胡景輝 李 雨 何 瑾 惠生工程(中國)有限公司河南化工設(shè)計(jì)院分公司 鄭州 450018

國內(nèi)某公司新建一套以煤為原料的煤制氫及合成氨生產(chǎn)裝置，建設(shè)規(guī)模為30萬t/a合成氨，氫氣75000Nm3/h，配套輔助生產(chǎn)裝置和公用工程，年操作時間8000h，氨合成最大、最小設(shè)計(jì)能力分別為液氨產(chǎn)量45萬t/a和20萬t/a，相應(yīng)的PSA制氫設(shè)計(jì)能力分別為產(chǎn)氫37500Nm3/h和100000Nm3/h。

1 解吸氣壓縮機(jī)工況

解吸氣是PSA制氫裝置提純產(chǎn)品氫氣后的副產(chǎn)物，主要成分為H2、CO、N2等，具有氫氣含量高、熱值較高的特點(diǎn)，通常情況下，各生產(chǎn)裝置會結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)將解吸氣加以回收利用[1-4]。三種工況下解吸氣具體組成見表1。

表1 解吸氣詳細(xì)參數(shù)

結(jié)合該項(xiàng)目實(shí)際情況，PSA解吸氣的回收利用分兩種：一股由0.13MPa(A)壓縮至0.45MPa(A)，送至燃料氣管網(wǎng)用于氣化磨煤機(jī)干燥所需燃料氣(用量為Norm.5000Nm3/h、Max.7150Nm3/h，LHV≥2000kcal/Nm3)，剩余部分解吸氣經(jīng)壓縮至4.35MPa(A)送至上游變換單元回收利用。壓縮機(jī)主要工藝數(shù)據(jù)條件見表2。

2 解吸氣壓縮機(jī)選型比較

PSA制氫解吸尾氣操作壓力接近常壓，需要進(jìn)行增壓才能回收利用，壓縮機(jī)型式以往復(fù)機(jī)和螺桿機(jī)居多[5-7]。

考慮到壓縮機(jī)的穩(wěn)定操作及裝置的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，有以下三種方案可供選擇：

表2 PSA解吸氣壓縮機(jī)主要工藝數(shù)據(jù)條件

注：①二段解吸氣量不允許為0，可按廠家要求進(jìn)行調(diào)整；②壓縮機(jī)入口壓力波動范圍±10kPa; ③產(chǎn)氫100000Nm3/h對應(yīng)于110%操作工況，表中數(shù)據(jù)對應(yīng)產(chǎn)氫90900Nm3/h。

2.1 方案一：兩臺活塞機(jī)(壓縮機(jī)設(shè)計(jì)工況產(chǎn)氫100000Nm3/h)

設(shè)置2臺活塞式壓縮機(jī)，壓縮機(jī)設(shè)計(jì)工況為產(chǎn)氫100000Nm3/h，5級壓縮，1開1備，氣化燃料氣(0.45MPa(A))從壓縮機(jī)2級出口抽出，剩余解吸氣經(jīng)3、4、5級壓縮至4.35MPa(A)后送至上游變換單元回收利用。

(1)產(chǎn)氫100000Nm3/h操作工況，壓縮機(jī)一段解吸氣流量11676Nm3/h，壓縮機(jī)二段解吸氣流量5794～7567Nm3/h。

(2)產(chǎn)氫75000Nm3/h操作工況，壓縮機(jī)一段解吸氣流量7018Nm3/h，壓縮機(jī)二段解吸氣流量1136～2937Nm3/h；壓縮機(jī)一段需考慮約40%回流，二段需考慮的回流量約61%。

(3)產(chǎn)氫37500Nm3/h操作工況，解吸氣流量只有3040Nm3/h，而送至氣化的燃料氣需要量約為4109 Nm3/h，燃料氣量不足；壓縮機(jī)2級出口抽氣，3、4、5級壓縮機(jī)全回流。

對于壓縮機(jī)設(shè)計(jì)工況在產(chǎn)氫100000Nm3/h時，不同操作工況下壓縮機(jī)各段氣體回流量及壓縮機(jī)軸功率見表3。

表3 不同操作工況下各段氣體回流量(解吸氣壓縮機(jī)設(shè)計(jì)工況產(chǎn)氫100000Nm3/h)

注：①二段解吸氣量不允許為0，可按廠家要求進(jìn)行調(diào)整；②產(chǎn)氫100000Nm3/h對應(yīng)于110%操作工況，表中數(shù)據(jù)對應(yīng)產(chǎn)氫90900Nm3/h；③燃料氣不足部分由進(jìn)PSA制氫前抽出的一部分工藝氣進(jìn)行補(bǔ)充。

2.2 方案二：兩臺活塞機(jī)(壓縮機(jī)設(shè)計(jì)工況產(chǎn)氫75000Nm3/h)

