PSA氫回收裝置工藝優化簡介

毛司理，馮 建，胡 明，陳 勇，鐘國強

（中海石油化學股份有限公司，海南 東方 572600）

中海石油建滔化工有限公司600kt／a天然氣制甲醇裝置于2006年9月投產，是我國最先利用國外先進技術建成的大型中壓合成甲醇生產裝置。其PSA氫回收系統自投產以來，隨著技術與操作人員對工藝掌握程度的提高，以及生產工況的不斷變化，對工藝操作指標進行了一系列調整，對操作規程進行了多次優化，在工藝指標調節及操作細化上逐漸形成了特有的思路；本文著重探討通過現場數據與理論參數的對比，評估主要操作參數如原料天然氣組分波動、操作系數低、吸附劑吸附效果變差等對PSA單元回收氫氣的影響，從而優化工藝指標，達到增產降耗、提高經濟效益的目的。

1 影響PSA單元氫氣產量的主要因素

1.1 操作系數

吸附時間的控制方式有自動和手動（或能力和局部）兩種控制方式。自動方式控制時，吸附時間作為進料流率的一個函數自動計算得出，吸附時間可以隨進料流率的變化及時自動地調整，而且可以通過調整控制系數使得吸附時間與進料流量相匹配，使氫回收率保持在一個高水平上。因此，正常生產中自動（或能力）控制方式是優先選擇的操作方式。

手動（或局部）控制時，吸附時間的控制由操作員利用控制臺鍵盤輸入新的吸附時間來實現。一般應用于開停車或者進料組成急劇變化和懷疑進料流量計有故障等異常情況下，操作員根據需要或實際進料量的大小，輸入合適的吸附時間，以便盡快地得到合格產品或防止雜質超載現象的發生。

PSA單元回收的氫氣的純度必須大于98.0%。其操作系數是一個可訪問的顯示電，允許手動調整吸附時間，即操作人員可通過調整操作系數來調整PSA步驟時間。它能有以下幾個值：

操作系數＝1 吸附時間（周期）與設計指標相同

操作系數＞1 延長PSA周期、延長吸附時間

操作系數＜1 縮短PSA周期、縮短吸附時間

筆者在系統負荷為100%（氫氣設計產量16 430m3／h），其他參數大致不變的情況下調整操作系數到穩定狀態，并記錄了相關的數據，見表1。

表1 氫氣純度及實際產量與PSA操作系數的關系

由表1可以看出，在設計指標范圍內，保證PSA裝置所產氫氣純度大于98.0%的情況下，適當調節PSA操作系數對氫氣實際產量有明顯的影響。

1.2 原料天然氣組分

筆者在系統負荷為100%，其他參數大致不變的情況下，觀察原料天然氣組分波動對PSA單元氫氣產量的影響，見表2。

表2 原料天然氣組分波動對PSA單元氫氣產量的影響

由表2可以看出，在設計指標范圍內，保證PSA裝置所產氫氣純度大于98.0%的情況下，原料天然氣甲烷含量的波動，對PSA系統氫氣產量有直接的影響。原料天然氣組分由上游供氣公司控制，我們只能加強與上游供氣公司的聯系，盡量穩定天然氣組分，保證PSA裝置的產氫量正常。

1.3 吸附劑老化

筆者在系統負荷為100%，其他參數大致不變情況下，對PSA操作系數進行分析（因操作系數是反映PSA吸附劑吸附能力的重要指標），即將以往數據和設計指標進行對比，見表3。

表3 吸附劑老化對PSA操作系數及氫氣產量的影響

由表3可以看出，在設計指標范圍內，保證PSA裝置所產氫氣純度大于98.0%的情況下，隨著PSA吸附劑吸附效果的減弱，氫氣產量逐漸下降。

2 工藝操作優化

2.1 優化調整的數據記錄（表4、表5）

表4 9月3日優化調整數據記錄表

由表4可以看出，操作系數在0.68～0.64之間變化時，對PSA裝置的產氫量及氫氣純度的影響不大；當操作系數從0.64降至0.63時，氫氣純度上升較多，而產氫量開始下降。

表5 9月6日優化調整數據記錄表

由表5可以看出，操作系數在0.63～0.64之間變化時，對PSA裝置的產氫量及氫氣純度影響不大；當操作系數從0.64提高到0.65時，氫氣純度開始下降，而產氫量開始上升；操作系數在0.66～0.70之間變化時，對產氫量及氫氣純度影響不大；當操作系數從0.70提高到0.71時，氫氣純度下降較多，而產氫量上升較多。PSA裝置的運行狀態分兩個階段發生著比較大的變化。

2.2 工藝優化調整的成果

工藝優化前后各相關數據見表6。

表6 工藝優化前后系統各相關數據

由表6可見，產氫量從優化前的16 960m3／h上升到優化后的18 550m3／h。因氫氣在我部門沒有進行定價，所以不能直接進行經濟效益的計算，但可以通過平時向外部的送氫量（見表7）來進行詁算。

表7 PSA氫回收裝置工藝優化后系統的運行狀況

由外送氫量與甲醇產量的對應關系，據表7可計算出生產甲醇所需的氫氣量為2 500m3／h×24h／d÷（1 802t／d－1 784t／d）＝3 333.33m3／t。產氫量由16 960m3／h上升到18 550m3／h，則可多產甲醇（18 550m3／h－16 960m3／h）×24h／d÷3 333.33m3／t＝11.15t／d；甲醇價格以2 500元／t計，則效益為11.15t／d×2500元／t＝27875元／d。

產氫量的增加，使作為燃料的尾氣減少，為保持系統平衡必須加入天然氣（增產氫氣量的1／3）。天然氣價格為0.58元／m3，則增加的燃氣成本為（18 550m3／h－16 960m3／h）÷3×0.58元／m3×24h／d＝7 377元／d。

上述兩項合計，綜合效益為（27 875元／d－7 377元／d）×365d／a＝748萬元／a。

3 結束語

操作系數調整后，PSA氫回收系統運行狀況頗佳，產氫能力有了一定的提高，運行較為穩定，并降低了系統的能耗，為公司創造了可觀的效益。

［1］張魁.PSA制氣裝置運行現狀及優化措施 ［J］.天津科技，2012，39 （5）：32～34.

［2］夏青，陳常貴主編.化工原理 ［M］.天津：天津大學出版社，2005.

［3］天津大學物理化學教研室編.物理化學 （第四版） ［M］.北京：高等教育出版社，2008.

［4］天津堿廠.合成氨裝置變壓吸附提氫工序崗位操作法.