淺析氫回收裝置的運行及存在問題處理

黎海新 張松林 王 磊

(塔西南勘探開發(fā)公司 新疆澤普844804)

近年來，由于石油化工行業(yè)對廉價高純度氫氣的需求量日益增加，除了天然氣蒸汽轉化精制取得高純度氫氣外，還可從各種合成氨弛放氣和尾氣中，經(jīng)變壓吸附(以下簡稱PSA)脫除各種雜質(zhì)取得高純度氫氣。塔西南勘探開發(fā)公司(以下簡稱塔西南公司)合成氨裝置的PSA制氫裝置是從氨罐弛放氣和合成氨吹除氣中提取純度高達 98.50%～99.90%(體積分數(shù)，下同)氫氣。該套裝置于1995年 10月底投產(chǎn)，采用四塔二均PSA工藝，處理能力 1 000 m3/h(標態(tài))。近3年以來，由于氨合成系統(tǒng)高負荷正常運行時氨罐弛放氣和合成塔排放的吹除氣氣量較少，進入PSA制氫裝置的原料氣氣量較少，裝置完全處于低負荷運行狀態(tài)，各項指標難以控制，較難制得高純度氫氣；有時由于原料氣氣量少而停運；另外，還存在設計、設備、操作等問題，影響裝置的正常運行。

1 氨回收裝置和氫回收裝置原料氣組成

氨回收裝置和氫回收裝置原料氣的組成如表1所示。

表1 氨回收裝置和氫回收裝置的原料氣的組成

項 目氨回收裝置氫回收裝置φ(H2)/%48.6058.73φ(N2)/%16.0519.40φ(CH4+Ar)/%18.0021.87φ(NH3)/%17.25<0.10

注：液氨純度≥99.8%(質(zhì)量分數(shù))，產(chǎn)品氫純度99.0%。

2 PSA裝置工藝流程及特點

合成氨弛放氣經(jīng)減壓至2.2 MPa后進入氨回收裝置的氨吸收塔，用除鹽水吸收原料氣中的氨，制成氨水或?qū)彼?jīng)蒸餾塔蒸餾為成品液氨；被吸除氨后的氣體送至氫回收裝置，首先進入氣液分離器，分離氣體中的游離水，然后進入4臺吸附塔進行變壓吸附，提純后的氫氣進入產(chǎn)品氣緩沖罐，再經(jīng)管道送至生產(chǎn)系統(tǒng)；解吸氣進入解吸氣緩沖罐，經(jīng)管道送一段爐作為燃燒氣。

PSA裝置特點：①工藝流程簡單，占地面積小；②采用DCS集散系統(tǒng)，6臺吸附塔10個步驟周期循環(huán)工作過程中，38只閥門頻繁開關實現(xiàn)自動控制，自動化程度高；③所配置的儀表、閥門等器件質(zhì)量好、精度高，運行1年多來未發(fā)生故障；④調(diào)節(jié)范圍廣，可處理弛放氣300～6 300 m3/h；⑤產(chǎn)品純度高，液氨純度≥99.8%(質(zhì)量分數(shù))，產(chǎn)品氫純度可達100%；⑥吸附劑壽命長，可連續(xù)使用5年以上；⑦易于操作，開、停車迅速，可隨時在主控室利用微機停車，開車過程可在1～2 h內(nèi)完成。

3 優(yōu)化 PSA 工藝操作及條件

塔西南公司PSA 制氫裝置投用以來，分子篩更換次數(shù)較多，特別是在使用后期，分子篩粉化增多，導致程控閥堵塞、儀表引壓管堵塞、儀表使用壽命縮短、壓力表顯示誤差，使程控閥長期處于內(nèi)漏狀態(tài)；另外，設計缺陷所引起的原料氣帶水和帶氨等問題也嚴重影響裝置的正常運行，氫氣純度達不到 80%以上。

3.1 吸附劑粉化

3.1.1 設計問題

(1)吸附塔內(nèi)裝填的吸附劑頂部沒有加裝絲網(wǎng)或用瓷球壓實，氣體流速大時會導致頂部吸附劑呈流動狀態(tài)，反復碰撞塔頂大蓋，造成吸附劑粉化。

(2)由于本裝置采用四塔吸附工藝，吸附塔較少，吸附壓力較高，勢必造成均壓壓差較大(達0.75 MPa)，而選用的程控閥均為兩位閥(油壓驅(qū)動)，在程序運行時閥門切換速度過快，導致升降壓速率過快，最終導致吸附塔內(nèi)氣體流速過快，吸附劑在塔內(nèi)流動，加快了粉化速度。

3.1.2 操作問題

(1)操作人員缺乏經(jīng)驗，沒有重視裝置開車時的引氣流速。在裝置首次引氣時，進口氣體流速超過設計流速，過高的流速會造成吸附劑在塔內(nèi)流動，是造成吸附劑粉化的原因之一。

