馮多學(xué)，周偉民

（大連石化公司，遼寧 大連 116031）

變壓吸附（PSA）技術(shù)是通過改變吸附罐壓力對(duì)來料氣進(jìn)行分離，同時(shí)自身吸附劑也可實(shí)現(xiàn)吸附與再生，單元整體自動(dòng)化程度高，處理量大，再生速度快，操作穩(wěn)定，能耗低，易于控制，并且對(duì)于來料組分復(fù)雜的氣體可一次性脫除雜質(zhì)，獲得高質(zhì)量產(chǎn)品，目前已成為一種成熟的多組分氣體分離技術(shù)。

大連石化公司20 萬Nm3·h-1制氫裝置PSA 氫提純系統(tǒng)目前已投產(chǎn)多年，整體運(yùn)行穩(wěn)定，但也出現(xiàn)過產(chǎn)品氫壓力波動(dòng)、程控閥門頻繁故障等異常事件，現(xiàn)就具體情況進(jìn)行如下分析。

1 PSA 氫提純的原理

變壓吸附氫提純工藝過程之所以得以實(shí)現(xiàn)是由于吸附劑在這種物理吸附中所具有的兩個(gè)性質(zhì)：一是對(duì)不同組分的吸附能力不同，二是吸附質(zhì)在吸附劑上的吸附容量隨吸附質(zhì)的分壓上升而增加，隨吸附溫度的上升而下降。利用吸附劑的第一個(gè)性質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)含氫氣源中雜質(zhì)組分的優(yōu)先吸附而使氫氣得以提純；利用吸附劑的第二個(gè)性質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)吸附劑在低溫、高壓下吸附而在高溫、低壓下解吸再生，從而構(gòu)成吸附劑的吸附與再生循環(huán)，達(dá)到連續(xù)分離提純氫氣的目的。正是吸附劑所具有的這種吸附雜質(zhì)組分的能力遠(yuǎn)強(qiáng)于吸附氫氣能力的特性，才可以將混合氣體中的氫氣提純。吸附劑對(duì)各種氣體的吸附性能主要是通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定的吸附等溫線來評(píng)價(jià)的。

通常采用不同溫度下的吸附等溫線來描述這一關(guān)系，如圖1 所示。從圖1 的 B→C 和 A→D 可以看出，在壓力一定時(shí)，隨著溫度的升高吸附容量逐漸減小。吸附劑的這段特性正是變溫吸附（TSA）工藝所利用的特性。從圖1 的 B→A 可以看出，在溫度一定時(shí)，隨著壓力的升高吸附容量逐漸增大。變壓吸附過程正是利用圖1 中吸附劑在 A-B 段的特性來實(shí)現(xiàn)吸附與解吸的。吸附劑在常溫高壓（A點(diǎn)）下大量吸附原料氣中除氫以外的雜質(zhì)組分，然后降低雜質(zhì)的分壓（B 點(diǎn)）使各種雜質(zhì)得以解吸。

圖1 不同溫度下的吸附等溫線

2 PSA 系統(tǒng)工藝流程簡述

我公司PSA 系統(tǒng)采用十塔操作，共設(shè)置10 個(gè)吸附塔，正常運(yùn)行時(shí)2 個(gè)執(zhí)行吸附程序，8 個(gè)執(zhí)行再生程序，系統(tǒng)程序設(shè)置13 個(gè)步驟：吸附→一次均壓降→二次均壓降→三次均壓降→四次均壓降→順放→逆放→沖洗→四次均壓升→三次均壓升→二次均壓升→一次均壓升→系統(tǒng)終升。正常運(yùn)行模式采用10-2-4 模式，即10 塔運(yùn)行，2 塔吸附，4 次均壓。此外，當(dāng)某個(gè)吸附塔出現(xiàn)程控閥門狀態(tài)報(bào)警并引起測(cè)量壓力與系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)壓力不一致時(shí)，將啟動(dòng)自動(dòng)切塔，切除塔停止吸附并隔離，9 塔在線運(yùn)行實(shí)現(xiàn)9-2-3模式，工作狀態(tài)步序如表1 所示。

表1 工作狀態(tài)步序表

3 PSA出現(xiàn)問題的原因分析及應(yīng)對(duì)措施

3.1 PSA 系統(tǒng)頻繁切塔事件

2018年12月27日6 時(shí)50 分開始，制氫裝置PSA 單元頻繁出現(xiàn)切塔情況，造成氫網(wǎng)壓力降低，加氫裝置降量配合氫網(wǎng)調(diào)整，至18 時(shí)20 分恢復(fù)正常生產(chǎn)，加氫裝置逐步恢復(fù)加工量。

