PSA制氫裝置改造相關問題探討與思考

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工作原理基礎上，針對PSA單元存在的主要問題進行分析，并提出要求在氫氣質量得到保證的情況下，結合實際情況，改造PSA單元，能夠使得裝置產氫量達到改造前的設計目標。經過實踐檢驗，制氫裝置的改造使得反應部分負荷有所降低，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

為了提高總產氫的能力，并且要求滿足最終產品的氫氣純度的合格要求，結合實際情況，全面的技術改進工作在PSA單元中推進，結果表明，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），達到總產氫能力為58000 Nm3／h，能夠滿足氫氣生產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運行PSA裝置后進行引入，能夠實現提純的要求，實踐證明能夠取得較好效果。

1 變壓吸附系統工作原理分析

在進行同一氣體的吸附過程中，任何一種吸附劑在達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所組成的A和B來說，其主要組成變壓吸附設備。在A塔內通過由上到下的壓縮空氣的情況下，其內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塔內分子篩吸附飽和的情況下才進行，在此過程中，也能實現對于A塔分子篩的再生。在再生的過程中，也就是能夠實現壓力迅速降低至常壓，這主要是通過吸附塔內氣體排至大氣來實現，這樣就是分子篩內釋放出來的所被分子篩吸附的水分、二氧化碳和氧氣，在吸附和再生的發生時間大約在120秒內完成。

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化制轉化氣，另外一部分則為變壓吸附(PSA)提純氫氣(H2)。820～950℃的天然氣物質通過鎳催化劑的反應，使得天然氣與水蒸汽混合在壓縮并脫硫后成為可能，進行相關的物質轉化，變成二氧化碳(CO2）、一氧化碳(CO)和氫氣(H2)的轉化氣。另外，通過一定的變換條件，可以把轉化氣一氧化碳(CO)轉變為氫氣(H2)，這就是變換氣，然后，在相關的變壓吸附(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單元進行開工后所發現的問題，46000 Nm3／h則是原有單元的極限產量，還不能夠達到設計要求，僅為涉及產量的74%左右，還不能滿足用氫裝置的產氫需求。在經過詳細的分析和探討基礎上，主要探討幾個方面的問題，主要包括：第一，由于裝置建設的時間具有一定相比，后期增設的6臺吸附罐內的吸附劑和之前已經投入使用的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含量在氫氣產品中的控制量來說，其控制在10×10-6時，氫氣回收率僅能達到80%左右。第四，具有較小的吸附塔的解析氣管線，需要進一步優化和改造。

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，結合工程實際情況，并積極和設計單位相關專家進行多次探討和論證，提出以下的相關改造措施：

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

3.2 具體方案實施探討

12-3-4流程則是進行相應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料吸附的狀態，同時，這為四次的均壓過程。分析其吸附和再生工藝過程，可以發現其主要包括吸附、連續四次均壓降壓、沖洗、順放、連續四次均壓升壓，以及相關的產品氣升壓等幾部分組成。

4 改造遺留問題

PSA單元的產氫能力瓶頸的確定則可以利用操作參數在極限負荷測試中進行，主要包括，吸附塔內的沖洗再生壓力在滿負荷中的再生壓力則能夠高達0 09～0 1 MPa(G)，相比于正常設計值，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。

要求在氫氣質量得到保證的情況下，結合實際情況，改造PSA單元，能夠使得裝置產氫量達到改造前的設計目標(58000 Nm 3／h)。制氫裝置的中變氣能夠通過PSA單元進行處理，還可以摻入占PSA進料的10%的重整氫氣，使得反應部分負荷有所降低，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.運行參數對PSA煤氣制氫工藝的影響[J].遼寧科技學院學報,2008,10(4).

[2]閆志者.焦爐煤氣PSA制氫及其進展[J].煉油技術與工程, 2014,44(1).