15萬噸/年合成氨PSA變壓吸附技術優化研究

＊羅時華 瞿道兵 李少軍 余士明 劉哲 劉善培 粟學俐*

（1.湖北凱龍化工集團股份有限公司 湖北 448032 2.湖北凱龍楚興化工集團有限公司 湖北 431913 3.荊楚理工學院 湖北 448000）

合成氨是一種重要的無機化工原料，對國民生產生活具有重大意義。由于合成氨生產技術制約，合成氨工藝實施過程中存在諸多問題，也是消耗能源的大戶。隨著社會的進步，要求工業生產符合資源節約型、環境友好型生產理念，技術升級迫在眉睫，國內外專家開展了合成氨各新技術的研究。

湖北凱龍楚興化工集團有限公司的合成氨裝置，因其工藝技術落后，能耗高，污染大，生產成本居高不下，公司投資10多億元對合成氨裝置進行工藝技術優化和技術升級。合成氨生產線通過近一年的試生產，暴露出PSA提氫處理能力不足、氫氣損耗大、吸附時間短，程控閥動作頻繁等問題，并為進一步優化生產，節能降耗、增產降耗，進行了PSA提氫技改項目公司采用N2再生+微動力回收工藝技術，新增凈化段吸附塔4臺、硅膠吸附劑570m3、氫氣回收壓縮機1臺、氮氣輸送羅茨風機1臺，氣動程控閥136臺等設備設施。本文主要涉及湖北凱龍楚興化工集團有限公司100000Nm3/h PSA提氫裝置的設計要求、裝置設計條件、工藝流程。

1.PSA變壓吸附原理

變壓吸附脫碳是將氣化工段來的煤氣經變換、脫硫后的變換氣送入吸附塔吸附，再經精脫硫處理后，將煤氣中CO2及H2S控制在指標內，凈化氣送后工段。吸附塔再生解吸下來的C02通過減壓分離、順放、逆放、吹掃放空或回收利用。變壓吸附吸附脫碳原理是基于各類專用吸附劑具有的兩個基本性質：（1）對不同組分的吸附能力不同；（2）吸附質在吸附劑中吸附容量隨吸附質的分壓上升而增加，降低而下降。利用吸附劑第一個性質即：對混合氣體中某些組分的優先吸附或弱吸附性能，實現目標組與其它組分分離而得以提純；利用吸附劑的第二個性質，可實現吸附劑在高壓下吸附而在低壓下解吸再生，從而構成吸附劑吸附與再生循環，采用多塔交替操作，實現連續分離氣體目的，其工藝過程通常按吸附、均壓降、順放、逆放、再生（吹掃或抽真空）、均壓升、步序依次循環進行，始終保持一定數量吸附塔輪流處于吸附狀態。

2.裝置設計

(1)裝置設計要求

①原料氣參數

進裝置原料氣規格，見表1。

表1 進PSA原料氣指標

②產品規格

裝置產品氣應滿足如下規格，見表2。

表2 出PSA產品規格

③界區劃分

本裝置工程設計范圍從原料氣通過管道進入本裝置，從第一個閥門起；產品氫氣通過管道輸出本裝置，解吸氣通過管道輸出界區，以最后一個閥門為止。另包括氮氣提壓系統、回收氣壓縮系統、公用工程整體設計。PSA提氫裝置見圖1。

圖1 PSA提氫裝置圖

(2)裝置設計條件

①公用工程條件

A.氮氣

成份：純度＞99.995%（Vol），氧含量≤0.005%；

進界區壓力：≥0.01MPa(G)，溫度≤40℃。

B.儀表氣

進裝置區壓力：≥0.45MPa(G)，露點溫度：-40℃。

C.循環水

壓力：≥0.3MPa(G)，溫度：≤32℃。

D.電

供配電電壓：0.38/10kV，頻率：50Hz。

②公用工程消耗指標

本項目以變換氣為原料，經變壓吸附提氫裝置，生產出合格的產品氫氣，公用工程消耗如下表。

表3 公用工程規格及消耗表

3.工藝流程

15萬噸/年合成氨PSA變壓吸附工藝流程見圖2。本次改造PSA1段采用流程22塔操作（吸附塔數不變），其中4臺吸附塔在線吸附，多塔均壓、雙塔氮氣吹掃再生流程，以保證良好再生效果。PSA2段采用17塔操作（增加4臺吸附塔）其中3臺吸附塔在線吸附，多塔均壓、氮氣吹掃再生流程。

圖2 15萬噸/年合成氨PSA變壓吸附工藝流程框圖

整套PSA提氫裝置在入塔原料氣溫度下操作，出PSA裝置產品氫氣壓力≥1.65MPa(G)，整套裝置阻力降≤0.05MPa；出PSA裝置產品氫氣CO2含量＜0.1%，CO含量≥1.2%，產品CO2純度≥98%。

