PSA變壓吸附制氫工藝危險(xiǎn)性分析及安全措施

摘 """""要：目前國內(nèi)以燃料電池為代表的氫能開發(fā)利用技術(shù)取得重大突破，對高純氫的需求逐漸增加。介紹了以旋轉(zhuǎn)閥為核心設(shè)備的PSA變壓吸附制高純氫工藝技術(shù)，對裝置運(yùn)行過程中可能存在的危險(xiǎn)性進(jìn)行分析，并從工藝方面提出針對性的安全防護(hù)措施，保障裝置安全、平穩(wěn)運(yùn)行。

關(guān) "鍵 "詞：旋轉(zhuǎn)閥；變壓吸附；高純氫；危險(xiǎn)因素；防護(hù)措施

中圖分類號：TQ116.2 """"""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A """"文章編號：1004-0935（2025）03-0430-04

隨著人們對清潔能源的需求日益增加，安全環(huán)保意識(shí)逐漸提高，國內(nèi)氫能源迅速發(fā)展。目前國內(nèi)制氫工藝以PSA變壓吸附技術(shù)為主，因此從工藝技術(shù)特點(diǎn)出發(fā)，分析裝置運(yùn)行中的危險(xiǎn)特性并采取相應(yīng)的安全措施具有重要意義^[1]。

1 "PSA變壓吸附制高純氫工藝簡介

以某企業(yè)一套8"000"Nm³·h^-1變壓吸附氫氣提純裝置為例，該裝置以60萬t·a^-1"PDH裝置的富氫尾氣為原料，采用rPSA變壓吸附工藝，采用獨(dú)特的旋轉(zhuǎn)閥切換設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)較高的吸附效率，同時(shí)具有占地面積小、故障率低等優(yōu)點(diǎn)。裝置設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模為8"000"Nm³·h^-1（產(chǎn)品氣），6塔吸附，采用6-1-2方式，設(shè)計(jì)操作彈性為30%～110%，設(shè)計(jì)年開工時(shí)數(shù)為8"000"h，回收率為85%。

PSA裝置主要流程：從丙烷脫氫裝置（PDH）來的原料氣（壓力0.7"MPa（G）、溫度41"℃）經(jīng)原料氣壓縮機(jī)C131壓縮至2.2"MPa（G），送至單臺(tái)脫硫塔T131脫硫至總硫（按H₂S計(jì)）≤1.0×10^-7，脫硫后的原料氣進(jìn)入PSA變壓吸附單元進(jìn)行吸附，由吸附塔T132A～F底部進(jìn)入，在吸附床層的依次選擇吸附下，原料氣中的各種雜質(zhì)組分被吸附下來，未被吸附的氫氣作為產(chǎn)品氣從塔頂送至產(chǎn)品氣緩沖罐V131，最終產(chǎn)品氣（純度在99.999%以上）去界外充裝系統(tǒng)或聚丙烯裝置等。解吸氣（0.01"MPa（G））由解吸氣緩沖罐V132經(jīng)解吸氣壓縮機(jī)C132壓縮至0.5"MPa（G）后送至燃料氣管網(wǎng)。工藝流程框圖如圖1所示。

2 "PSA變壓吸附制氫工藝危險(xiǎn)性分析

該裝置有害物料主要有氫氣、烴類、一氧化碳等，根據(jù)裝置有害物料分析可知，裝置風(fēng)險(xiǎn)主要有火災(zāi)爆炸、有毒有害、噪聲等^[2]。主要有害物料特性如表1所示。

2.1 "火災(zāi)爆炸

該裝置生產(chǎn)過程中的主要物料多數(shù)具有易燃、易爆的特性。這些物質(zhì)包括氫氣、CO、C₂、C₃等。如果操作不當(dāng)或者使用不合理時(shí)極易引起火災(zāi)。當(dāng)這些物料泄漏到空氣中，遇到點(diǎn)火源時(shí)有引起燃 "燒/爆炸的危險(xiǎn)^[3]。一旦發(fā)生爆炸，可能導(dǎo)致人員傷害和物質(zhì)損失，甚至導(dǎo)致整個(gè)生產(chǎn)裝置的破壞。

