国内大型变压吸附提纯氢气技术的新进展

黑鹰

国内大型变压吸附提纯氢气技术的新进展

四川天一科技股份有限公司

【摘要】国内大型变压吸附提纯氢气技术的新进展

1 概述

    随着石油炼制工业以及三大合成材料为中心的石油化学工业飞速发展，氢气消耗量也在迅速增加，很多有机合成工业、冶金工业、电子工业都迫切需要大量纯氢。因此扩大氢生产资源、开发新的制氢工艺以及改进现有制氢工艺，受到人们的普遍关注。

    我国现阶段氢气的来源主要有三大类：一类是传统的电解水法。这种方法由于能耗高，现在工业上除原有装置外，已少有再建新装置；另一类是采用煤或天然气等造气、烃类转化、重油裂解等方法得到含氢气源．再从含氢气源中分离提纯氢气；另外，一些工业废气，如氨厂弛放气、甲醇尾气、DMF尾气、乙炔碳黑气、二烯尾气等，均含有一定量的氢气，从这些气体中提纯氢气，也是目前工业上制取氢气的一条有效途径。对后两种提氢路线，均有一个含氢气源的分离过程。虽然气体分离的方法很多，如深冷法、膜分离法或者溶液脱碳串甲烷化法等，但变压吸附法在能耗、操作难易程度、产品氢纯度、投资等方面都比其它方法有较大优越性。就目前国内外变压吸附发展情况看，该技术已进入大规模工业应用阶段，主要原因有如下几点：

    (1)变压吸附装置工艺和操作都较简单，而且是在常温下操作，可一步获得99，99％以上的产品氢气，这一点是深冷法和膜分离法难以达到的；

    (2)变压吸附工艺所要求的压力一般在0．8—3．0MPa，允许压力变化范围较宽，而大多数含氢气源，如各种炼厂混合气，合成氨弛放气、变换气、精炼气等，本身的压力均可满足这一要求，这样可省去再次加压的能耗。对于处理这类气源，变压吸附提氢装置的能耗只是照明、仪表用电及仪表空气的消耗，能耗很低；

    (3)与低温和膜分离装置相比，变压吸附装置对原料气中NH3和硫化物含量限制较宽，NH3＜0．1％，无机硫＜100mg/m3均直接进变压吸附装置，省去了复杂的预处理装置；

    (4)变压吸附装置的运行由计算机自动控制，装置自动化程度高，操作方便。变压吸附在制氢领域占的比例越来越大，装置规模也日渐增大，目前我国投入运行的变压吸附工业装置中，有62％(按装置数量计)是用于氢气生产，在膜分离技术(主要是膜制造技术和膜的性能)没有本质上的突破以前，我国的制氢技术装置仍将以变压吸附为主。

    石油化工工业是氢气消耗大户，重油轻化及其它石油炼制过程需要大量氢气。同时，石油加工过程中产生大量含氢尾气，如加氢裂化尾气、催化重整副产气、催化裂化干气等。氢气回收用于石油炼制加工可缓解石化工业缺氢的局面。在国外，变压吸附应用的最大领域是石化工业，变压吸附装置所产氢气的56％是用于石油炼制。我国石化工业在80年代相继引进过几套较大型变压吸附制氢装置。进入90年代，随着我国变压吸附技术的不断提高，在装置大型化方面已取得较大进展。1994年12月在浙江镇海炼化公司5万Nm3／h制氢装置国际招标中，西南化工研究设计院首次与国外公司竞争并一举中标，1996年10月该装置一次开车成功，各项指标均达到设计值。标志着国产大型化变压吸附装置已具备了与国外变压吸附装置相竞争的能力。

    2 大型变压吸附装置的新进展

    西南化工研究设计院于70年代初在国内率先从事变压吸附技术的研究工作，从80年代初该技术工业化以来，在吸附剂、工艺、控制、阀门等诸多方面作了大量的改进工作。尤其进入90年代中期，随着我院不断推广大型化变压吸附装置，该技术得以迅猛发展，主要体现在以下几个方面。

    2．1 吸附剂与工艺技术

    2.1.1 成功研制CAN—229专用吸附剂针对炼油和石化行业富氢混合气中烃类组分多且含有C5+等高碳烃组分的特点，西南化工研究设计院专门成立了处理这类气体的吸附剂研制攻关小组。经过大量的实验研究，终于获得了应用PSA技术一步除去炼厂混合气除氢气以外所有杂质的专用吸附剂CAN—229。使用这类吸附剂可省去传统的TSA项处理工序，提高了氢气的回收率，大大简化了流程，进一步降低了装置的投资。

