新制氫項目的節(jié)能技術(shù)改造

梁振濤(煙臺巨力精細化工股份有限公司，山東 煙臺 265200)

1 項目提出的背景

1.1 設備改造的目標及任務

煙臺巨力精細化工股份有限公司現(xiàn)有兩套年產(chǎn)2.6萬噸的TDI一期生產(chǎn)裝置和年產(chǎn)4.5萬噸的TDI二期生產(chǎn)裝置，經(jīng)過不斷技改，TDI實際產(chǎn)能達9萬t/年以上，是國內(nèi)目前具有自主知識產(chǎn)權(quán)的TDI生產(chǎn)裝置。為了增強企業(yè)的市場競爭能力，適應經(jīng)濟全球化和我國經(jīng)濟結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略性調(diào)整的新形勢，公司計劃在現(xiàn)有的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)中進行優(yōu)化，提高原料利用率，降低生產(chǎn)成本。首先考慮是從排放氣回收方向著手，增加經(jīng)濟效益的同時，又符合國家清潔生產(chǎn)、節(jié)能減排、循環(huán)利用的產(chǎn)業(yè)政策。

1.2 TDI的原料氣純CO和純H2

TDI生產(chǎn)所需的原料氣中包括純CO和純H2，CO用于制備光氣COCl2，H2用于還原二硝基甲苯制備甲苯二胺，光氣與甲苯二胺反應生成甲苯二異氰酸酯TDI。目前CO和H2氣體通過變壓吸附工藝提純所得。由造氣工段產(chǎn)出的混合氣體(水煤氣)經(jīng)過除塵加壓、凈化、壓縮、變換等工藝進入到變壓吸附工段，變壓吸附工段將水煤氣中的CO和H2分離提純出來供TDI生產(chǎn)。其余雜質(zhì)氣體輸送至吹風氣回收裝置燃燒生產(chǎn)蒸汽，燃燒的這部分氣體為變壓吸附氫段工序的產(chǎn)生的解吸氣，內(nèi)含大量的H2等有用組分(約25%)，直接輸送至吹風氣回收裝置燃燒過于可惜、浪費，增加了生產(chǎn)成本。

1.3 解吸廢氣中有效可燃氣體

變壓吸附氫段工序的解吸廢氣中有效可燃氣體約2265Nm3/h的氣量去吹風氣回收裝置燃燒，燃燒氣體中可燃氣體含量較高；變壓吸附裝置程控閥故障出現(xiàn)高壓串低壓現(xiàn)象時，易造成大量高濃度、高壓力的可燃氣體輸送至吹風氣回收系統(tǒng)，存在吹風氣系統(tǒng)爆燃超溫或燃燒不充分爆炸的風險，對系統(tǒng)操作要求高，安全保障較低。

1.4 回收現(xiàn)有變壓吸附氫段解吸氣中的氫氣

綜上考慮，決定改造設備，回收現(xiàn)有變壓吸附氫段解吸氣中的氫氣，以降低去吹風氣回收裝置的氣量，減少其中可燃氣體含量，降低裝置操作難度，提高裝置安全性。同時，能達到降低焦炭消耗，減少二氧化碳排放，節(jié)能減排，進而降低生產(chǎn)成本的目的。符合公司堅持“安全第一，環(huán)保優(yōu)先，以人為本”的理念，提高裝置科技含量，實現(xiàn)安全優(yōu)質(zhì)低耗，向“資源節(jié)約型、本質(zhì)安全型、環(huán)境友好型”的現(xiàn)代綠色化工企業(yè)邁進。

2 工藝技術(shù)的選擇

此新制氫項目是對公司現(xiàn)有的兩套變壓吸附裝置氫段排放的解吸氣進行回收提純，以提高氫氣收率，項目所需的原料是通過變壓吸附氫段提純氫氣后所得解吸氣。考慮回收現(xiàn)有PSA提氫解吸氣，以降低去吹風氣回收裝置的氣量，減少其中可燃氣體含量，降低裝置操作難度，提高裝置安全性。同時，能達到降低焦炭消耗，減少二氧化碳排放，節(jié)能減排，進而降低生產(chǎn)成本的目的。

