氫回收技術改造探討

穆正德，鄒寶用

（云南云天化股份有限公司紅磷分公司，云南 開遠 661100）

工業上氫回收裝置可分為二步：第一步為尾氣預處理，第二步回收尾氣中的氫。我廠原造氣工藝采用焦碳制氣，原采用1200m3/h的氫回收裝置（滲透膜回收法），提氫后的放空尾氣送無動力氨回收裝置作動力，進行氨回收后放空氣。隨著近幾年焦炭價格的攀升，2012年底紅磷分公司實施原料路線及合成氨裝置優化改造項目完成后，合成系統的放空量隨之上升。1200 m3/h氫回收裝置不能有效平衡合成系統惰性氣體含量，造成部分有效氣體直接放空，2013年對合成氨裝置氫回收處理能力進行提升改造。

1 改造情況

2013年1月28日和2013年3月13日分別對合成氨系統氣體進行取樣色譜分析，結果見表1。

表1 合成氨氣體色譜分析結果

從表1可看出，全燒煤棒后合成循環氣中惰性氣體含量達到20.7%。現有氫回收裝置已滿負荷運行，當壓縮一入半水煤氣流量達37000m3/h時，氫回收裝置處理氣流量1400 m3/h左右，合成系統壓力控制30.8MPa，合成系統仍需開塔前放空閥進行放空，造成有效氣體的浪費，污染環境，只能減負荷生產。

1.1 氫回收裝置計算及選型

1.1.1 合成放空氣量的計算

按合成氨裝置半水煤氣為40000m3/h滿負荷生產時計算，通過變壓吸附脫碳、精煉后進合成崗位的新鮮氣量約為34960 m3（標），放空氣中惰性氣含量為20.7%，補充氣中惰性氣體含量為2%計算［2］：

V放空氣＝V新鮮×（I新鮮/I放空）＝34960×2÷20.7

＝3378 m3

1.1.2 氫回收裝置進出口管道的核算

1）新增一套處理能力2400 m3/h的膜分離氫回收裝置。氫回收系統處理達3600 m3/h，合成系統放空至氫回收系統管徑計算，按合成系統放空壓力31MPa，氣體流量（標準狀況）：3600 m3/h，氣體溫度 40℃計算［1］：

V1＝P0V0/T0*T1/P1

＝（0.101325×3600）/273.15×（273.15+40）/31

＝13.5 m3/h

QV＝13.5m3/h

根據HG/T 20570-95標準，氫氮混合氣流速為5～10 m/s，所以取 u＝10 m/s。

d2＝QV/0.785u

＝（13.5÷3600）/0.785×10＝0.0004777

d＝22mm

目前合成系統放空至氫回收系統管徑為Φ35×9，管徑為15mm，不能滿足改造后處理氣量的要求，所以要選用規格為Φ43×10，內徑為25 mm高壓無縫管，才滿足氫回收裝置提升改造后的需求。因此，氣體在管內實際操作流速為：

U ＝QV/0.785d2

＝13.5/0.785×（0.025）2×3600

＝7.6m/s

氫回收系統進口管改為規格為Φ43×10的高壓無縫管，氣體在管內實際操作流速為u＝7.6m/s，符合國家HG/T 20570-95標準，氫氮混合氣流速為5～10 m/s。

2）氫回收裝置氫氣回收總管管徑計算

氫回收裝置處理能力3600m3/h，處理氣中H2含量約為56%，裝置氫氣回收率≥92%，則氫回收裝置氫氣回收量為1854.72m3/h，壓力設計為0.8 MPa，氣體溫度按40℃計算：

V1＝P0V0/T0*T1/P1

＝（0.101325×1854.721954.08）/273.15×（273.15+40）/0.8

＝269.31m3/h

即 QV＝269.31m3/h

根據HG/T 20570-95標準，氫氣流速為8m/s，所以取 u＝8m/s， d2＝QV/0.785u

＝（269.31÷3600）/（0.785×8）＝0.01191

d＝109mm

查無縫管規格表，選用Φ133×4.5，內徑為125mm的無縫鋼管，才滿足氫回收裝置提升改造后的需求［3］。因此，氣體在管內實際操作流速為：

U＝qV/0.785d2

＝269.31÷｛0.785×（0.125）2×3600｝

＝6.1m/s

經過計算，氫回收裝置氫氣回收總管管徑規格選用Φ133×4.5的無縫管，此時管道內氣體流速為6.1 m/s。符合國家HG/T 20570-95標準，氫氣流速為8m/s。

1.2 方案的選擇及改造流程

根據對合成系統放空氣的計算，擬新增一套由兩個1200m3/h的膜分離器并聯組成，處理能力為2400 m3/h的氫回收裝置，滿足合成氨裝置全燒煤棒工況的需要（改造前后工藝流程見圖1、圖2）。氫回收裝置總處理能力3600m3/h，裝置主要技術指標為：凈氨后氣體（原料氣）氨含量≤10mg/kg，產品氫氣純度≥92%，壓力≥0.8MPa，氫氣回收率≥92%，尾氣送無動力氨回收裝置壓力≥2.0MPa。

圖1 改造前工藝流程圖

圖2 改造后工藝流程圖

2 運行情況

項目改造完成后，裝置運行平穩，各項性能指標都較為理想。表2為氫回收裝置部份運行測定記錄數據。

表2 氫回收裝置運行記錄數據

凈氨后氣體（洗氨塔出口氣體）氨含量未檢測出，設計要求為凈氨后氣體（洗氨塔出口氣體）氨含量≤20mg/kg，系統操作壓力控制在8.5 MPa左右；根據裝置運行分析數據，氫氣回收率≥96%以上，尾氣經過減壓后引入無動力氨回收裝置，壓力控制在1.6～2.0MPa，滿足無動力氨回收工藝正常穩定運行。

3 經濟效益

通過對氫回收裝置進行提能改造，增加處理氣量和回收合成放空氣。按1400m3/h計，含氫56%的放空氣通過膜分離回收裝置后，氫回收率按92%計，每小時可回收氫氣721m3，全年可節約原料煤（實物）約 3360 t。

4 結論

通過對氫回收裝置進行改造，提升氫回收裝置處理能力，解決了合成氨裝置造氣崗位全燒煤棒制氣后氫氣回收處理能力的匹配問題，完全回收合成系統的放空氣，有效平衡合成系統惰性氣體含量。