2.2 "有毒有害

該裝置生產(chǎn)過程中未涉及劇毒物質(zhì)，但從原料到產(chǎn)品生產(chǎn)過程中含有易揮發(fā)烴類、硫化氫等物質(zhì)，具有不同程度的毒性。物質(zhì)毒性特性如表2所示。

2.3 "噪聲危害

該裝置主要的噪聲源包括：壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)噪聲；電機(jī)所產(chǎn)生的電磁噪聲；開停車以及事故放空時(shí)所產(chǎn)生的噪聲；高速氣流或兩相管路所引起的管道振動(dòng)噪聲^[4]。

生產(chǎn)過程中使用的壓縮機(jī)是主要的噪聲污染源，另外高壓工藝氣體的正常或事故放空、管道的振動(dòng)等是額外的噪聲污染源^[5]。

2.4 "三廢污染

2.4.1 "廢氣

PSA單元正常生產(chǎn)時(shí)無廢氣產(chǎn)生。PSA單元產(chǎn)生2"402"Nm³·h^-1的解析尾氣，主要成分為低鏈烴類，至燃料氣系統(tǒng)回收利用。解吸氣排放情況如表3""所示。

2.4.2 "廢水

PSA單元正常生產(chǎn)情況下無工藝廢水產(chǎn)生，廢水主要為緩沖罐凝結(jié)水、機(jī)組冷卻及地面沖洗廢水，該類含油污水產(chǎn)生量為1"t·h^-1，其水質(zhì)一般為 "COD_Cr"200"mg·L^-1、石油類10～15"mg·L^-1、氨氮 """""10 mg·L^-1、硫化物0.5"mg·L^-1等^[6]。該裝置廢水排放情況如表4所示。

2.4.3 "固廢

PSA單元的固體廢物主要為吸附塔內(nèi)吸附失效產(chǎn)生的廢吸附劑^[7]、脫硫塔內(nèi)吸附失效產(chǎn)生的廢脫硫劑，屬于一般固廢。吸附劑的一次使用量為 "13.17"t，使用壽命20年。該裝置固廢排放情況如 ""表5所示。

3 "PSA變壓吸附制氫工藝安全措施

3.1 "火災(zāi)爆炸控制措施

3.1.1 "火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)

火災(zāi)報(bào)警按鈕：在工藝裝置區(qū)、各易燃易爆物料罐區(qū)等設(shè)置室外手動(dòng)報(bào)警按鈕；工藝裝置區(qū)、各易燃易爆物料罐區(qū)設(shè)置防爆型手動(dòng)報(bào)警按鈕（全天候型）；非爆炸危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)選用普通防爆手動(dòng)報(bào)警按鈕；手動(dòng)報(bào)警按鈕的安裝高度約為離地面（樓面）1.4"m"^[8]。

感溫/感煙探測器：在有可能發(fā)生電氣火災(zāi)的房間或夾層如配電室、機(jī)柜間等設(shè)置感煙探測器。在走廊、辦公室、樓梯間和有可能發(fā)生悶燃的房間設(shè)置感煙探測器。在蓄電池間或雜物間設(shè)置點(diǎn)式感溫探測器。變配電室的電纜夾層、機(jī)柜間電纜夾層設(shè)置感溫電纜^[9]。

聲光報(bào)警器：PSA裝置設(shè)置多臺(tái)聲光報(bào)警器，以便于多方位、有效地檢測泄漏可燃?xì)猓⒓皶r(shí)發(fā)出聲光報(bào)警。聲光報(bào)警器的聲壓級高于背景噪聲 "15"dB。聲光報(bào)警器清單如表6所示。

消防專用電話：PSA裝置外操室設(shè)消防專用電話，消防專用電話能直接向當(dāng)?shù)毓蚕狸?duì)、附近的企業(yè)消防隊(duì)報(bào)警。

3.1.2 "消防設(shè)施系統(tǒng)

