焦爐煤氣變壓吸附提氫工藝在合成氨中的應用

婁軍澤

(山西陽煤豐喜肥業(集團)有限責任公司,山西運城 043100)

焦爐煤氣變壓吸附提氫工藝在合成氨中的應用

婁軍澤

(山西陽煤豐喜肥業(集團)有限責任公司,山西運城 043100)

山西某氮肥廠利用變壓吸附提氫裝置提取焦爐煤氣中的氫氣供合成氨用氫。運行結果表明:焦爐氣經過吸附劑吸附后除去氫以外的絕大部分雜質和氣體,氫氣純度可達99.999%。本工程的主要特點工藝流程簡單、原料適應性強;自動化程度高,PSA單元全部采用計算機自動控制,完全無需人工操作和干預;操作成本低,由于PSA單元無溶劑等輔助材料消耗,且電耗很低;無三廢排放,對環境不會造成污染,因此環境效益和經濟效益顯著。

變壓吸附 提氫 脫硫 脫氧

1 工程簡介

山西某氮肥廠原裝置利用焦爐煤氣年產18萬噸合成氨、30萬噸尿素,由于該廠所在煤化園區內焦爐煤氣富裕,為利用該部分多余焦爐煤氣,進一步優化生產工藝,降低能源消耗,提高經濟效益,決定對原1830裝置實施焦爐煤氣綜合利用挖潛改造項目。采用變壓吸附提氫、富甲烷氣補入現有轉化系統的工藝技術,新建一套焦爐煤氣變壓吸附制氫裝置和合成氨系統,新增焦爐煤氣脫硫塔、壓縮機、脫萘塔、吸附塔、合成塔、合成廢鍋等主要設備38臺(套),形成年新增合成氨4.8萬噸、尿素8.58萬噸的生產能力。變壓吸附(PSA)技術是近30多年來發展起來的一項新型氣體分離與凈化技術。進入70年代后,這項技術被廣泛應用于石油化工、冶金、輕工及環保等領域。該廠采用預處理+變壓吸附+純化工藝為核心的變壓吸附提氫裝置生產純度99.999%的氫氣供合成氨用氫。該裝置于2012年7月投料生產,裝置運行至今,運行效果良好。

圖1

表1

表2

2 工藝原理

2.1 變溫吸附脫萘原理

對萘的凈化處理,充分利用萘及其聚合物本身具有的升華和揮發的特性,采用復合吸附床層的一層裝填有聚合功能的小顆粒中孔徑專用吸附劑,萘及不飽和烴能在吸附劑內外表面發生聚合反應,生成分子量大的聚合物而被從焦爐氣中分離吸附下來,此聚合物在升溫時,又分解并直接升華再生出來。變溫吸附是采用提高床層溫度來實現再生的循環工藝,裝置中活性炭與焦炭吸附一定時間后,由于煤焦油和萘吸附在焦炭和活性炭外表面與空隙內而使吸附劑失去吸附能力,從而達到飽和,失去脫萘能力,此時需要進行活性炭和焦炭的再生,除去其表面與空隙內吸附的萘、苯、焦油及少量單質硫,恢復其吸附及脫萘能力。

2.2 PSA制氫原理

吸附劑在一定溫度下和一定的壓力下對不同的氣體組分的吸附容量不同,且吸附劑的吸附容量具有隨氣體壓力的升高而增大,隨氣體壓力的降低而減小的特性,利用這一特性,在較高壓力下吸附劑床層對氣體混合物進行吸附,容易吸附的組分被吸附劑吸附,不易吸附的組分從床層的另一端流出,當吸附達到一定程度時,降低吸附劑床層的壓力,使被吸附的組分脫附出來,從床層的另一端排出,從而實現了氣體的分離與凈化,同時也使吸附劑得到了再生。

3 設計參數

3.1 設計規模

3.2 原料氣條件

焦爐氣成分為:CH420%、CO 8%、CO24.5%、H259%、N26.7%、O20.3%、CnHm1.5%。

濕法脫硫后其它雜質含量如下:

3.3 產品規格及技術指標

(1)產品氫氣:氫氣+氮氣+甲烷≥99.999%(CH4≤0.5%);S(總硫)≤0.1ppm;

(2)解析氣:壓力25Kpa(G),必須穩定;溫度≤35℃。

3.4 裝置界區(如圖1)

4 工藝簡介

根據焦爐煤氣的組成、產品氫氣的質量指標的要求和對解析氣指標要求,本裝置工藝流程由預處理工序、(壓縮工序)除油工序、變壓吸附工序、氫氣純化工序(精脫硫+脫氧)組成。分別簡述其流程如下:

4.1 預處理工序

4.1.1 粗脫

粗脫單元是由三臺粗脫塔組成,可以二臺運行,一臺備用;也可以一臺運行,二臺備用;必要時可以三臺粗脫塔同時運行。其工藝過程如下:

來自界外的壓力約為20KPa的焦爐煤氣自塔底進入粗脫塔,其中2臺處于吸附脫萘、脫苯、脫焦油等雜質狀態、一臺處于再生狀態。三臺粗脫塔交替工作實現焦爐煤氣的初步凈化。

