tǒng)生產(chǎn)甲醇。2套甲醇合成裝置并聯(lián)使用，原設(shè)計單套裝置生產(chǎn)甲醇質(zhì)量流量為360 kt/a，整套裝置生產(chǎn)甲醇質(zhì)量流量達720 kt/a。

甲醇合成裝置利用前工序來的凈化氣進行甲醇合成反應。凈化氣中含有微量氮氣、氬氣等惰性氣體，隨著甲醇合成反應的進行，系統(tǒng)中惰性氣體積累，造成壓力升高、動力消耗增加，需要引出部分弛放氣。針對煤制甲醇富碳缺氫，而合成弛放氣中含大量氫氣的現(xiàn)象，甲醇合成裝置在設(shè)計時，多設(shè)計原理簡單、運行可靠的膜分離氫氣回收裝置，以回收氫氣生產(chǎn)甲醇[1]。

聯(lián)泓化學甲醇合成裝置經(jīng)過多年的穩(wěn)定運行后，通過分析研究和性能標定，部分設(shè)備尚有富余能力。為了充分發(fā)揮裝置潛能、降低裝置能耗，以提升企業(yè)的經(jīng)濟效益和市場競爭力，聯(lián)泓化學在現(xiàn)有甲醇合成裝置的基礎(chǔ)上進行節(jié)能技術(shù)改造，同時充分利用現(xiàn)有裝置潛能進行增產(chǎn)。對膜分離氫氣回收裝置也進行了一系列擴能改造，以達到節(jié)能降耗的目的。

1 膜分離氫氣回收裝置概況

和傳統(tǒng)的分離技術(shù)相比，膜分離技術(shù)具有投資少、能耗低、使用方便和操作彈性大等特點。膜分離技術(shù)是利用特殊制造的有選擇透過性能的薄膜，在外力推動下對混合物進行分離、提純、濃縮的一種新型分離技術(shù)。膜是一種具有分子級分離過濾作用的介質(zhì),驅(qū)動力是壓差；當混合氣體與膜接觸, 膜的兩側(cè)存在壓差時, 滲透率高的氣體以很高的速率透過薄膜, 形成滲透氣流, 滲透率低的氣體則被選擇性地攔截，大部分在薄膜進氣側(cè)形成殘留氣流,兩股氣流分別引出, 從而使混合氣體的不同組分被分離。膜分離氫氣回收裝置對氫氣的回收率可以達到85%以上[2]。

1.1 工藝流程

膜分離氫氣回收裝置的工藝流程見圖1。

1—水洗塔；2—氣液分離器；3—套管式換熱器；4—膜分離器；5—氫氣壓縮機。圖1 膜分離氫氣回收裝置工藝流程

由甲醇分離器出口來的弛放氣，先進入水洗塔(T5101)洗去氣體中甲醇(甲醇體積分數(shù)≤200×10-6)，再進入氣液分離器(V5115)除去氣體中夾帶的液體，然后進入套管式換熱器(E5105)將原料氣加熱至50 ℃左右，使原料氣溫度遠離露點。加熱后的氣體并列進入膜分離器(M5102A/B/C/D)進行分離，在低壓側(cè)得到富氫的滲透氣，滲透氣進入氫氣壓縮機入口，加壓后送甲醇合成裝置繼續(xù)參與反應，非滲透氣經(jīng)減壓后并入燃料氣管網(wǎng)或送火炬燃燒。

1.2 工藝參數(shù)及運行情況

原氫氣回收裝置設(shè)計為1組膜分離器，并聯(lián)運行，為2套甲醇合成裝置共同使用，年操作時間為8 000 h，設(shè)計的操作負荷率為30%～110%，最大處理氣體積流量為12 096 m3/h。

氫氣壓縮機采用D型往復式一級壓縮機，合成系統(tǒng)壓力為5.3 MPa，由于壓縮比的限制，氫氣壓縮機入口壓力只能控制在3.1 MPa。由于膜分離前后壓差較小，氫氣回收率低，非滲透氣中氫氣含量較高，非滲透氣中高濃度的氫氣去火炬燃燒，造成能源浪費。原氫氣回收裝置生產(chǎn)運行工藝參數(shù)和氣體組成見表1。

表1 原氫氣回收裝置生產(chǎn)運行工藝參數(shù)和氣體組成

2 擴能改造方案

在原膜分離氫氣回收裝置的基礎(chǔ)上進行改造，保證氫氣產(chǎn)品質(zhì)量、尾氣壓力、裝置負荷滿足要求，確保改造后可實現(xiàn)“安穩(wěn)長滿”運行，充分利用原設(shè)備及管線，用較小的投資取得較好的運行效果。膜分離技術(shù)中的推動力(膜兩側(cè)相應組分的分壓差)、膜面積及膜的分離選擇性，構(gòu)成了膜分離的三要素[3]。此次技術(shù)改造主要從增加膜的數(shù)量、提高膜兩側(cè)的壓差和擴大關(guān)鍵設(shè)備來提高分離效果。