消防水炮：PSA裝置消防水炮沿裝置區(qū)域的道路布置，盡量靠近被保護(hù)的工藝設(shè)備，距離被保護(hù)的設(shè)備的間距不應(yīng)小于15"m。消防炮為手動(dòng)操作，其回轉(zhuǎn)角度應(yīng)為360°，并能俯仰操作^[10]。

室外高壓消火栓：PSA裝置室外消火栓均沿道路布置，其大口徑出水口面向道路。消火栓距路面邊不大于5"m，距建筑物外墻不小于5"m。消火栓的間距不大于60"m。在有可能受到車輛等機(jī)械損壞的消火栓周圍設(shè)置2面（或4面）防護(hù)欄。該裝置室外消火栓選用公稱直徑為150"mm的室外地上式消火栓，每個(gè)消火栓帶2個(gè)80"mm的消防水軟管接口及1個(gè)150"mm消防水泵接口。

室外消火栓箱：每個(gè)高壓室外消火栓旁邊均配置1個(gè)室外消火栓箱。室外消火栓箱為碳鋼材料。消火栓箱固定在混凝土基礎(chǔ)上。對室外消火栓箱采取防銹措施，頂部做成傾斜狀，以防止雨水積聚。每個(gè)室外消火栓箱放置以下設(shè)備：2 mm×80"mm×25"m消防水帶（1個(gè)DN80-DN65異徑接口）、1個(gè)直流-噴霧水槍、1套消火栓扳手。

滅火器配置：生產(chǎn)裝置區(qū)、罐區(qū)內(nèi)配置8"kg"ABC類手提式干粉滅火器；甲類裝置滅火器的最大保護(hù)距離不宜超過9"m，乙、丙類裝置不宜超過12"m；每一配置點(diǎn)的滅火器數(shù)量不應(yīng)少于2個(gè)，多層框架應(yīng)分層配置；危險(xiǎn)的重要場所，增設(shè)50"kg"ABC類推車式干粉滅火器。

3.2 "有毒有害控制措施

該裝置設(shè)置氣體檢測報(bào)警控制系統(tǒng)（GDS），基于PLC實(shí)現(xiàn)。在可能存在可燃?xì)怏w泄漏處設(shè)置可燃?xì)怏w檢測器。氣體檢測器檢測報(bào)警信號引至中心控制室的氣體檢測報(bào)警控制系統(tǒng)（GDS），進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、記錄、報(bào)警。有毒氣體檢測器清單如表7所示。

3.3""噪聲危害控制措施

噪聲治理要從噪聲源做起，首先要從設(shè)備選型、設(shè)備的合理布置等方面考慮，設(shè)計(jì)中盡量選用低噪聲設(shè)備，對噪聲較高的設(shè)備采用集中布置在隔聲廠房內(nèi)，或設(shè)隔音罩、消聲器、操作崗位設(shè)隔音室等措施，振動(dòng)設(shè)備設(shè)減振器。具體措施如下：壓縮機(jī)設(shè)置在壓縮機(jī)房中，除了間斷的檢修維護(hù)外，沒有生產(chǎn)工人在此長時(shí)間操作，壓縮機(jī)房隔聲可使其噪聲影響減至最低；在廠房建筑設(shè)計(jì)中，盡量使工作和休息場所遠(yuǎn)離強(qiáng)噪聲源，并設(shè)置必要的值班室，對工作人員進(jìn)行噪聲防護(hù)隔離。

采取上述措施后，傳到廠界的噪聲，由于沿途其他建筑物的屏蔽作用及噪聲自然衰減的因素，噪聲可降至白天65 dB（A），夜間55 dB（A）以下，能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)《工業(yè)企業(yè)廠界噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 12348—2008）中的3類標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.4""三廢治理措施

廢氣治理：該項(xiàng)目正常生產(chǎn)時(shí)無廢氣產(chǎn)生，產(chǎn)生2"402"Nm³·h^-1的解析尾氣，主要成分為低鏈烴類，送全廠燃料氣系統(tǒng)回收利用。

