翟 琛

（陜西陜化煤化工集團(tuán)有限公司，陜西渭南 714100）

陜西陜化煤化工集團(tuán)有限公司 （簡(jiǎn)稱陜化集團(tuán)）100kt／a 1，4-丁二醇及下游產(chǎn)品項(xiàng)目由中國(guó)成達(dá)工程有限公司負(fù)責(zé)總體設(shè)計(jì)。其中，乙炔裝置采用干法電石制乙炔技術(shù)；甲醛裝置采用瑞典柏仕道普公司的鐵鉬法合成技術(shù)；1，4-丁二醇裝置采用美國(guó)英威達(dá)公司的炔醛法合成技術(shù)；原料氣提氫裝置采用變壓吸附氫提純技術(shù)；空分系統(tǒng)和蒸汽系統(tǒng)則依托陜化集團(tuán)節(jié)能減排技改項(xiàng)目；同時(shí)，1，4-丁二醇項(xiàng)目配套采用了美國(guó)霍尼韋爾公司的自動(dòng)化控制系統(tǒng)和德國(guó)西門子公司的緊急停車系統(tǒng)。

陜化集團(tuán)100kt／a 1，4-丁二醇及下游產(chǎn)品項(xiàng)目2014年投運(yùn)至今，整體而言系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，已突破了1，4-丁二醇月產(chǎn)10000t的大關(guān)。但系統(tǒng)連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，項(xiàng)目配套的變壓吸附提氫裝置運(yùn)行中出現(xiàn)的一個(gè)瓶頸問(wèn)題——原料氣消耗較高、解吸氣量較大、產(chǎn)品氫收率低尤為突出。設(shè)計(jì)原料氫氣消耗量為11000m3／h，產(chǎn)品氫氣產(chǎn)量約10000m3／h，解吸氣量約1100 m3／h，氫收率95%；但實(shí)際上原料氫氣消耗量約12000m3／h，產(chǎn)品氫氣產(chǎn)量約 9400m3／h，解吸氣量約2600m3／h，氫收率約84%。因此，系統(tǒng)如何節(jié)能降耗，成為陜化集團(tuán)的一個(gè)新課題。為此，陜化集團(tuán)結(jié)合系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，分析影響變壓吸附提氫裝置氫收率的主要因素，通過(guò)采取相應(yīng)的技術(shù)改造和工藝調(diào)整措施后，最終實(shí)現(xiàn)了變壓吸附提氫裝置的高效、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1 變壓吸附提氫裝置簡(jiǎn)介

1.1 工作原理

變壓吸附提氫裝置的工作原理是，利用吸附劑對(duì)混合氣體組分選擇性吸附的性質(zhì)，以及對(duì)吸附組分的吸附量隨壓力的升降同步升降的特性，達(dá)到多組分氣體分離純化的目的。

混合原料氣中易吸附組分 （如醇類、H2O、CO、CH4、N2等）先被吸附，不易吸附組分（如H2等）由塔頂排出，作為產(chǎn)品氣送往下一工段；當(dāng)易吸附組分的吸附前沿快要到達(dá)塔頂時(shí)，停止通氣，此塔通過(guò)和其他塔進(jìn)行多次均壓降后，塔內(nèi)的有效氣體得到回收，然后通過(guò)逆放和吹掃使吸附劑得到再生，最后通過(guò)多次均壓升和最終升壓進(jìn)入下一個(gè)吸附循環(huán)。

1.2 工藝流程說(shuō)明

陜化集團(tuán)節(jié)能減排技改項(xiàng)目低溫甲醇洗裝置送來(lái)的原料氫混合氣，經(jīng)冷卻分離除去氣體中的少量水和醇類雜質(zhì)后，進(jìn)入變壓吸附裝置脫除其中的 CH4、CO2、CO、CH3O H和少量 N2、A r，制得純度較高的產(chǎn)品氫氣，送往1，4-丁二醇裝置加氫工段；變壓吸附解吸尾氣經(jīng)尾氣壓縮機(jī)升壓后送往節(jié)能減排技改項(xiàng)目變換裝置回收利用。