針對方案一，由于操作工況差異，如在操作工況產(chǎn)氫75000Nm3/h或37500Nm3/h運(yùn)行時，存在氣體回流量大的缺點(diǎn)。因此，可將壓縮機(jī)設(shè)計(jì)工況設(shè)定在產(chǎn)氫75000Nm3/h，對于操作工況在產(chǎn)氫100000Nm3/h時兩臺全開；操作工況在產(chǎn)氫37500Nm3/h時，相對于壓縮機(jī)設(shè)計(jì)工況為產(chǎn)氫100000Nm3/h，可減少氣體回流量，節(jié)省運(yùn)行能耗，詳細(xì)參數(shù)見表4。

2.3 方案三：1臺螺桿式壓縮機(jī)+1臺活塞式壓縮機(jī)

針對方案一能耗高的缺點(diǎn)，可設(shè)置1臺噴油螺桿式壓縮機(jī)+1臺活塞式壓縮機(jī)，螺桿式壓縮機(jī)用于氣化燃料氣壓縮(壓縮至0.45MPa(A))，活塞式壓縮機(jī)用于將解吸氣壓縮至4.35MPa(A)送至上游變換單元。

螺桿壓縮機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，故障率低，且基本上無易損件，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)不間斷運(yùn)行，不設(shè)備機(jī)。

表4 不同操作工況下各段氣體回流量(解吸氣壓縮機(jī)設(shè)計(jì)工況產(chǎn)氫75000Nm3/h)

注：①二段解吸氣量不允許為0，可按廠家要求進(jìn)行調(diào)整；②產(chǎn)氫100000Nm3/h對應(yīng)于110%操作工況，表中數(shù)據(jù)對應(yīng)產(chǎn)氫90900Nm3/h。

當(dāng)活塞式壓縮機(jī)故障時，可短期將返回變換的解吸尾氣送火炬，活塞式壓縮機(jī)的檢修周期一般為5天左右。

此外，PSA低負(fù)荷運(yùn)行時(產(chǎn)氫37500Nm3/h工況)，活塞機(jī)可以停運(yùn)，節(jié)省能耗。詳細(xì)參數(shù)見表5。

表5 不同操作工況下各段氣體回流量(解吸氣壓縮機(jī)設(shè)計(jì)工況產(chǎn)氫37500Nm3/h)

注：①若二段解吸氣量不允許為0，可按廠家要求進(jìn)行調(diào)整；②該氣體流量已減去螺桿壓縮機(jī)氣量約為4109Nm3/h；③產(chǎn)氫100000Nm3/h對應(yīng)于110%操作工況，表中數(shù)據(jù)對應(yīng)產(chǎn)氫90900Nm3/h。

3 運(yùn)行費(fèi)用對比

三種方案下PSA解吸氣壓縮機(jī)運(yùn)行費(fèi)用對比詳見表6～表8。

表6 PSA解吸氣壓縮機(jī)運(yùn)行費(fèi)用對比表(實(shí)際操作工況產(chǎn)氫100000Nm3/h)

注：①往復(fù)機(jī)按運(yùn)行6個月檢修一次，每次持續(xù)時間為5天；②電價按0.5元/kW，標(biāo)準(zhǔn)煤按650元/t考慮。

表7 PSA解吸氣壓縮機(jī)方案對比表(實(shí)際操作工況產(chǎn)氫75000Nm3/h)

注：①往復(fù)機(jī)按運(yùn)行6個月檢修一次，每次持續(xù)時間為5天；②電價按0.5元/KW，標(biāo)準(zhǔn)煤按650元/t考慮。

4 結(jié)語

(1)運(yùn)行費(fèi)用分析。若操作工況長期在產(chǎn)氫100000Nm3/h，運(yùn)行費(fèi)用上方案一是優(yōu)選，方案三次之；若操作工況長期在產(chǎn)氫75000Nm3/h，運(yùn)行費(fèi)用上方案二是優(yōu)選方案，方案一次之；若操作工況長期在產(chǎn)氫37500Nm3/h，運(yùn)行費(fèi)用上方案三是優(yōu)選方案，方案二次之。

表8 PSA解吸氣壓縮機(jī)方案對比表(實(shí)際操作工況產(chǎn)氫37500Nm3/h)

注：①往復(fù)機(jī)按運(yùn)行6個月檢修一次，每次持續(xù)時間為5天；②電價按0.5元/kW，標(biāo)準(zhǔn)煤按650元/噸考慮。

(2)設(shè)備投資占地分析。方案一(設(shè)備投資約1500萬元，占地42×21m)>方案二(設(shè)備投資約1360萬元，占地42×21m)>方案三(設(shè)備投資約1020萬元，占地32×21m)。

綜上所述，基于操作工況差異大的現(xiàn)狀(產(chǎn)氫37500Nm3/h、75000Nm3/h、100000Nm3/h)，建議將壓縮機(jī)設(shè)計(jì)工況設(shè)定在產(chǎn)氫75000Nm3/h；對于操作工況在產(chǎn)氫100000Nm3/h工況下，壓縮機(jī)兩臺全開；操作工況在產(chǎn)氫37500Nm3/h下，相對于壓縮機(jī)設(shè)計(jì)工況為產(chǎn)氫100000Nm3/h，可減少氣體回流量，節(jié)省運(yùn)行能耗。