(1)PSA1段工藝流程

來自界外1.70MPa(G)，溫度≤40℃變換氣自PSA1段吸附塔底部進入處于吸附狀態塔內，在不同種類吸附床層選擇吸附下，原料氣中雜質組分（如H2O、CO2）經過吸附劑床層時依次被吸附下來，控制出吸附塔頂部中間氣中CO2含量7%～8%進入PSA2段進一步處理。

當被吸附雜質的傳質區前沿（稱為吸附前沿）到達床層出口預留段某一位置時，關掉該吸附塔底進料閥和塔頂出口閥，停止吸附。吸附床層開始轉入再生過程。通過多次均壓，順著吸附方向將塔內較高壓力富含氫氮氣的混合氣放入其它已完成再生較低壓力的吸附塔內，該過程可充分回收床層死空間氫氣；均壓過程結束后通過吸附塔底部及頂部程控閥繼續降壓，將床層CO2提濃至合格，順放結束后逆著吸附方向將吸附塔壓力降至常壓，使吸附劑達到自然降壓初步再生目的；逆放結束后，利用PSA2段再生氣對吸附床層進行吹掃，使吸附劑得到完全再生。吸附劑再生完全后，吸附塔再通過均壓升及終升達到吸附壓力，進入下一個循環操作。逆放階段純度≥98%的CO2氣送液體二氧化碳崗位作原料。變壓吸附塔操作溫度均在進氣溫度下運行，每臺吸附塔依次經歷吸附、均壓降、順放、逆放、吹掃、均壓升、最終升壓等步序。

(2)PSA2段工藝流程

來PSA1段壓力1.67MPa(G)，溫度≤40℃中間氣自吸附塔底部進入處于吸附狀態塔內，在吸附床層選擇吸附下，原料氣中雜質組分CO2經過吸附劑床層時被吸附下來，控制出吸附塔頂部產品氫氣中CO2含量≤0.1%送醇烷化工段進一步處理。

當被吸附雜質的傳質區前沿（稱為吸附前沿）到達床層出口預留段某一位置時，關掉該吸附塔底進料閥和塔頂出口閥，停止吸附。吸附床層開始轉入再生過程。通過多次均壓降，順著吸附方向將塔內較高壓力富含氫氮氣的混合氣放入其它已完成再生較低壓力的吸附塔內，該過程可充分回收床層死空間氫氣；均壓過程結束后將吸附塔內氣送緩沖罐充分回收。降壓結束后，將塔內富氫氣體順放至解吸氣壓縮機加壓回收至PSA1入口管線；順放結束后，利用界外氮氣對吸附床層進行吹掃，使吸附劑得到完全再生。吹掃結束后吸附塔再通過均壓升及終升達到吸附壓力，進入下一個循環操作。PSA2段吸附塔操作溫度均在進氣溫度下運行，每臺吸附塔依次經歷吸附、均壓降、逆放、順放、吹掃、均壓升、最終升壓等步序。

4.裝置改造后情況

本裝置改造歷經一年建設，于2022年8月25日一次性投料加負荷成功，裝置各項技術均取得了優于設計值好成績，裝置原料氣操作工況下生產的產品氣情況見表4：

表4 原料氣及產品氣表

PSA提氫裝置技改開車后運行正常，吸附循環時間大幅加長，各閥門運行平穩，氫氣回收率高。目前裝置在8.8萬m3/h負荷下運行，系統出口CO2含量＜0.1%，氫氣回收率高于98.5%。在相比改造前增加1萬m3/h原料氣情況下，一段吸附循環時間由技改前462s左右延長至1000s左右，二段吸附時間由技改前1400s延長至現3600s以上。按目前情況看，PSA提氫技改后達到10萬m3/h處理氣量。吸附塔吸附時間增加了一倍多，再生及解吸氣放空次數縮減了一倍多，大幅縮減了再生時有效氣的損耗，氣化單爐滿負荷生產產量有原80噸/班增加到95噸/班以上，產量增加了18噸/班以上，每班產量由原160噸/班左右，增加到現198噸/班左右，噸氨煤耗由原1550kg左右降至現1430kg左右，噸氨電耗由原1350kWh降至現1230kWh左右。產品指標見表5。

表5 湖北凱龍楚興化工集團有限公司100000Nm3/h PSA提氫裝置產品指標

5.結論

變壓吸附技術具有能耗低、流程簡單、產品氣純度高、裝置自動化程度高、操作簡單等優點，在合成氨企業已得到廣泛應。隨著計算機人工智能技術的的發展，控制系統等軟件功能的升級和應用，特別是本項技術研發不斷深入，變壓吸附技術水平將會得到的持續提升。