氫氣提純裝置（PSA）改造

王 璐，文 章

（中國石油廣西石化公司，廣西 欽州 535008）

氫氣提純裝置（PSA）改造

王 璐，文 章

（中國石油廣西石化公司，廣西 欽州 535008）

南方某煉廠氫氣提純裝置（PSA），由于原設計中的程控閥選型存在一定問題，使得吸附劑使用效果不理想，造成產品氫氣純度只有在吸附劑使用初期時才能達到設計、生產要求，但在保證了產品氫純度時，氫氣回收率卻不盡理想，與原設計存在偏離。經過改造，不僅解決了程控閥的問題，更主要的是在滿足產品氫純度的同時，氫氣回收率也較為理想。新增的流程、預處理系統也為裝置長周期安全、平穩、高效生產奠定了基礎。

氫氣；改造；運行

1 裝置簡介

南方某煉廠的氫氣提純裝置（PSA1），由PSA主體部分、解吸氣壓縮機部分和公用工程部分組成，以重整氫氣和含硫量高的加氫裝置冷低分氣等混合氣為原料，采用國內某公司的10-2-4 PSA 流程變壓吸附氫提純技術，從混合氣中提純分離出純度大于99.9%的氫氣，副產品解吸氣可作為燃料氣使用或送入制氫裝置。

改造后，裝置采用國外某公司的10-2-4的流程變壓吸附氫提純技術，原料氣為重整氫、含硫量高的加氫裝置冷低分氣和氫氣回收裝置產品氫的混合氣。產品氫純度達99.9%以上，產品氫規模為12×104Nm3·h-1，氫氣回收率達到92%，操作彈性為50%～110%。副產品解吸氣進入全廠燃料氣管網，或者作為制氫裝置或氫氣回收裝置的原料。裝置由PSA撬塊、預處理部分、解吸氣壓縮機部分和公用工程部分組成。

2 原有運行問題

2.1 設計缺陷

2.1.1 均壓速度過快

PSA1裝置由10臺吸附塔和4臺緩沖罐組成，采用10-2-4 PSA工藝流程，即裝置的10個吸附塔中有2個吸附塔始終處于同時進料吸附的狀態。其吸附和再生工藝過程由吸附、連續4次均壓降壓、順放、沖洗、連續4次均壓升壓和產品最終升壓等步驟組成。

圖1 吸附塔的實際壓力變化曲線與理想曲線

圖1是吸附塔的實際壓力變化曲線與理想曲線對比。從圖1可以看出，實際的吸附曲線成階梯狀，均壓過程過快。而導致這一現象的原因是均壓管線的管徑設計失誤，均壓過程中氣體流速過大。管線流速過大直接帶來設備的運行問題。均壓速度過快，引起床層頂部的吸附劑沸騰而粉化，較高的氣流攜帶著吸附劑粉塵對程控閥長期沖刷，吸附塔的每次均壓都會對吸附劑床層造成巨大沖擊，并且PSA1裝置運行時一直存在噪音較高的問題。為解決均壓問題，在均壓速度過快的管線中加裝限流孔板，之后3次調整孔板的尺寸和位置，均無明顯效果。

2.1.2 程控閥選型錯誤

程控閥選型為液壓制動兩位式蝶閥，運行過程中有三大問題：1）兩位式開關動作，瞬間全開或全關，進一步加重了均壓的速度，每次均壓對吸附劑床層造成的沖擊不亞于一次爆破吹掃；2）程控閥內漏嚴重。程控閥內漏是吸附塔內吸附劑穿透失活的主要原因之一，PSA1裝置運行以來，已對內漏的程控閥多次維修或更換；3）執行機構液壓缸接頭頻繁漏油，液壓油滴落到地面，污染裝置的雨排系統。

2.1.3 氫氣回收率低

PSA1裝置設計氫氣回收率的保證值是92%，期望值是93%，產品氫純度為99.9%。但實際運行期間，氫氣回收率長期低于90%，主要表現在產品氫純度低（末期低于95%），解吸氣氫氣含量高（設計43%，末期實際高于70%）。針對氫氣回收率低的問題，裝置進行了3次換劑，其中兩次為撇頭換劑，一次為全部換劑，每次換劑后初期運行效果改善，隨后吸附劑吸附效果逐漸變差，回收率低的問題始終無法徹底解決。

2.1.4 PSA1裝置管道未設計保冷設施

重整氫氣經過丙烷冷凍后，到PSA1裝置溫度只有7℃左右，而欽州地區由于空氣相對濕度較高，空氣中的水分會在管道壁上冷凝，PSA1管道未設保冷設施，管道常年滴水，不但增加了現場管理的難度，同時增加了設備銹蝕，不利于裝置長周期運行。

2.2 混合低分氣品質差

2.2.1 低分氣純度低

PSA1來料分為三部分，分別為重整氫氣、加氫裂化脫硫低分氣和渣油加氫脫硫低分氣。由化驗分析數據可知，重整氫氣的純度與設計值相近，約為91%～92%，而加氫低分氣和渣油加氫低分氣的氫氣純度均長期為80%，遠低于二期工況設計的89%、86%，這導致兩股原料氣混合后的氫氣純度偏低，在同等操作條件下（主要為吸附時間的設定），則產品氫純度與設計值相比偏低。