廢水治理：PSA單元的含油污水通過管道收集后匯至廠區(qū)現(xiàn)有的污水收集池，再排至污水處理站處理達(dá)標(biāo)后用于循環(huán)水，不外排^[11]。

固廢治理：PSA單元的廢吸附劑、廢脫硫劑，屬于一般固廢，失效后送具有處理資質(zhì)的單位進(jìn)行無害化處理。

4 "結(jié)束語

PSA變壓吸附制氫工藝因存在H₂、CO、H₂S等危險(xiǎn)介質(zhì)，故裝置運(yùn)行危險(xiǎn)系數(shù)較大。通過從易燃易爆、有毒有害、噪聲危害、三廢污染方面進(jìn)行危險(xiǎn)性分析，并提出相應(yīng)的安全措施，嚴(yán)格控制易燃易爆、有毒有害介質(zhì)排放途徑可有效提高裝置運(yùn)行安全性。另一方面從設(shè)計(jì)層面出發(fā)，合理布局消防應(yīng)急設(shè)施，設(shè)置隔音、消音室，投用在線監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)，進(jìn)一步提高裝置安全運(yùn)行穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

[1]"朱宇. 淺談PSA變壓吸附制氫工藝及優(yōu)化[J]．中國設(shè)備工程，2023（14）：102-104．

[2] 馮多學(xué)，周偉民. PSA氫提純系統(tǒng)的應(yīng)用與故障分析[J]．遼寧化工，2021，50（2）：212-214．

[3] 馬軍團(tuán)，張劍，郝維成. PSA制氫和用氫的實(shí)踐總結(jié)[J]．氮肥技術(shù)，2023，44（2）：18-21．

[4] 顧炯炯. 天然氣制氫裝置二氧化碳回收工藝研究[J]．煉油技術(shù)與工程，2023，53（9）：1-4.

[5] 胡景輝，李雨，何瑾. 變壓吸附制氫解吸氣壓縮機(jī)選型方案探討[J]．化工設(shè)計(jì)，2020，30（2）：38-41．

[6] 任妍妍. 降低氫純度提高PSA氫氣回收率的可行性探討[J]．中外能源，2023，28（2）：68-73．

[7] 伍毅，徐培澤，秦建峰，等. 大型煉廠氣變壓吸附（PSA）提氫裝置的優(yōu)化改造[J]．天然氣化工（C1化學(xué)與化工），2020，45（2）：51-55．

[8] 孫得利，谷和鵬，崔占磊. 制氫PSA沖洗程控閥故障分析及處理[J]．云南化工，2020，47（6）：129-131．

[9] 許楠，肖風(fēng)良. 制氫裝置變壓吸附現(xiàn)狀分析及改造措施[J]．石油煉制與化工，2018，49（10）：20-24．

[10] 王涵，李世安，楊發(fā)財(cái)，等. 氫氣制取技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析[J]．現(xiàn)代化工，2021，41（2）：23-27．

[11] 韓紅梅，楊錚，王敏，等. 我國氫氣生產(chǎn)和利用現(xiàn)狀及展望[J]．中國煤炭，2021，47（5）：59-63．

Risk Analysis and Safety Measures of PSA Pressure Swing Adsorption

Hydrogen Production Process

ZOU Yongkang， LI Feng， ZOU Jilong， BI Xiaofei

（Ningbo Jinfa New Material Co.， Ltd.， Ningbo Zhejiang 315803， China）

Abstract："At present， the domestic hydrogen energy development and utilization technology represented by fuel cells has made a major breakthrough， and the demand for high purity hydrogen is gradually increasing. In this paper， the PSA pressure swing adsorption technology for producing high purity hydrogen with rotary valve as the core equipment was"introduced， the possible risks in the operation of the device were"analyzed， and the specific safety protection measures were"proposed from the aspect of the process to ensure the safe and stable operation of the device.

Key words："Rotary valve; Pressure swing adsorption; High purity hydrogen; Risk factors; Protective measure