1.3 技改前變壓吸附提氫裝置的運(yùn)行狀況

變壓吸附提氫裝置于2014年投運(yùn)，原設(shè)計(jì)程序?yàn)?4—1—11雙沖洗流程，即變壓吸附提氫裝置的14臺(tái)吸附塔中有1臺(tái)吸附塔始終處于進(jìn)料吸附的狀態(tài)，其吸附和再生工藝過(guò)程由吸附、連續(xù)11次均壓降、逆放、沖洗、連續(xù)11次均壓升和最終升壓等步驟組成。

但隨著變壓吸附提氫裝置運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，其氫收率呈逐年下降趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)對(duì)原設(shè)計(jì)程序的多次修改后，實(shí)際運(yùn)行程序?yàn)?4—1—9流程，即14臺(tái)吸附塔中有1臺(tái)吸附塔始終處于進(jìn)料吸附的狀態(tài)，其吸附和再生工藝過(guò)程由吸附、連續(xù)9次均壓降、逆放、沖洗、連續(xù)9次均壓升和最終升壓等步驟組成。裝置原料氫氣消耗約12000 m3／h，產(chǎn)品氫氣產(chǎn)量約 9400m3／h，氫收率約84%，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值。

2 變壓吸附提氫裝置氫收率的主要影響因素

氫收率的計(jì)算公示為：氫收率＝［產(chǎn)品氫流量 （m3／h） ×產(chǎn)品氣氫含量 （%）］ ÷ ［原料氫流量 （m3／h） ×原料氣氫含量 （%）］ ×100%。受下游工段的制約，陜化集團(tuán)產(chǎn)品氫流量和產(chǎn)品氣氫含量是不變的，因此，原料氣消耗較高、解吸氣量較大、原料氣氫含量低是裝置氫收率低的直接影響因素。

2.1 原料氣組成的影響

陜化集團(tuán)變壓吸附裝置原料氫混合氣來(lái)自陜化集團(tuán)節(jié)能減排技改項(xiàng)目的低溫甲醇洗裝置，原設(shè)計(jì)原料氫混合氣的H2含量為96.6% （體積分?jǐn)?shù)，下同），混合氣中CO、CO2及其他雜質(zhì)含量分別為2.66%、0.0001%、0.7399%。但實(shí)際送來(lái)的原料氫混合氣H2含量為94%，混合氣中CO、CO2及其他雜質(zhì)含量分別為 3.60%、0.92%、1.48%?？梢钥闯?，實(shí)際原料氣組分與設(shè)計(jì)值存在較大偏差，雜質(zhì)氣體含量遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值，由于其中的雜質(zhì)氣體——CO、CO2與吸附劑之間吸附力較強(qiáng)，在變壓吸附裝置運(yùn)行過(guò)程中較難從吸附劑中解吸出來(lái)，導(dǎo)致吸附劑再生不徹底，單位時(shí)間內(nèi)吸附劑的吸附量下降，從而造成變壓吸附提氫裝置氫收率下降。

2.2 吸附時(shí)間的影響

理論上，延長(zhǎng)吸附時(shí)間就意味著單位時(shí)間內(nèi)的再生次數(shù)減少，再生過(guò)程中損失的氫氣也就減少，氫收率越高。但是，在同樣的條件下，吸附時(shí)間越長(zhǎng)，進(jìn)入吸附劑床層的雜質(zhì)量也就越大，而受吸附塔大小和吸附劑裝填量的制約，吸附劑的動(dòng)態(tài)吸附量是不會(huì)改變的，也就是說(shuō)不能被吸附劑吸附而穿透吸附劑進(jìn)入產(chǎn)品氫的雜質(zhì)量也就會(huì)增大，如此勢(shì)必造成產(chǎn)品氫的純度下降。因此，變壓吸附提氫裝置的實(shí)際操作中，在保證產(chǎn)品氫純度的前提下，應(yīng)盡可能延長(zhǎng)吸附時(shí)間，以提高產(chǎn)品氫氣的收率，實(shí)現(xiàn)變壓吸附裝置的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

