變壓吸附提氫（PSA-H）技術在合成氨廠的應用研究

武楷淳

摘 要：本文對PSA-H技術的原理與特點進行分析，并通過案例分析的方式，介紹了該項技術的工藝流程、裝置規格與吸附劑選擇，并對吸附裝置的生產與運行情況進行分析，闡述該項技術在合成氨廠的應用方法與效果。通過PSA-H技術的應用，使裝置氫氣回收率達到87%、氫氣純度達99.999%，與技術要求充分符合，運行效果良好。

關鍵詞：PSA-H技術;合成氨;應用方法

0 引言

PSA-H技術屬于氣體凈化提純技術的一種，隨著該技術理論層面的不斷完善，可對CO、CO2、CH4以及烴類有機氣體進行凈化提純，被廣泛應用到電子、化工、冶金、國防等多個領域中，使工業生產效率得到顯著提升。

1 PSA-H技術原理與特點

該原理為利用吸附劑對氣體中各組分的吸附容量與壓力變化呈現差異特點，在選擇性吸附狀態下，通過增加壓力的方式對原料中的CO、CO2與CH4等強吸附組分進行吸附，而弱吸附組分H2則從吸附塔出口排出，再通過減壓沖洗吸附的CO、CO2與CH4，使吸附劑得以再生。原理如下圖1所示。

該項技術的特點如下：首先，具有較強的壓力適應性，變壓吸附對壓力的要求通常在0-2.98MPa之間，允許壓力變化的范圍較寬，大部分氣源壓力均可滿足這一要求，進而減少二次加壓的能耗;其次，自動化程度較高，該技術通過計算機控制實現全自動操作，工藝流程較為完善，人員配置數量較少，基本可實現無人值班;第三，生產時只需增加少量吸附塔與程控閥，便可使產量成倍增加，且生產過程中無“三廢”產生，具有較強的節能環保特點[1]。

2 PSA-H技術在合成氨廠的應用方法

2.1 工程概述低溫甲醇洗工段

某氮肥廠原本焦爐煤氣每年產量為16萬t合成氨與28萬t尿素，但因該廠所處區域的焦爐煤氣較為豐富，為利用剩余的煤氣，需要對生產工藝進行優化，使能源消耗量降低，促進經濟效益提升，因此對原本裝置進行綜合利用和挖潛改造。采用低溫甲醇洗裝置來的原料氣，利用PSA-H技術構建新的煤氣變壓吸附制氫裝置、合成氨系統，并引入一系列設備，如壓縮機、合成塔、脫硫塔等等，使每年合成氨產量增加4.5萬t、尿素增加8.63萬t。在PSA技術應用下，提氫裝置的生產純度達到99.999%，并將氫氣供合成氨用氫，自從投入生產以來，運行效果始終良好。

2.2 工序應用

采用低溫甲醇洗裝置來的原料氣，經過PSA吸附塔提純后，進入一、二級精脫硫塔中進行深度脫硫、脫氧，最終產出合格氫氣，使S的數值低于5ppb，CO小于5ppm，CO2低于10ppm，氫氣純度達到99.9%，外送己內酰胺、苯加氫和雙氧水等車間使用。同時，對解析氣體利用壓縮機進行壓縮。

2.2.1 粗脫模塊

該環節主要包括三臺粗脫塔，其中兩臺投入使用，一臺為備用;也可以根據實際情況只投入一臺使用，剩余兩臺備用;在必要的情況下也可將三臺全部投入到粗脫塔運行之中。工藝流程為：將源于外界的壓力為20kPa的煤氣從塔底輸入粗脫塔之中，有兩臺為雜質狀態，剩余一臺為再生狀態，三者可以交替工作，使焦爐煤氣得到初步凈化。

2.2.2 變壓吸附

采用10個吸附塔，1個沖洗氣緩沖罐，1臺解析氣緩沖罐，1臺混合罐與調節閥、程控閥。在工作過程中，包括吸附、均壓、順逆放、沖洗與升壓等流程，在該工藝中采用10-2-5/p時序，也就是利用10個吸附塔，2個在線吸附與5次均壓完成該項流程。

2.2.3 精脫硫工藝

將變壓吸附生產出的中間產品氣，采用熱工藝氣體換熱后，投入到加熱器中使溫度提高到210±10℃，在投入到第一級銅催化劑脫硫系統中，使原料中的硫化物被有效剔除，硫含量達到ppb級別。經過深度脫硫后，使原料氣的溫度保持在130±5℃，直接開始二級脫硫，使微量殘渣被剔除，氣體中的硫含量低于0.1ppb。在二級脫硫后，產品氣與中間產品氣換熱處理，再用冷卻器冷卻，使溫度達到40℃，送出界區。

2.2.4 氫氣提純

該項環節包括脫硫和脫氧兩項內容，在脫硫工序中，經過PSA-H技術應用后，煤氣中硫物質被徹底脫除干凈，但為了有效延續催化劑使用壽命，可在PSA-H技術完成后設置脫硫工序。在該工序中，主要包括兩臺精脫硫塔、兩個手動閥門，脫硫塔處于并聯狀態，支持交替運行，當其中一臺投入運行后，另外一臺可作為脫硫劑備用。在本次工序中，以活性炭作為精脫硫劑，可將氫氣中的有機/無機硫有效去除。在脫氧工序中，從PSA工序或者脫硫工序中的氫氣脫除率低于1ppm，在壓力為1.9MPa，溫度為35℃的環境下，氫氣可進入到常溫脫氧塔內部，并在裝填常溫Ba催化劑的作用下，氧與氫共同反應后可生成水，利用冷卻器冷卻后實現氣液分離[2]。

2.3 運行效果

采用上述工藝流程進行操作，在PSA-H技術應用下，當前裝置產氫的瞬時流量均值為12800Nm3/h，氫氣回收率可達87%，與設計要求相比超過86%。在產品氫氣純度方面，可達99.999%，其中氫氣中各成份含量如下表1所示。與技術要求不超過10ppm相比較低，說明運行效果良好。

3 結論

綜上所述，PSA-H技術具有運行穩定、吸附容量大、抗壓強度高等特點，可促進合成氨廠整體運行效率提升。在后續發展中，還要注意吸附劑易被污染的缺陷，定期檢測運行成果，及時更換填料，使吸附劑能夠長久運行。

參考文獻：

[1]婁軍澤.焦爐煤氣變壓吸附提氫工藝在合成氨中的應用[J].中國科技縱橫，2019，000（016）：75-76.

[2]王瑾，劉志敏.PSA工藝制氫裝置在合成氨廠的應用[J].節能，2019，000（010）：26-28.