   2.1.2  抽空工艺的开发

    与传统的顺放冲洗工艺相比，采用抽空工艺可大大提高氢气回收率。但是，为保证后续工序装置的连续生产，装置在运行中若某些程控阀出故障后也不能停车，即要求装置运行中可实现程序切换，以便在线维修程控阀。程序切换过程中不能对真空泵产生冲击，否则会缩短真空泵的寿命甚至损坏真空泵。基于以上难点，传统的变压吸附工艺采用了顺放冲洗流程。西南化工研究设计院针对抽空工艺的特点，从硬件和软件两方面做了大量的研究工作，解决了抽空工艺的切换问题。在镇海炼化60000Nm3/h炼厂混合气PSA—H2装置及辽化40000Nm3／h炼厂混合气PSA-H2装置成功实现了抽空工艺工业化。使氢气收率比传统的顺放冲洗工艺提高了5—6％。

   2.1.3程序实现任意切换

    传统的多塔装置程序按最佳步位切换，程控阀出故障后必须等待到最佳步位才能切换，程控阀出故障后装置压力立即发生变化，导致系统压力波动。根据最佳步位切换的弊病，在工艺及控制系统两方面下功夫，获得了每一步均可实现程序切换的方法。从而保证了系统操作的稳定性，使装置在无扰动中实现任意切换。并在辽化40000Nm3／h炼厂混合气PSA-H2装置得以成功实施。

    2．2 自动控制系统

    控制系统在变压吸附装置中，起着至关重要的作用，并有其特殊性，因此，十多年来，西南化工研究设计院不断进行控制系统的选型、开发和设计优化工作，目前已在三百多套各种类型、不同规模的变压吸附装置上，应用着气动III型表、电动III
型表，SPEC-200，YS-80，1151，1751．2088等国产和进口仪表以及从可编程序控制器到当前最先进的集散系统FX2，C200HS，C1000HS，S5-115U，Honeywell9000E，HoneywellRl50，HoneywellTDC3000，MARK—II．Centum，Rosemountsystem-3等不同档次和功能的控制系统。

    根据大型变压吸附装置稳定性及多塔装置复杂的程序切换等情况，程序员在软件编程上做了大量细致的工作，使得切换程序大大简化。为便于操作人员实际操作，西南化工研究设计院进行二次开发的软件全部配以汉字文字说明。

    2．3程序控制阀门

    2.3.1 程控阀技术要求

    程控阀是变压吸附装置完成工艺过程的重要部件，亦是装置实现正常运转，可靠工作的关键设备。由于变压吸附装置工艺的特殊性，程控阀需频繁动作。因此，程控阀的操作指标和要求均较一般阀门高，除了应具有良好的密闭性能、快速的启闭速度和调节能力外，还必须能在频繁动作下，长期可靠运行，主要特点归纳如下。

    (1)动作寿命长，要求启闭50万次以上无泄漏；

    (2)启闭速度快，随阀门通径不同，其启闭时间应小于1—3秒；

    (3)部分阀门要求有双向流通特性；

    (4)部分阀门除具有上述启闭特性外，还具有调节功能；

    (5)阀门内、外密封要求在动作50万次以后满足ANSIBl6．104密封要求．特别对用于CO的程控阀，对外密封要求更严格；

    (6)具有阀位状态现场指示和远程传送信号，其动作寿命与程控阀相当．并满足II区防爆要求；

    (7)有调节功能的程控阀配备的电—气阀门定位器，寿命与程控阀同步，同时满足II区防爆要求。

    2．3．2 防冲剧自补偿提升阀

    西南化工研究设计院针对变压吸附装置程控阎的特殊要求，为各类变压吸附装置研制和生产了专用程控阀门。在阀芯结构上采用特殊防冲刷设计，有效提高了阀门使用寿命；采用压缩空气操纵，启阀速度快。完全能满足变压吸附工艺对程控阀门的特殊要求。

   目前生产的DN 40至DN 300各种压力等级的阀门，已应用于各种规模的变压吸附提纯H2、提纯CO、提纯CO2和脱除C02装置．如在石家庄炼油厂、辽阳化纤公司等大型PSA—H2装置及山东肥城PSA—CO装置中使用，效果良好。

    3  PSA技术研究及应用的业绩

    (1)推广数量。从1981年至今．西南化工研究设计院共推广了600多套成套变压吸附技术装置。

    (2)表2列出石化行业已建成和正在建设中的部分有代表性大中型变压吸附分离提纯H2装置。

    4 结束话

    变压吸附提纯氢气技术为我国石化工业含氢气源约分离提纯开辟了一条新的途径，为改善石化行业的产品结构，提高炼厂混合气的综合利用水平及提高综合经济效益等将发挥积极作用。

1005824263

谢谢楼主分享。

qwe109686650

学习一下。