粗脫塔的工作過程包括:吸附過程、加熱脫附雜質、冷吹降溫

4.1.2 精脫

來自粗脫的焦爐煤氣進入壓縮機一段入口經壓縮機壓縮至～0.105Mpa.G由一級出口進入除油塔經除掉夾帶的微量潤滑油后進入精脫單元。焦爐煤氣由精脫塔的下部進入,依次通過萘、苯、氨、硫化氫的專用吸附劑床層,萘、苯、氨、硫化氫等有害組分被各專用吸附劑的發達孔系所吸附,從而使焦爐煤氣得以精制凈化,凈化后的焦爐煤氣從精脫塔的頂部出來直接去壓縮機二級入口。

精脫工段由三臺精脫塔組成。 其中,3臺精脫塔有2臺處于吸附狀態、1臺處于再生狀態。當處于吸附狀態的吸附塔吸附飽和后即轉入PSA富產解吸氣對其加熱再生的過程。過程包括吸附、逆放回收、升溫再生、冷吹降溫、終升5個過程,這5個過程在程序控制下自動切換。可根據實際調試確定程序自動切換周期。

4.2 除油工序

本工序主要由2臺除油塔組成,2臺除油塔并聯操作,交替輪換使用,一臺投運時,另一臺更換吸附劑備用。

來自壓縮工序壓力為2.0MPa(G)、溫度35℃的焦爐煤氣進入除油工序后,自塔底進入除油塔,脫除焦爐煤氣中的潤滑油和焦油等雜質。

4.3 變壓吸附工序

來自除油工序壓力為2.0MPa(G)、溫度35℃的焦爐煤氣,進入PSA提氫工序。本工序由8個吸附塔、2個順放罐、1個氫氣緩沖罐、1個解吸氣緩沖罐和1個解吸氣混合罐組成,其中兩個吸附塔始終處于同時進料吸附的狀態,其工藝過程由吸附、三次均壓降壓、順放、逆放、沖洗、三次均壓升壓和產品最終升壓等步驟組成。

8個吸附塔交替進行以上的吸附、再生操作(始終有2個吸附塔處于吸附狀態)即可實現氣體的連續分離與提純。

4.4 氫氣純化工序

4.4.1 脫硫工序

目的:經過變壓吸附后焦爐煤氣中硫已完全脫除干凈,但是為了更好地保證后續合成催化劑的使用壽命,在變壓吸附工序后設置脫硫工序。

本工序主要由2臺精脫硫塔和手動閥門組成,2臺脫硫塔并聯操作,交替輪換使用,一臺投運時,另一臺更換脫硫劑備用。

本工序的精脫硫劑是活性炭類復合脫硫劑。能夠有效地脫除氫氣中微量的有機硫和無機硫。

4.4.2 脫氧工序

目的:本工序的目的就是將從PSA工序或脫硫工序來的氫氣中的氧脫除小于1PPM以下。

來自脫硫工序的溫度約為35℃,壓力約為1.9MPa(G)的氫氣進入常溫脫氧塔,在其中裝填的新型常溫Ba催化劑的催化下,氧和氫反應生成水,然后經冷卻器冷卻至常溫經氣液分離器分離后去高壓機入口。

5 運行情況

5.1 運行數據

原料氣流量:25000Nm3/h。原料氣成分見表1。

產品氫氣流量,目前裝置產氫瞬時流量平均在12800Nm3/h,裝置氫氣回收率約為87%,高于設計要求的86%。

產品氫氣純度,產品氫氣純度為99.999%。其中氫氣中的CO平均為1.26ppmm,CO2平均為2.03ppm,O2含量平均為0.7ppm,低于O2＋CO+CO2≤10ppm的技術要求。具體成分見表2:

5.2 運行中問題

運行初期,由于精脫硫劑在生產過程中使用了堿洗工藝,導致吸附劑微孔吸附了空氣中的酸性氣體CO2,當變壓吸附出來的合格氫氣通過該吸附劑時,殘留的CO2混入氫氣中,從而導致最終產品氫氣CO2超標。在連續置換兩天后,吸附劑微孔中的CO2被解吸出,產品氫氣CO2含量合格。

5.3 該工藝具有以下優點

工藝流程簡單、原料適應性強;操作彈性大,可以在30～110%的彈性范圍內穩定生產;自動化程度高,PSA單元全部采用計算機自動控制,完全無需人工操作和干預;開停車時間短,通常開車2小時就可以得到合格產品氣;操作成本低,由于PSA單元無溶劑等輔助材料消耗,且電耗很低;無三廢排放,對環境不會造成污染,因此環境效益明顯;投資和運行維護費用低。

6 結語

通過半年多的運行,該裝置工藝設計合理,運行穩定,操作和調節簡單,負荷彈性大,對原料氣的適應能力強。吸附劑性能穩定、吸附容量大、抗壓強度高。程控閥門響應速度快、動作穩定,無泄漏現象。控制系統和軟件穩定、先進,具有較高的自動化程度。但在以后的運行過程中,針對變壓吸附吸附劑容易被污染的特點,定期檢測預處理效果,及時更換預處理填料,做好預處理的把關工作,保證變壓吸附吸附劑能長久穩定運行。