2.2.2 低分氣夾帶銨鹽

由于PSA1系統壓降增大，PSA1進行緊急停工檢修，打開原料氣分液罐頂部出口時發現，出口過濾器發生堵塞，對堵塞物進行收集后送檢，化驗分析發現結晶物含硫化銨。進一步分析后發現，加氫裂化低分氣中銨離子含量約200×10-6，遇微量硫后會生成銨鹽，堵塞在出口過濾器處。

2.2.3 低分氣帶液嚴重

兩路加氫低分氣一直以來帶液嚴重，PSA1原料氣分液罐每天定時切液，排出大量污水。

2.2.4 低分氣硫化氫腐蝕嚴重

正常情況下，兩路低分氣經胺洗后可以去除大部分硫化氫，滿足PSA1對進料中硫含量的要求（設計6×10-6）。但由于生產波動等原因，低分氣中的硫含量有超標的情況。更為嚴重的是沒有脫硫的低分氣直接進入PSA1裝置，大量硫化氫進入吸附劑床層，降低吸附劑的吸附效果，并對原料分液罐頂部鋼結構格柵板、絲網、吸附塔底部絲網造成嚴重腐蝕。

3 改造內容

由于裝置存在諸多生產運行問題，不但氫氣純度、氫氣回收率難以保證生產要求，而且還造成了吸附塔“跑劑”，導致解吸氣壓縮機轉子損壞等問題。經多方分析研究，最終于2016年10月開始，對原有PSA裝置進行全面改造。

3.1 更換工藝包

原設計采用國內某公司的10-2-4 PSA 流程變壓吸附氫提純技術，改造后，采用國外某公司的10-2-4 PSA 流程變壓吸附氫提純技術。新工藝保留原有10臺吸附塔和原料氣緩沖罐，去除了順放氣罐，將原有2臺串聯尾氣緩沖罐改為并聯。

3.2 更換吸附劑

原設計裝填為5種吸附劑、一種瓷球，改造后裝填為3種吸附劑、3種瓷球，均為專利產品。

3.3 更換吸附區所有管閥架及控制閥

原設計中的80臺程控閥由液壓油系統驅動，執行機構液壓缸接頭頻繁漏油，且程控閥每開關一次相當于一次小型爆破。改造后將其更換為軟密封形式的氣動控制閥共62臺，由后臺程序自動控制每步序的閥門開度，有效減小了全開全關對吸附劑的沖擊，同時也避免了泄漏的液壓油污染裝置的雨水系統。

3.4 增加解吸氣至膜回收裝置流程

由于解吸氣中氫氣含量偏高，為了更好地將其進行回收利用，吸附后的解吸氣改至膜回收裝置，通過膜分離，回收的氫氣回到PSA裝置入口，再經提純后送入氫氣管網，增加了產氫量，提升了效益。

3.5 增設了預處理部分

加氫混合低分氣夾帶銨鹽，遇微量硫就會生成硫化銨，對設備造成堵塞。針對此現象，在混合低分氣進原料氣緩沖罐前，增加了水洗塔、水洗泵、穩壓罐、除氣罐等設備及配套控制系統、管線、儀表、閥門、安全閥等，以便更好地脫去混合低分氣中的銨鹽。

4 改造后運行效果

4.1 氫氣純度對比

圖2是改造前后的產品氫數據對比圖。由圖2可以看出，改造換劑前，氫氣純度平均值在96%，遠遠達不到設計值99.9%。改造后，氫氣純度平均值為99.99%，效果很理想。

圖2 改造前后的產品氫純度數據對比

4.2 氫氣回收率對比

圖3為改造前后的產品氫回收率對比圖。圖3中數據的趨勢很明顯，改造前氫氣回收率在85%左右，遠遠達不到設計的89.5%，改造后回收率在90%，較穩定。

圖3 改造前后的產品氫回收率對比圖

5 結論

針對此套PSA的改造是比較成功的。首先，解決了原有設計中程控閥的選型問題，不會再有瞬間全開全關對吸附劑造成較大沖擊的現象；其次，程控閥由原有的液壓制動到現在的氣動閥門，解決了現場液壓油滲漏污染雨水池的問題；第三，增設的預處理系統能有效避免混合低分氣中夾帶的銨鹽與微量硫反應生成硫化銨，對設備造成堵塞。更主要的還是保證了在較高的產品氫純度下較高的氫氣回收率，使裝置能夠安全平穩、低能高效地長周期運行。

[1] 紀志愿.氫提純工藝的選擇及其工業應用[J].煉油設計，1998，26(6)：46-50．

[2] 魏璽群，陳健.變壓吸附氣體分離技術的應用和發展[J].低溫與特氣，2002，20(3)：1-5．

[3] 王璐.變壓吸附（PSA）氫氣提純裝置運行工況研究[J].化工管理，2014(8)：193．

[4] 焦書建.采用變壓吸附技術回收煉油廠裝置尾氣中的氫氣[J].石油化工，2006，35(4)：350-353．

Pressure Swing Adsorption (PSA) Unit Improvment

WANG Lu, WEN Zhang
(Guangxi Petrochemical Company, CNPC, Qinzhou 535008, China)

TQ 116.2

B

1671-9905(2017)07-0065-03