2.3 均壓次數(shù)的影響

所謂均壓，就是將需降壓解吸的吸附塔內(nèi)的氣體分別均給需升壓的吸附塔，使需降壓解吸的吸附塔壓力逐級(jí)下降、需升壓吸附塔的壓力逐級(jí)升高，從而使吸附塔降壓排出產(chǎn)品氫氣的一個(gè)過(guò)程?？梢姡黾泳鶋捍螖?shù)，可回收更多的產(chǎn)品氫氣，氫氣收率得以提高；但是，隨著均壓次數(shù)的增加，順?lè)艍毫ο鄳?yīng)降低，使得作為沖洗氣的順?lè)艢庵斜晃浇M分的濃度升高，同時(shí)順?lè)艍翰钭冃。絼_洗再生的效果變差，吸附劑的動(dòng)態(tài)吸附量減少，產(chǎn)品氫的收率隨之降低。因此，為實(shí)現(xiàn)變壓吸附裝置的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，陜化集團(tuán)將其均壓次數(shù)由原設(shè)計(jì)的11次降到了9次。

2.4 均壓降壓力與均壓升壓力的影響

理論上，變壓吸附裝置每次均壓的降壓壓力都比升壓壓力高，即均壓降壓力實(shí)際上不等于均壓升壓力。這是因?yàn)椋阂环矫娼祲哼^(guò)程中吸附塔的初末期平均壓力比升壓過(guò)程中吸附塔的初末期平均壓力高，即2臺(tái)相互均壓的吸附塔所處狀態(tài)不同、過(guò)程也不互逆；另一方面，升壓發(fā)生在吸附劑剛再生好的吸附塔中，塔內(nèi)吸附空間相對(duì)于降壓中正在解吸的吸附塔容量更大。變壓吸附提氫裝置運(yùn)行過(guò)程中壓力參數(shù)的對(duì)比見表1。

由表1可以看出，雖然陜化集團(tuán)變壓吸附提氫裝置運(yùn)行時(shí)滿足均壓降壓力都比均壓升壓力高這一理論，但兩者平均壓差過(guò)大，達(dá)到0.2～0.3MPa。經(jīng)分析，這是變壓吸附提氫裝置均壓程控閥與均壓管線尺寸不匹配造成的。變壓吸附提氫裝置均壓程控閥為D N 32，各塔均壓支管也為D N 32，而二／三均、四／五均、六／七均這3條均壓總管為D N 20，均壓總管尺寸過(guò)小，導(dǎo)致各塔在相同均壓時(shí)間內(nèi)均壓降壓力與均壓升壓力差值較大，各塔壓力均不平衡，進(jìn)而導(dǎo)致變壓吸附提氫裝置產(chǎn)品氫收率低。

表1 變壓吸附提氫裝置運(yùn)行壓力的對(duì)比MPa

3 工藝優(yōu)化及改進(jìn)措施

3.1 降低原料氣中CO、CO2及其他雜質(zhì)含量

為降低原料氣中的CO、CO2及其他雜質(zhì)含量，我們對(duì)節(jié)能減排技改項(xiàng)目變換裝置和低溫甲醇洗裝置進(jìn)行了如下工藝調(diào)整：①更換變換爐催化劑，提高變換爐入口工藝氣的溫度和水氣比，提高變換爐（R1501、R1502）的操作溫度；②加大低溫甲醇洗裝置的甲醇循環(huán)量，降低貧甲醇的溫度，保證甲醇水分離塔（T1605）的正常運(yùn)行，控制貧甲醇中的水含量；③加強(qiáng)操作運(yùn)行管理，嚴(yán)格控制工藝指標(biāo)并保持穩(wěn)定，嚴(yán)格控制系統(tǒng)加減量的速率，防止變換爐爐溫和系統(tǒng)壓力波動(dòng)過(guò)大。

