變壓吸附提氫（PSA-H）技術(shù)在合成氨廠的應(yīng)用研究

武楷淳

摘 要：本文對PSA-H技術(shù)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(shù)的工藝流程、裝置規(guī)格與吸附劑選擇，并對吸附裝置的生產(chǎn)與運行情況進行分析，闡述該項技術(shù)在合成氨廠的應(yīng)用方法與效果。通過PSA-H技術(shù)的應(yīng)用，使裝置氫氣回收率達到87%、氫氣純度達99.999%，與技術(shù)要求充分符合，運行效果良好。

關(guān)鍵詞：PSA-H技術(shù);合成氨;應(yīng)用方法

0 引言

PSA-H技術(shù)屬于氣體凈化提純技術(shù)的一種，隨著該技術(shù)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(yīng)用到電子、化工、冶金、國防等多個領(lǐng)域中，使工業(yè)生產(chǎn)效率得到顯著提升。

1 PSA-H技術(shù)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(xiàn)差異特點，在選擇性吸附狀態(tài)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(shù)的特點如下：首先，具有較強的壓力適應(yīng)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(shù)通過計算機控制實現(xiàn)全自動操作，工藝流程較為完善，人員配置數(shù)量較少，基本可實現(xiàn)無人值班;第三，生產(chǎn)時只需增加少量吸附塔與程控閥，便可使產(chǎn)量成倍增加，且生產(chǎn)過程中無“三廢”產(chǎn)生，具有較強的節(jié)能環(huán)保特點[1]。

2 PSA-H技術(shù)在合成氨廠的應(yīng)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(chǎn)量為16萬t合成氨與28萬t尿素，但因該廠所處區(qū)域的焦爐煤氣較為豐富，為利用剩余的煤氣，需要對生產(chǎn)工藝進行優(yōu)化，使能源消耗量降低，促進經(jīng)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(shù)構(gòu)建新的煤氣變壓吸附制氫裝置、合成氨系統(tǒng)，并引入一系列設(shè)備，如壓縮機、合成塔、脫硫塔等等，使每年合成氨產(chǎn)量增加4.5萬t、尿素增加8.63萬t。在PSA技術(shù)應(yīng)用下，提氫裝置的生產(chǎn)純度達到99.999%，并將氫氣供合成氨用氫，自從投入生產(chǎn)以來，運行效果始終良好。

2.2 工序應(yīng)用

采用低溫甲醇洗裝置來的原料氣，經(jīng)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(chǎn)出合格氫氣，使S的數(shù)值低于5ppb，CO小于5ppm，CO2低于10ppm，氫氣純度達到99.9%，外送己內(nèi)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(huán)節(jié)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(jù)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(zhì)狀態(tài)，剩余一臺為再生狀態(tài)，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(diào)節(jié)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(chǎn)出的中間產(chǎn)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(tǒng)中，使原料中的硫化物被有效剔除，硫含量達到ppb級別。經(jīng)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(chǎn)品氣與中間產(chǎn)品氣換熱處理，再用冷卻器冷卻，使溫度達到40℃，送出界區(qū)。

2.2.4 氫氣提純

該項環(huán)節(jié)包括脫硫和脫氧兩項內(nèi)容，在脫硫工序中，經(jīng)過PSA-H技術(shù)應(yīng)用后，煤氣中硫物質(zhì)被徹底脫除干凈，但為了有效延續(xù)催化劑使用壽命，可在PSA-H技術(shù)完成后設(shè)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(lián)狀態(tài)，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(huán)境下，氫氣可進入到常溫脫氧塔內(nèi)部，并在裝填常溫Ba催化劑的作用下，氧與氫共同反應(yīng)后可生成水，利用冷卻器冷卻后實現(xiàn)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(shù)應(yīng)用下，當前裝置產(chǎn)氫的瞬時流量均值為12800Nm3/h，氫氣回收率可達87%，與設(shè)計要求相比超過86%。在產(chǎn)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(shù)要求不超過10ppm相比較低，說明運行效果良好。

3 結(jié)論

綜上所述，PSA-H技術(shù)具有運行穩(wěn)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(xù)發(fā)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(yīng)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(yīng)用[J].節(jié)能，2019，000（010）：26-28.