(2)進口氣體指標不合格。該裝置設計進口氣體中φ(H2)為60%～75%，才能保證裝置產(chǎn)出合格產(chǎn)品氫氣；因前工序負荷低，合成氣中氮含量較高，合成弛放氣中氮的累積效應造成φ(N2)達20%，弛放氣中φ(H2)下降了25%～30%。為獲取優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品氫氣，將吸附時間縮至最短，遠遠偏離設計值，盡管如此，產(chǎn)品氫氣出口壓力低、流量低，氫氣純度在60%～80%波動，造成大量廢氣從裝置解吸管線流出，提高了流速，引發(fā)吸附劑在塔內(nèi)流動，是造成吸附劑粉化的主要原因。

3.1.3 處理措施

(1)拆開吸附塔封頭檢查絲網(wǎng)，更換損壞的絲網(wǎng)；在吸附塔頂部將吸附劑填實，防止系統(tǒng)流速大時吸附劑在塔內(nèi)流動，從而起到減少吸附劑粉化作用。

(2)裝置進口、吸附塔進口和出口管線、均壓管線都安裝限流孔板，防止程控閥快速開啟時造成系統(tǒng)內(nèi)流速過大，保證吸附劑不在塔內(nèi)流動。

(3)優(yōu)化系統(tǒng)進口氣體成分，在氣體成分不達標情況下，盡量不開或少開裝置，或者限制進口氣體流量，減負荷生產(chǎn)。

(4)修改操作規(guī)程，強化操作人員對進塔流速的控制，保證不超出設計指標。

3.2 原料氣帶水、帶氨

3.2.1 原料氣分離器分離效果不好

因為分子篩有很強的吸水性，且與水有很強的親合力，在常溫操作條件下幾乎無法脫除，故在裝置前設置1臺原料氣分離器，分離原料氣中的水。如果原料氣分離器分離效果不好，造成原料氣帶水，分子篩吸水后，抗壓強度大幅下降，在PSA 制氫裝置頻繁均壓過程中極易損壞分子篩，影響分子篩的使用壽命。

3.2.2 氨回收裝置尾氣中氨含量超標

合成塔排出的吹除氣和氨罐弛放氣同時進入氨吸收塔，經(jīng)洗氨后進入PSA 制氫裝置。為了洗氨徹底、改善氨吸收塔的操作條件、提高蒸汽冷凝液質(zhì)量及氨吸收塔填料層暢通無阻，應加強機泵管理和預防循環(huán)水進入冷凝液后在吸收塔內(nèi)生成銨鹽而引起氨吸收塔堵塞，造成 PSA 制氫裝置嚴重帶氨、帶水；保證向氨吸收塔供冷凝液的柱塞泵正常運行，同時氨吸收塔出口尾氣中φ(NH3)必須嚴格控制在≤200×10-6，避免造成分子篩中毒和縮短其使用壽命。

3.2.3 處理措施

建議增設水洗塔和干燥吸附器各1臺，氨回收裝置尾氣先經(jīng)高壓水除氨，進一步降低入吸附塔氣體中氨含量后，然后經(jīng)過硅膠干燥吸附脫水并除去微量氨后，再進入PSA 制氫裝置。利用尾氣中各組分在加壓和減壓時吸附量的差值，實現(xiàn)了混合氣體的分離，有效地控制了原料氣帶水、帶氨，保護吸附劑。改造后PSA 制氫裝置工藝流程見圖1。

圖1 改造后PSA 制氫裝置工藝流程

3.3 PSA 制氫裝置對氫氣質(zhì)量的影響及處理

3.3.1 氫氣吸附時間

吸附時間越長，吸附劑所吸附的雜質(zhì)就越多。吸附前沿抵達吸附塔上部時，可能導致雜質(zhì)污染產(chǎn)品氫氣。氫氣質(zhì)量下降時，可適當縮短PSA 制氫裝置的氫氣吸附時間。因為吸附時間越短，進入吸附劑中的雜質(zhì)量越少。但吸附時間縮短，吸附塔工作的周期時間也相應縮短，從而增加吸附劑的再生次數(shù)，造成氫氣的收率下降。

3.3.2 解吸氣逆放壓力

逆放壓力越低，越有利于吸附劑中所吸附的雜質(zhì)解吸徹底。如果發(fā)現(xiàn)氫氣質(zhì)量有惡化的趨勢，可適當降低逆放壓力。但為了安全起見，應避免逆放壓力過低，以免造成系統(tǒng)負壓，導致空氣進入可燃氣體管道而引發(fā)安全事故。

3.3.3 程控閥內(nèi)漏

程控閥內(nèi)漏意味著需要閥門關閉時卻無法及時關閉，使各吸附塔之間的氣體發(fā)生互竄，直接影響氫氣產(chǎn)量和質(zhì)量；嚴重時，可能導致PSA 制氫裝置操作紊亂。可通過分析變壓吸附塔壓力曲線來判斷閥門是否有內(nèi)漏，若程控閥有內(nèi)漏，應立即將與內(nèi)漏程控閥相連的吸附塔切除，及時檢修。

4 結語

變壓吸附制氫是個系統(tǒng)工程，各工藝過程必須結合起來綜合考慮才能達到高效運行的目的。在氫氣質(zhì)量下降的情況下，可視具體情況采取縮短吸附時間、降低逆放壓力等措施來解決。此外，還應結合PSA 制氫裝置的運行情況，對非正常狀態(tài)的參數(shù)進行詳細分析，找出問題的根源，以免因局部故障或效率低下而影響整套裝置的運行。