2.1 膜組串聯(lián)分級氫氣回收

為提高氫氣回收率，減少尾氣中氫氣損失，新增2支二級膜分離器(M5102E/F)，膜分離器采用撬裝框架。二級膜分離器主要由2臺膜芯、配套膜殼、連接管道、閥門及撬裝框架等組成。二級膜分離器與原一級膜分離器串聯(lián)，將一級膜分離的非滲透氣繼續(xù)分離提氫。

改造后膜分離氫氣回收裝置的工藝流程見圖2。弛放氣經(jīng)一級并聯(lián)的4支膜分離器分離后，滲透氣經(jīng)過下部回到系統(tǒng)，非滲透氣去往二級膜分離器繼續(xù)分離，回收的滲透氣經(jīng)下部回到系統(tǒng)，尾氣送燃料氣管網(wǎng)。改造后可以實現(xiàn)氫氣的分級回收利用，將原設(shè)計的非滲透氣繼續(xù)分離提氫，降低非滲透氣的氫含量，氫氣回收效率得到較大提升[1]。

1—水洗塔；2—氣液分離器；3—套管式換熱器；4—一級膜分離器；5—二級膜分離器；5—氫氣壓縮機。圖2 改造后的氫回收裝置工藝流程

2.2 更換氫氣壓縮機

原氫氣壓縮機采用一級兩缸的往復機，型號為 DW-5/32-58，打氣量為7 066.7 m3/h。該氫氣壓縮機進口壓力為3.2 MPa，限制了分離膜的前后壓差。分離膜前后壓差低，即膜分離的推動力小，則氫回收的效率低。實際運行中由于活塞環(huán)、填料、支撐環(huán)、氣閥等部件泄漏的影響，造成氫氣壓縮機打氣量降低，不能滿足甲醇合成裝置擴產(chǎn)后的要求。

新上1臺兩級壓縮的往復式氫氣壓縮機(DW-15/17-54對稱平衡型氫氣壓縮機組)，代替原氫氣壓縮機。一、二級膜分離器回收的滲透氣混合后，進入氫氣壓縮機一段進口(一段進氣壓力控制在1.7 MPa左右)，經(jīng)一段壓縮后，壓力達到3.54 MPa，經(jīng)一段冷卻器冷卻后進入二段壓縮，二段出口壓力達到5.2 MPa送入合成系統(tǒng)，完成氫氣的回收。氫氣壓縮機采用二段出口冷卻后的氣體返回一段進口的方式，自動調(diào)整氣量。

滲透氣壓力的降低可以增加分離膜前后的壓差，從而增加氫氣的回收效率，提高回收的滲透氣量。

2.3 更換氣液分離器

采用1臺DN500的氣液分離器代替原DN400氣液分離器，同時新增1套自動排液系統(tǒng)。由于氣量的增加，為保證進入分離膜的甲醇含量，需要增加水洗塔的洗滌液。經(jīng)計算，水洗塔后原氣液分離器不能滿足要求，洗滌液帶入會縮短分離膜的使用壽命。新增加1臺DN500氣液分離器進行氣液分離，安裝遠傳液位計，替換原DN400氣液分離器，并安裝高效絲網(wǎng)除沫內(nèi)件，以提高分離效果。為了更好地控制氣液分離器液位，增加1套液位調(diào)節(jié)閥組，將分離的液體送往精餾系統(tǒng)，保證了洗滌液體的分離。

2.4 其他改造

由于原料氣量增加較多，滲透氣量也會相應增加，需要對氫氣總管及相應閥門等進行改造，主要包括：氫氣總管由DN100改為DN150；滲透氣壓力由3.2 MPa降低到1.7 MPa，對滲透氣管線中的安全閥進行了重新設(shè)計更換。同時，更換了滲透氣總管上的流量孔板，以方便準確測量回收的氣體流量；利用此次改造的機會，更換了滲透氣總管上的儀表根部閥、引壓管等，消除了在運行過程中發(fā)現(xiàn)的部分漏點隱患。

3 擴能改造后的優(yōu)化

改造后，氫氣回收裝置氫氣回收率由75%提高至86%左右，尾氣中氫氣體積分數(shù)由40%降低至26%左右，回收效果明顯得到提高，改造后的數(shù)據(jù)見表2。從表2可以看出，氫氣回收率仍然沒有達到設(shè)計預期(90%)。為提高氫氣回收的效果，根據(jù)改造后的運行情況，又進一步進行優(yōu)化，以達到節(jié)能降耗的目標。

