變壓吸附制氫解吸氣壓縮機選型方案探討

胡景輝 李 雨 何 瑾 惠生工程(中國)有限公司河南化工設計院分公司 鄭州 450018

國內某公司新建一套以煤為原料的煤制氫及合成氨生產裝置，建設規模為30萬t/a合成氨，氫氣75000Nm3/h，配套輔助生產裝置和公用工程，年操作時間8000h，氨合成最大、最小設計能力分別為液氨產量45萬t/a和20萬t/a，相應的PSA制氫設計能力分別為產氫37500Nm3/h和100000Nm3/h。

1 解吸氣壓縮機工況

解吸氣是PSA制氫裝置提純產品氫氣后的副產物，主要成分為H2、CO、N2等，具有氫氣含量高、熱值較高的特點，通常情況下，各生產裝置會結合實際生產將解吸氣加以回收利用[1-4]。三種工況下解吸氣具體組成見表1。

表1 解吸氣詳細參數

結合該項目實際情況，PSA解吸氣的回收利用分兩種：一股由0.13MPa(A)壓縮至0.45MPa(A)，送至燃料氣管網用于氣化磨煤機干燥所需燃料氣(用量為Norm.5000Nm3/h、Max.7150Nm3/h，LHV≥2000kcal/Nm3)，剩余部分解吸氣經壓縮至4.35MPa(A)送至上游變換單元回收利用。壓縮機主要工藝數據條件見表2。

2 解吸氣壓縮機選型比較

PSA制氫解吸尾氣操作壓力接近常壓，需要進行增壓才能回收利用，壓縮機型式以往復機和螺桿機居多[5-7]。

考慮到壓縮機的穩定操作及裝置的運行經濟性，有以下三種方案可供選擇：

表2 PSA解吸氣壓縮機主要工藝數據條件

注：①二段解吸氣量不允許為0，可按廠家要求進行調整；②壓縮機入口壓力波動范圍±10kPa; ③產氫100000Nm3/h對應于110%操作工況，表中數據對應產氫90900Nm3/h。

2.1 方案一：兩臺活塞機(壓縮機設計工況產氫100000Nm3/h)

設置2臺活塞式壓縮機，壓縮機設計工況為產氫100000Nm3/h，5級壓縮，1開1備，氣化燃料氣(0.45MPa(A))從壓縮機2級出口抽出，剩余解吸氣經3、4、5級壓縮至4.35MPa(A)后送至上游變換單元回收利用。

(1)產氫100000Nm3/h操作工況，壓縮機一段解吸氣流量11676Nm3/h，壓縮機二段解吸氣流量5794～7567Nm3/h。

(2)產氫75000Nm3/h操作工況，壓縮機一段解吸氣流量7018Nm3/h，壓縮機二段解吸氣流量1136～2937Nm3/h；壓縮機一段需考慮約40%回流，二段需考慮的回流量約61%。

(3)產氫37500Nm3/h操作工況，解吸氣流量只有3040Nm3/h，而送至氣化的燃料氣需要量約為4109 Nm3/h，燃料氣量不足；壓縮機2級出口抽氣，3、4、5級壓縮機全回流。

對于壓縮機設計工況在產氫100000Nm3/h時，不同操作工況下壓縮機各段氣體回流量及壓縮機軸功率見表3。

表3 不同操作工況下各段氣體回流量(解吸氣壓縮機設計工況產氫100000Nm3/h)

注：①二段解吸氣量不允許為0，可按廠家要求進行調整；②產氫100000Nm3/h對應于110%操作工況，表中數據對應產氫90900Nm3/h；③燃料氣不足部分由進PSA制氫前抽出的一部分工藝氣進行補充。

2.2 方案二：兩臺活塞機(壓縮機設計工況產氫75000Nm3/h)

針對方案一，由于操作工況差異，如在操作工況產氫75000Nm3/h或37500Nm3/h運行時，存在氣體回流量大的缺點。因此，可將壓縮機設計工況設定在產氫75000Nm3/h，對于操作工況在產氫100000Nm3/h時兩臺全開；操作工況在產氫37500Nm3/h時，相對于壓縮機設計工況為產氫100000Nm3/h，可減少氣體回流量，節省運行能耗，詳細參數見表4。

2.3 方案三：1臺螺桿式壓縮機+1臺活塞式壓縮機

針對方案一能耗高的缺點，可設置1臺噴油螺桿式壓縮機+1臺活塞式壓縮機，螺桿式壓縮機用于氣化燃料氣壓縮(壓縮至0.45MPa(A))，活塞式壓縮機用于將解吸氣壓縮至4.35MPa(A)送至上游變換單元。

螺桿壓縮機運行穩定、可靠，故障率低，且基本上無易損件，可實現連續不間斷運行，不設備機。

表4 不同操作工況下各段氣體回流量(解吸氣壓縮機設計工況產氫75000Nm3/h)

注：①二段解吸氣量不允許為0，可按廠家要求進行調整；②產氫100000Nm3/h對應于110%操作工況，表中數據對應產氫90900Nm3/h。

當活塞式壓縮機故障時，可短期將返回變換的解吸尾氣送火炬，活塞式壓縮機的檢修周期一般為5天左右。

此外，PSA低負荷運行時(產氫37500Nm3/h工況)，活塞機可以停運，節省能耗。詳細參數見表5。

表5 不同操作工況下各段氣體回流量(解吸氣壓縮機設計工況產氫37500Nm3/h)

注：①若二段解吸氣量不允許為0，可按廠家要求進行調整；②該氣體流量已減去螺桿壓縮機氣量約為4109Nm3/h；③產氫100000Nm3/h對應于110%操作工況，表中數據對應產氫90900Nm3/h。

3 運行費用對比

三種方案下PSA解吸氣壓縮機運行費用對比詳見表6～表8。

表6 PSA解吸氣壓縮機運行費用對比表(實際操作工況產氫100000Nm3/h)

注：①往復機按運行6個月檢修一次，每次持續時間為5天；②電價按0.5元/kW，標準煤按650元/t考慮。

表7 PSA解吸氣壓縮機方案對比表(實際操作工況產氫75000Nm3/h)

注：①往復機按運行6個月檢修一次，每次持續時間為5天；②電價按0.5元/KW，標準煤按650元/t考慮。

4 結語

(1)運行費用分析。若操作工況長期在產氫100000Nm3/h，運行費用上方案一是優選，方案三次之；若操作工況長期在產氫75000Nm3/h，運行費用上方案二是優選方案，方案一次之；若操作工況長期在產氫37500Nm3/h，運行費用上方案三是優選方案，方案二次之。

表8 PSA解吸氣壓縮機方案對比表(實際操作工況產氫37500Nm3/h)

注：①往復機按運行6個月檢修一次，每次持續時間為5天；②電價按0.5元/kW，標準煤按650元/噸考慮。

(2)設備投資占地分析。方案一(設備投資約1500萬元，占地42×21m)>方案二(設備投資約1360萬元，占地42×21m)>方案三(設備投資約1020萬元，占地32×21m)。

綜上所述，基于操作工況差異大的現狀(產氫37500Nm3/h、75000Nm3/h、100000Nm3/h)，建議將壓縮機設計工況設定在產氫75000Nm3/h；對于操作工況在產氫100000Nm3/h工況下，壓縮機兩臺全開；操作工況在產氫37500Nm3/h下，相對于壓縮機設計工況為產氫100000Nm3/h，可減少氣體回流量，節省運行能耗。