15万吨/年合成氨PSA变压吸附技术优化研究

＊罗时华¹ 瞿道兵² 李少军² 余士明² 刘哲² 刘善培³ 粟学俐³*

（1.湖北凯龙化工集团股份有限公司 湖北 448032

2.湖北凯龙楚兴化工集团有限公司 湖北 431913

3.荆楚理工学院 湖北 448000）

摘要：为了解决合成氨生产中PSA提氢处理能力不足、氢气损耗大等问题，本文主要对15万吨/年合成氨PSA变压吸附技术做优化研究，对变压吸附工艺进行了优化设计，采用N₂再生+微动力回收工艺技术，解决了变压吸附技术在合成氨生产过程中气体损失问题，达到节能降耗增产目的。PSA提氢装置技改投运后,系统出口CO₂含量小于0.1%，氢气回收率高于98.5%。本文对于相关研究工作有一定的参考作用。

关键词：变压吸附技术；提氢；工艺参数；工艺优化

       合成氨是一种重要的无机化工原料，对国民生产生活具有重大意义。由于合成氨生产技术制约，合成氨工艺实施过程中存在诸多问题，也是消耗能源的大户。随着社会的进步，要求工业生产符合资源节约型、环境友好型生产理念，技术升级迫在眉睫，国内外专家开展了合成氨各新技术的研究。

       湖北凯龙楚兴化工集团有限公司的合成氨装置，因其工艺技术落后，能耗高，污染大，生产成本居高不下，公司投资10多亿元对合成氨装置进行工艺技术优化和技术升级。合成氨生产线通过近一年的试生产，暴露出PSA提氢处理能力不足、氢气损耗大、吸附时间短，程控阀动作频繁等问题，并为进一步优化生产，节能降耗、增产降耗，进行了PSA提氢技改项目公司采用N2再生+微动力回收工艺技术，新增净化段吸附塔4台、硅胶吸附剂570m³、氢气回收压缩机1台、氮气输送罗茨风机1台，气动程控阀136台等设备设施。本文主要涉及湖北凯龙楚兴化工集团有限公司100000Nm³/h PSA提氢装置的设计要求、装置设计条件、工艺流程。

1.PSA变压吸附原理

       变压吸附脱碳是将气化工段来的煤气经变换、脱硫后的变换气送入吸附塔吸附，再经精脱硫处理后，将煤气中CO₂及H₂S控制在指标内，净化气送后工段。吸附塔再生解吸下来的C0₂通过减压分离、顺放、逆放、吹扫放空或回收利用。变压吸附吸附脱碳原理是基于各类专用吸附剂具有的两个基本性质：（1）对不同组分的吸附能力不同；（2）吸附质在吸附剂中吸附容量随吸附质的分压上升而增加，降低而下降。利用吸附剂第一个性质即：对混合气体中某些组分的优先吸附或弱吸附性能，实现目标组与其它组分分离而得以提纯；利用吸附剂的第二个性质，可实现吸附剂在高压下吸附而在低压下解吸再生，从而构成吸附剂吸附与再生循环，采用多塔交替操作，实现连续分离气体目的，其工艺过程通常按吸附、均压降、顺放、逆放、再生（吹扫或抽真空）、均压升、步序依次循环进行，始终保持一定数量吸附塔轮流处于吸附状态。

2.装置设计

(1)装置设计要求

①原料气参数

进装置原料气规格，见表1。

②产品规格

装置产品气应满足如下规格，见表2。

       本装置工程设计范围从原料气通过管道进入本装置，从第一个阀门起；产品氢气通过管道输出本装置，解吸气通过管道输出界区，以最后一个阀门为止。另包括氮气提压系统、回收气压缩系统、公用工程整体设计。PSA提氢装置见图1。

(2)装置设计条件

①公用工程条件

A.氮气

成份：纯度＞99.995%（Vol），氧含量≤0.005%；

进界区压力：≥0.01MPa(G)，温度≤40℃。

B.仪表气

进装置区压力：≥0.45MPa(G)，露点温度：-40℃。

C.循环水

压力：≥0.3MPa(G)，温度：≤32℃。

D.电

供配电电压：0.38/10kV，频率：50Hz。

②公用工程消耗指标

       本项目以变换气为原料，经变压吸附提氢装置，生产出合格的产品氢气，公用工程消耗如下表。

3.工艺流程

       15万吨/年合成氨PSA变压吸附工艺流程见图2。本次改造PSA1段采用流程22塔操作（吸附塔数不变），其中4台吸附塔在线吸附，多塔均压、双塔氮气吹扫再生流程，以保证良好再生效果。PSA2段采用17塔操作（增加4台吸附塔）其中3台吸附塔在线吸附，多塔均压、氮气吹扫再生流程。