表2 改造后氫氣回收裝置氣體組成

3.1 一級膜分離器膜芯更換

經(jīng)分析，一級膜分離器的4支膜芯已使用近10 a，存在纖維膜老化、膜芯堵塞的情況，氫回收率呈下降趨勢。膜分離氫氣時，主要影響膜芯使用壽命的因素有：水露、甲醇、鐵銹、油污等。隨著使用時間的推移，水露會附在纖維膜的表面，增加了氣體的滲透阻力，還會使膜變脆；甲醇會使膜表面的涂層老化脫落，降低回收氫氣的濃度，還會使纖維膜變脆；鐵銹等細粉顆粒磨損中空纖維膜表面，并在膜外表面積累，影響膜裝置的正常運行[4]；油污會附在纖維膜的表面，增加了氣體的滲透阻力。

一般正常工況下，膜芯的使用壽命為10 a左右。原始開車使用的膜芯會因為系統(tǒng)吹掃不干凈，導致鐵銹、油污帶入膜芯，影響其分離效率和使用壽命。因此，對一級膜分離器的4支膜進行了膜芯更換(見圖3)，更換中發(fā)現(xiàn)在膜芯處確實有鐵銹物質(zhì)(見圖4)，影響了膜芯的使用。

圖3 新膜芯

圖4 使用后的膜芯

膜芯更換后，回收的滲透氣量明顯增加，氫氣回收率達到90%以上，提高了甲醇產(chǎn)量，減少了放空氣中的氫氣含量。更換膜芯后氫氣回收裝置的氣體組成見表3。

表3 更換膜芯后氫氣回收裝置氣體組成

3.2 氫氣壓縮機變頻改造

甲醇合成催化劑在使用初期，催化劑性能較好，弛放氣量小，膜分離氫氣回收裝置的滲透氣量也少；隨著催化劑的不斷老化，轉(zhuǎn)化效率逐漸下降，弛放氣量變大，膜分離氫氣回收裝置的滲透氣量增加，所以氫氣壓縮機的負荷變化較大。氫氣壓縮機采用了二段出口氣體經(jīng)冷卻后返回一段入口的方式進行氣量調(diào)節(jié)，以適應膜分離氫氣回收裝置滲透氣量的變化。但這種方式使大部分電能浪費在調(diào)節(jié)氣量上，氫氣壓縮機功率沒有變化，大部分氣體經(jīng)回流調(diào)節(jié)返回一段入口，造成了電能的浪費；回流氣量大，需要人工調(diào)節(jié)或主控臺值班人員監(jiān)測調(diào)節(jié)閥門，增加了工人的勞動量；同時，設(shè)備長時間高速運轉(zhuǎn)，易損部件如活門、填料、活塞環(huán)等更換頻繁，檢修費用高；電動機高負荷運行時電量浪費大，電氣和管道系統(tǒng)機械磨損嚴重，增加了維修頻次和費用，影響使用壽命。

經(jīng)公司技術(shù)人員考察，對氫氣壓縮機電動機(10 kV)進行變頻改造。采用高壓變頻器調(diào)速控制裝置，改變電動機的轉(zhuǎn)速以達到調(diào)節(jié)氣量的作用;同時，變頻器能實現(xiàn)對交流異步電動機的軟啟動、變頻調(diào)速、提高運轉(zhuǎn)精度、改變功率因數(shù)、過流/過壓/過載保護等功能。變頻器的控制方式采用自動控制方式和手動控制方式，手動、自動控制由中控操作畫面的按鈕來實現(xiàn)，由設(shè)置在電動機旁的切換開關(guān)實現(xiàn)就地、遠程切換。

改造后，氫氣壓縮機實現(xiàn)穩(wěn)定控制運行，節(jié)約了大量電能。每年可節(jié)省電量1.88×106kW·h，僅此一項費用就節(jié)約90余萬元。隨著變頻調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速降低，電氣、風機設(shè)備和管道系統(tǒng)機械磨損大幅減小，大大降低了維護、維修費用。

4 結(jié)語

膜分離氫氣回收技術(shù)通過從低濃度氫氣廢氣中提取氫氣用于許多加氫的工藝中，應用范圍較廣，主要用于合成氨、甲醇等煤化工行業(yè)。聯(lián)泓化學利用膜分離氫氣回收技術(shù)將弛放氣中的有效氣體進行提氫回收利用，通過擴能改造氫氣回收率由75%提高至約86%，后經(jīng)系統(tǒng)優(yōu)化實現(xiàn)了氫氣回收率為90%以上的目標，效益明顯。