PSA制氫裝置改造相關(guān)問題探討與思考

張磊（惠生（南京）清潔能源股份有限公司，江蘇 南京 210000）

PSA制氫裝置改造相關(guān)問題探討與思考

張磊（惠生（南京）清潔能源股份有限公司，江蘇 南京 210000）

本文在分析變壓吸附系統(tǒng)工作原理基礎(chǔ)上，針對PSA單元存在的主要問題進(jìn)行分析，并提出要求在氫氣質(zhì)量得到保證的情況下，結(jié)合實際情況，改造PSA單元，能夠使得裝置產(chǎn)氫量達(dá)到改造前的設(shè)計目標(biāo)。經(jīng)過實踐檢驗，制氫裝置的改造使得反應(yīng)部分負(fù)荷有所降低，豐富資源得以有效利用。

PSA制氫；裝置改造；存在問題；改造策略

為了提高總產(chǎn)氫的能力，并且要求滿足最終產(chǎn)品的氫氣純度的合格要求，結(jié)合實際情況，全面的技術(shù)改進(jìn)工作在PSA單元中推進(jìn)，結(jié)果表明，能有效提高氫回收率（由改造前的80%提高到改造后的90%左右），達(dá)到總產(chǎn)氫能力為58000 Nm3／h，能夠滿足氫氣生產(chǎn)成本大幅度降低的要求。新吸附劑的性能和裝填量在改造過程中均有所提高，能夠使得制氫原材料降低消耗，使得富氫資源得以充分利用。部分重整氫裝置在平穩(wěn)運行PSA裝置后進(jìn)行引入，能夠?qū)崿F(xiàn)提純的要求，實踐證明能夠取得較好效果。

1 變壓吸附系統(tǒng)工作原理分析

在進(jìn)行同一氣體的吸附過程中，任何一種吸附劑在達(dá)到吸附平衡的情況下，吸附劑的吸附量隨著氣體壓力的升高而增加。反之亦然，吸附量隨著壓力的降低而減少。對于升高的空氣壓力來說，大量的水分、二氧化碳、氧氣將被碳分子所吸附。對于由裝有碳分子篩的吸附塔和其控制系統(tǒng)所組成的A和B來說，其主要組成變壓吸附設(shè)備。在A塔內(nèi)通過由上到下的壓縮空氣的情況下，其內(nèi)的碳分子則吸附水分、二氧化碳和氧氣，塔頂流出則是能通過的氮氣。B塔的吸附過程則是在A塔內(nèi)分子篩吸附飽和的情況下才進(jìn)行，在此過程中，也能實現(xiàn)對于A塔分子篩的再生。在再生的過程中，也就是能夠?qū)崿F(xiàn)壓力迅速降低至常壓，這主要是通過吸附塔內(nèi)氣體排至大氣來實現(xiàn)，這樣就是分子篩內(nèi)釋放出來的所被分子篩吸附的水分、二氧化碳和氧氣，在吸附和再生的發(fā)生時間大約在120秒內(nèi)完成。

在天然氣制氫過程中，主要包括兩個部分，一部分為天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制轉(zhuǎn)化氣，另外一部分則為變壓吸附(PSA)提純氫氣(H2)。820～950℃的天然氣物質(zhì)通過鎳催化劑的反應(yīng)，使得天然氣與水蒸汽混合在壓縮并脫硫后成為可能，進(jìn)行相關(guān)的物質(zhì)轉(zhuǎn)化，變成二氧化碳(CO2）、一氧化碳(CO)和氫氣(H2)的轉(zhuǎn)化氣。另外，通過一定的變換條件，可以把轉(zhuǎn)化氣一氧化碳(CO)轉(zhuǎn)變?yōu)闅錃?H2)，這就是變換氣，然后，在相關(guān)的變壓吸附(PSA)作用下，純度比較高的氫氣(H2)就可以從變換氣和轉(zhuǎn)化氣就可以得到。