采取上述工藝優(yōu)化調(diào)整措施后，變壓吸附提氫裝置入口原料氣中的氫含量由94%提高到設(shè)計(jì)值96.6%以上，CO含量由3.60%降至1.50%以下，CO2含量由0.92%降至50×10-6以下，其他雜質(zhì)含量由1.48%降至0.50%以下，從源頭上改善了原料氣的氣質(zhì)，解決了變壓吸附提氫裝置負(fù)荷重導(dǎo)致的氫收率低問(wèn)題。

3.2 延長(zhǎng)吸附時(shí)間

在保證變壓吸附裝置產(chǎn)品氫純度≥99.7%的前提下，維持9次均壓運(yùn)行的同時(shí)盡可能地延長(zhǎng)吸附時(shí)間，即將吸附時(shí)間從30s延長(zhǎng)至45s，通過(guò)優(yōu)化操作進(jìn)一步提高變壓吸附提氫裝置產(chǎn)品氫氣的收率。

3.3 保證均壓平衡

重新計(jì)算和設(shè)計(jì)均壓管線的管徑，增大均壓程控閥和均壓管線的尺寸，將二／三均、四／五均、六／七均這3條均壓總管尺寸由D N 20變更為D N 25，以減小均壓降壓力和均壓升壓力的差值，盡可能地保證均壓降壓力和均壓升壓力的平衡，從設(shè)備硬件匹配上降低降壓解吸吸附塔的壓力，為進(jìn)一步提高變壓吸附提氫裝置的氫收率做好保障。

3.4 回收變壓吸附提氫裝置的解吸氣

采取上述措施后，變壓吸附提氫裝置解吸氣（尾氣）量約為1300m3／h，壓力0.02MPa，H2含量約80%、CO含量約20%，原設(shè)計(jì)此部分尾氣直排火炬系統(tǒng)燃燒排放，造成有效氣的浪費(fèi)。本著環(huán)保、節(jié)能、高效的原則，陜化集團(tuán)在變壓吸附提氫裝置下游新增尾氣壓縮裝置，即利用陜化集團(tuán)原有的2臺(tái)M W-22／0.2-25型尾氣壓縮機(jī)和新增的2臺(tái)D W-1.1／23-66型尾氣壓縮機(jī)，將解吸氣壓力由0.02MPa提至6.60MPa，然后通過(guò)管道回收至節(jié)能減排項(xiàng)目變換裝置入口總管，實(shí)現(xiàn)變壓吸附提氫裝置解吸尾氣的全部回收利用，進(jìn)一步降低了生產(chǎn)成本，相當(dāng)于提高了變壓吸附提氫裝置產(chǎn)品氫氣的收率。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)陜化集團(tuán)100kt／a 1，4-丁二醇項(xiàng)目變壓吸附提氫裝置運(yùn)行過(guò)程中存在的產(chǎn)品氫收率低的問(wèn)題，采取降低原料氫混合氣中的CO、CO2及其他雜質(zhì)含量以及延長(zhǎng)吸附時(shí)間、保證均壓平衡、回收變壓吸附提氫裝置解吸氣等優(yōu)化改造措施后，變壓吸附提氫裝置在保證出工段產(chǎn)品氫氣產(chǎn)量9400m3／h的前提下，原料氣耗量由12000m3／h降至10700m3／h，解吸尾氣量由2600m3／h降至1300m3／h，并將解吸尾氣全部予以回收，確保了變壓吸附提氫裝置的高效、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，有力地助推了企業(yè)的節(jié)能減排和降本增效。