公司原有的兩套變壓吸附制CO和H2裝置由北大先鋒設計改造，效果很好，本新制氫節(jié)能環(huán)保改造項目仍采用北大先鋒科技有限公司獨立開發(fā)的基于PU-1專用吸附劑基礎上的變壓吸附專有技術(shù)。變壓吸附技術(shù)(PSA)是近幾十年來在工業(yè)上新崛起的氣體分離技術(shù)，其基本原理是利用不同氣體組分在固體吸附劑材料上吸附特性的差異，以及吸附劑的吸附容量隨吸附質(zhì)分壓的增高而增高、降低而降低的特性，通過周期性的壓力變化過程實現(xiàn)氣體的分離提純。

與其它氣體分離技術(shù)相比，PSA技術(shù)有以下特點：

(1)低能耗，PSA工藝所要求的壓力一般在0.1～3MPag，一些有壓力的氣源可省去再次加壓的能耗；

(2)常溫吸附和解吸，省去了加熱、冷卻環(huán)節(jié)，節(jié)省了成本；

(3)產(chǎn)品氣純度高，如PSA制氫裝置，H2產(chǎn)品氣純度最高可達99.9%以上；

(4)工藝流程簡單，可實現(xiàn)多種氣體的分離，無需復雜的預處理工序；

(5)裝置的運行由計算機控制，自動化程度高，操作方便，啟動后短時間內(nèi)即可獲得合格產(chǎn)品；

(6)操作簡單，開停車容易；

(7)裝置的操作彈性大，穩(wěn)定程度高，個別的塔、閥門、設備損壞后可采取一定措避免停車，確保裝置的連續(xù)正常生產(chǎn)。

3 建設規(guī)模及產(chǎn)品方案

3.1 建設內(nèi)容

本項目主要建設內(nèi)容為PSA提氫尾氣回收裝置及配套公用工程和輔助設施。PSA提氫尾氣回收裝置解吸氣處理量為9000Nm3/h，包括：新增PSA-H2吸附塔5座，H2真空泵4臺，PSA-H2富氫氣壓縮機2臺，壓縮廠房、程控閥操作平臺；以及利舊設備PSA-H2逆放氣緩沖罐1臺、PSA-H2順放氣緩沖罐1臺、PSA-H2富氫氣緩沖罐1臺、除油塔1臺、制氫解吸氣壓縮機1臺。

3.2 產(chǎn)品方案

本項目產(chǎn)品主要為氫氣(H2)。

4 工藝流程及工藝指標

4.1 工藝流程

一、二期變壓吸附氫段工序解吸氣壓力0.01～0.03MPa，氣量約9000Nm3/h，經(jīng)解吸氣壓縮機B25803加壓至0.35MPa，進入除油塔去除油水后進入新制氫工序吸附塔(C25801A～E)，解吸氣中CO、CH4、CO2、N2+Ar被吸附在吸附劑內(nèi)，經(jīng)逆放及抽真空+沖洗階段將新的雜質(zhì)氣解吸出來，壓力為0.01～0.03MPa，輸送至一二期吹風氣回收系統(tǒng)燃燒；吸附塔塔頂約1000Nm3/h、壓力0.3MPa的富氫氣(H2含量≥99%)被分離出來，經(jīng)富氫氣緩沖罐T25801緩沖后，進入富氫氣壓縮機B25802AB(開1備1)加壓至1.5～1.6MPa輸送至一期變壓吸附氫段工序提取產(chǎn)品氫氣。

一期、二期變壓吸附氫段工序解吸氣經(jīng)壓縮機壓縮至0.35 MPa后進入新制氫環(huán)保節(jié)能改造項目吸附塔，裝置采用5塔時序，在一個周期中，每臺吸附塔依次經(jīng)歷：吸附、均壓降壓、順放、逆放、抽真空+沖洗、均壓升壓、終充壓步驟。每臺吸附塔交替進行以上各個步驟的操作，相互匹配、協(xié)同操作，使整套裝置平穩(wěn)運行，得到富H2氣經(jīng)壓縮至1.60MPa后返回一期變壓吸附氫段工序前進行回收利用，被吸附的CO2、CO、N2、CH4通過逆放、沖洗、抽真空的方法解吸，同時使吸附劑得到再生。產(chǎn)生的解吸氣分兩路，一路去一期吹風氣回收，另一路去二期吹風氣回收。