       整套PSA提氢装置在入塔原料气温度下操作，出PSA装置产品氢气压力≥1.65MPa(G)，整套装置阻力降≤0.05MPa；出PSA装置产品氢气CO₂含量＜0.1%，CO含量≥1.2%，产品CO₂纯度≥98%。

(1)PSA1段工艺流程

       来自界外1.70MPa(G)，温度≤40℃变换气自PSA1段吸附塔底部进入处于吸附状态塔内，在不同种类吸附床层选择吸附下，原料气中杂质组分（如H₂O、CO₂）经过吸附剂床层时依次被吸附下来，控制出吸附塔顶部中间气中CO₂含量7%～ 8%进入PSA2段进一步处理。

       当被吸附杂质的传质区前沿（称为吸附前沿）到达床层出口预留段某一位置时，关掉该吸附塔底进料阀和塔顶出口阀，停止吸附。吸附床层开始转入再生过程。通过多次均压，顺着吸附方向将塔内较高压力富含氢氮气的混合气放入其它已完成再生较低压力的吸附塔内，该过程可充分回收床层死空间氢气；均压过程结束后通过吸附塔底部及顶部程控阀继续降压，将床层CO₂提浓至合格，顺放结束后逆着吸附方向将吸附塔压力降至常压，使吸附剂达到自然降压初步再生目的；逆放结束后，利用PSA2段再生气对吸附床层进行吹扫，使吸附剂得到完全再生。吸附剂再生完全后，吸附塔再通过均压升及终升达到吸附压力，进入下一个循环操作。逆放阶段纯度≥98%的CO₂气送液体二氧化碳岗位作原料。变压吸附塔操作温度均在进气温度下运行，每台吸附塔依次经历吸附、均压降、顺放、逆放、吹扫、均压升、最终升压等步序。

(2)PSA2段工艺流程

       来PSA1段压力1.67MPa(G)，温度≤40℃中间气自吸附塔底部进入处于吸附状态塔内，在吸附床层选择吸附下，原料气中杂质组分CO₂经过吸附剂床层时被吸附下来，控制出吸附塔顶部产品氢气中CO₂含量≤0.1%送醇烷化工段进一步处理。

       当被吸附杂质的传质区前沿（称为吸附前沿）到达床层出口预留段某一位置时，关掉该吸附塔底进料阀和塔顶出口阀，停止吸附。吸附床层开始转入再生过程。通过多次均压降，顺着吸附方向将塔内较高压力富含氢氮气的混合气放入其它已完成再生较低压力的吸附塔内，该过程可充分回收床层死空间氢气；均压过程结束后将吸附塔内气送缓冲罐充分回收。降压结束后，将塔内富氢气体顺放至解吸气压缩机加压回收至PSA1入口管线；顺放结束后，利用界外氮气对吸附床层进行吹扫，使吸附剂得到完全再生。吹扫结束后吸附塔再通过均压升及终升达到吸附压力，进入下一个循环操作。PSA2段吸附塔操作温度均在进气温度下运行，每台吸附塔依次经历吸附、均压降、逆放、顺放、吹扫、均压升、最终升压等步序。

4.装置改造后情况

       本装置改造历经一年建设，于2022年8月25日一次性投料加负荷成功，装置各项技术均取得了优于设计值好成绩，装置原料气操作工况下生产的产品气情况见表4：

       PSA提氢装置技改开车后运行正常，吸附循环时间大幅加长，各阀门运行平稳，氢气回收率高。目前装置在8.8万m³/h负荷下运行，系统出口CO₂含量＜0.1%，氢气回收率高于98.5%。在相比改造前增加1万m³/h原料气情况下，一段吸附循环时间由技改前462s左右延长至1000s左右，二段吸附时间由技改前1400s延长至现3600s以上。按目前情况看，PSA提氢技改后达到10万m³/h处理气量。吸附塔吸附时间增加了一倍多，再生及解吸气放空次数缩减了一倍多，大幅缩减了再生时有效气的损耗，气化单炉满负荷生产产量有原80 吨/班增加到95吨/班以上，产量增加了18吨/班以上，每班产量由原160吨/班左右，增加到现198吨/班左右，吨氨煤耗由原1550kg左右降至现1430kg左右，吨氨电耗由原1350kWh降至现1230kWh左右。产品指标见表5。

5.结论

        变压吸附技术具有能耗低、流程简单、产品气纯度高、装置自动化程度高、操作简单等优点，在合成氨企业已得到广泛应。随着计算机人工智能技术的的发展，控制系统等软件功能的升级和应用，特别是本项技术研发不断深入，变压吸附技术水平将会得到的持续提升。

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