2 PSA單元存在的主要問題

處理能力偏小則是對原有的PSA單元進(jìn)行開工后所發(fā)現(xiàn)的問題，46000 Nm3／h則是原有單元的極限產(chǎn)量，還不能夠達(dá)到設(shè)計要求，僅為涉及產(chǎn)量的74%左右，還不能滿足用氫裝置的產(chǎn)氫需求。在經(jīng)過詳細(xì)的分析和探討基礎(chǔ)上，主要探討幾個方面的問題，主要包括：第一，由于裝置建設(shè)的時間具有一定相比，后期增設(shè)的6臺吸附罐內(nèi)的吸附劑和之前已經(jīng)投入使用的6個罐還存在一定的性能不匹配的問題，同時，對于裝填量來說，也不能滿足生產(chǎn)需要；第二，存在不合理的吸附劑裝填問題，具有偏大的吸附劑床層死空間；第三，存在氫氣回收率比較低的問題，對于CO+CO2含量在氫氣產(chǎn)品中的控制量來說，其控制在10×10-6時，氫氣回收率僅能達(dá)到80%左右。第四，具有較小的吸附塔的解析氣管線，需要進(jìn)一步優(yōu)化和改造。

3 改造方案的確定及實施

3.1 改造措施分析和思考

針對上述分析的PSA單元存在問題，結(jié)合工程實際情況，并積極和設(shè)計單位相關(guān)專家進(jìn)行多次探討和論證，提出以下的相關(guān)改造措施：

第一，一臺順放氣緩沖罐在工程中增加，對于沖洗調(diào)節(jié)回路的改變位置進(jìn)行一定優(yōu)化和修改；第二，所有的吸附劑進(jìn)行更換處理；第三，DN250的解吸氣出口程控閥門12臺進(jìn)行增設(shè)；第四，在解吸氣混合罐中中充分混合所有的解吸氣，然后在進(jìn)入相關(guān)的轉(zhuǎn)化爐；第五，對于計算機控制程序進(jìn)行一定修改，流程進(jìn)行優(yōu)化，變?yōu)?2-3-4流程。

3.2 具體方案實施探討

12-3-4流程則是進(jìn)行相應(yīng)的改造以后的運行方式，此時，三個吸附塔在裝置的十二個吸附塔中則會始終處于進(jìn)料吸附的狀態(tài)，同時，這為四次的均壓過程。分析其吸附和再生工藝過程，可以發(fā)現(xiàn)其主要包括吸附、連續(xù)四次均壓降壓、沖洗、順放、連續(xù)四次均壓升壓，以及相關(guān)的產(chǎn)品氣升壓等幾部分組成。

4 改造遺留問題

PSA單元的產(chǎn)氫能力瓶頸的確定則可以利用操作參數(shù)在極限負(fù)荷測試中進(jìn)行，主要包括，吸附塔內(nèi)的沖洗再生壓力在滿負(fù)荷中的再生壓力則能夠高達(dá)0 09～0 1 MPa(G)，相比于正常設(shè)計值，則明顯偏高，造成解吸效果由于較高的解吸壓力大大降低，使得裝置處理能力受到制約。

要求在氫氣質(zhì)量得到保證的情況下，結(jié)合實際情況，改造PSA單元，能夠使得裝置產(chǎn)氫量達(dá)到改造前的設(shè)計目標(biāo)(58000 Nm 3／h)。制氫裝置的中變氣能夠通過PSA單元進(jìn)行處理，還可以摻入占PSA進(jìn)料的10%的重整氫氣，使得反應(yīng)部分負(fù)荷有所降低，豐富資源得以有效利用，有效降低裝置原料的消耗問題。

[1]馬麗君.運行參數(shù)對PSA煤氣制氫工藝的影響[J].遼寧科技學(xué)院學(xué)報,2008,10(4).

[2]閆志者.焦?fàn)t煤氣PSA制氫及其進(jìn)展[J].煉油技術(shù)與工程, 2014,44(1).