本裝置利用氧化鋁(PU-9)、硅膠(PU-10)、活性炭(PU-11)、5A 分子篩(PU-12)對解吸氣中H2、CO2、N2、CO、H2O、H2S、CH4等組分吸附量隨壓力不同而呈現(xiàn)差異的特征，將CO2、N2、CO、H2O、H2S、CH4吸附在吸附劑中，有效組分H2由塔頂流出分離。圖1為工藝流程簡圖。

4.2 控制工藝指標

4.2.1 變壓吸附部分指標：

一、二期變壓吸附解吸氣壓力：3～27kPa，富氫氣成分：H2≥99%。

4.2.2 壓縮指標

解吸氣壓縮機入口壓力：3～27kPa，解吸氣壓縮機油壓：0.15～0.4MPa，解吸氣一、二級排氣溫度：≤140℃，富氫氣壓縮機油壓：0.15～0.4MPa，富氫壓縮機一、二級排氣溫度：≤120℃。

5 實施情況及節(jié)能環(huán)保效益

新制氫項目自2018年7月建好運行至今，運行正常，能夠滿足TDI用氣需求。根據(jù)生產(chǎn)報表統(tǒng)計2018年度新制氫系統(tǒng)運行167天，新制氫系統(tǒng)共生產(chǎn)富氫氣3658574Nm3富氫氣，其中氫氣含量99.9%；設備運行電機總功率880kWh；同時據(jù)生產(chǎn)統(tǒng)計2017年全年消耗焦炭110507t；2018年全年消耗焦炭109311t；2018年減少焦炭消耗1196t。以氫氣價格2.288元/Nm3；電0.65元/度；蒸汽92元/t計算，并綜合以上數(shù)據(jù)計算2018年新制氫運行167天共獲得直接經(jīng)濟效益： 3658574×85%×2.288-880×0.85×0.65×24×167-92.95×92×167=373.84 萬元；間接效益看改造后滿足TDI日增產(chǎn)50t TDI的生產(chǎn)用產(chǎn)品CO和H2的量，實現(xiàn)生產(chǎn)裝置穩(wěn)定運行。

本項目減排效果明顯。由于本項目降低了原料焦炭的消耗，同時減少了二氧化碳的排放，經(jīng)測算年可減少4100t二氧化碳排放。同時，由于本項目裝置具有很好的緩沖及降低可燃氣體濃度的作用，降低了吹風氣回收爆燃超溫的風險，減少了生產(chǎn)安全隱患。

圖1 工藝流程簡圖

6 存在問題及后期改進措施

變壓吸附氫段解吸氣由于逆放及抽真空過程壓力表現(xiàn)為正弦曲線形式波動，新制氫提純節(jié)能環(huán)保改造解吸氣壓縮機入口壓力高壓時仍出現(xiàn)新制氫項目產(chǎn)出的解吸氣超壓現(xiàn)象。為此鋪設DN300管道，引新制氫的解吸氣至二期吹風氣回收解吸氣緩沖罐，二期變壓吸附解吸氣超壓開關(guān)閥KV25618移至變壓吸附氣柜區(qū)，二期變壓吸附氣柜區(qū)2臺解吸氣緩沖罐分別作為新解吸氣壓縮機入口解吸氣緩沖罐及吹風氣回收燃燒解吸氣緩沖罐。

吹風氣燃燒爐溫度控制750～900℃，需控制進入燃燒爐可燃氣體組分，通過控制解吸氣壓力實現(xiàn)，造成解吸氣總管系統(tǒng)近路超壓開關(guān)閥KV25618、KV9513開關(guān)頻繁。為此增加新制氫吸附塔沖洗管線，引富氫氣對吸附塔吸附劑進行再生，同時再生氣調(diào)整去吹風氣燃燒氣可燃氣體成分，保證燃燒爐溫度，降低開關(guān)閥開關(guān)頻率。

解吸氣壓縮機、除油塔為利舊設備，進出口存在管道變徑，解吸氣壓縮機出口至吸附塔存在0.05MPa壓差，除油塔運行壓力微超工作壓力。為此更換擴大除油塔進出口管道、閥門為DN300，增設置現(xiàn)場壓力表及遠傳壓力表。

7 結(jié)語

通過變壓吸附技術(shù)對兩套TDI裝置變壓吸附工段氫段工序產(chǎn)生的解吸氣再次進行分離提純，分離出其中的H2供TDI生產(chǎn)，除H2以外的其它解吸氣去吹風氣鍋爐燃燒產(chǎn)生蒸汽，真正做到節(jié)能降耗、清潔生產(chǎn)。