表2 切塔頻次順序表

3.2 原因分析

1）液壓油系統(tǒng)存水，低溫形成冰渣堵塞電磁閥導(dǎo)致切塔。2018年7月末液壓油油冷器泄漏，循環(huán)水進(jìn)入油系統(tǒng)。2018年7月26日，裝置發(fā)現(xiàn)PSA液壓油箱液位上漲，判定原因是PSA 液壓油站冷卻器泄漏，0.3 MPa 循環(huán)水漏至液壓油箱中。裝置對(duì)油樣分析，有明水存在。至9月中旬，裝置通過“排回油加新油”的方式，累計(jì)置換新油40 余桶，用于置換系統(tǒng)內(nèi)存水。至9月17日采樣分析為痕跡后，停止換油；同年12月27日最低氣溫降至-14 ℃，液壓油系統(tǒng)水解析形成冰渣，堵塞電磁閥導(dǎo)致程控閥無法正常開關(guān)，PSA 頻繁出現(xiàn)切塔。

表3 8月3日PSA 油采樣分析表

表4 8月6日PSA 油采樣分析表

表5 9月17日PSA 油采樣分析表

2）對(duì)微量水的凍凝后果估計(jì)不足，措施不到位。9月17日分析液壓油中水含量為痕跡后，意識(shí)到系統(tǒng)內(nèi)存水可能造成的防凍凝影響，并通過PSA 油站油箱頂部增加蒸汽伴熱的方法提高油溫，但未考慮到供油總線裸管的降溫會(huì)導(dǎo)致微量水形成冰渣，卡澀電磁閥。12月27日出現(xiàn)問題后裝置加采油樣，水含量仍然為痕跡，證實(shí)微量水仍會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響。

表6 12月27日PSA 油采樣分析表

3.3 解決措施

出現(xiàn)切塔問題后，裝置從“除水、提油溫”兩方面處理，一方面對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的液壓油繼續(xù)置換，繼續(xù)降低油系統(tǒng)內(nèi)的水含量，從根本上解決問題；另一方面提高油溫，對(duì)供油主線加裝蒸汽伴熱膠帶，加包保溫，并設(shè)置擋風(fēng)棚提高環(huán)境溫度，措施落實(shí)后，PSA 運(yùn)行正常，未出現(xiàn)切塔事件。

圖3 上油主線蒸汽帶伴熱，加包保溫

圖4 設(shè)置擋風(fēng)棚，提高環(huán)境溫度

3.4 預(yù)防措施

3.4.1 更換冷卻器形式

計(jì)劃詢問PSA廠家及其他煉廠PSA液壓油油冷器形式，條件允許可更換為空氣冷卻等形式，從本質(zhì)上避免水與油的接觸。

3.4.2 油路增加保溫或伴熱

因地理位置影響，為杜絕冬季油路溫度低造成的切塔事件發(fā)生，計(jì)劃對(duì)PSA 油線增加保溫或者伴熱，提高液壓油循環(huán)溫度，保證生產(chǎn)正常。

4 PSA 切塔經(jīng)濟(jì)性分析

大連石化公司氫網(wǎng)氫氣來源主要為PSA氫提純單元，在切塔的同時(shí)，不但會(huì)影響到裝置的平穩(wěn)運(yùn)行，也會(huì)對(duì)氫氣管網(wǎng)壓力造成較大晃動(dòng)，影響加氫裝置正常的氫氣需求。按照10 塔切至9 塔為例，因9 塔運(yùn)行時(shí)執(zhí)行9-2-3 程序，減少一個(gè)均壓升降的過程，部分氫氣無法得到有效回收，即隨尾氣進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐作為燃料燃燒。按照10 萬Nm3·h-1制氫裝置在70%負(fù)荷下，尾氣量為39 000 Nm3·h-1運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，2020年4月裝置9 塔運(yùn)行時(shí)尾氣氫體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)如表7 所示。

表7 2020年4月PSA 尾氣氫體積分?jǐn)?shù)分析表

同年7月，PSA 單元恢復(fù)10 塔運(yùn)行后，尾氣氫體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)如表8 所示。

表8 2020年7月PSA 尾氣氫體積分?jǐn)?shù)分析表

從表7、表8 數(shù)據(jù)可知，在70%負(fù)荷下尾氣流量為39 000 Nm3·h-1，節(jié)省4 414 Nm3·h-1氫氣，在保證10 塔在線運(yùn)行情況下，每月可節(jié)省268 萬元。

5 結(jié)束語

PSA 氫提純單元閥門數(shù)量大，動(dòng)作次數(shù)多，閥門內(nèi)漏、液壓油管路堵塞、閥檢偏差、壓差產(chǎn)生振動(dòng)等問題持續(xù)困擾單元的平穩(wěn)運(yùn)行，接下來裝置也會(huì)重點(diǎn)關(guān)注以上問題，制定應(yīng)急預(yù)案，為氫網(wǎng)穩(wěn)定供氫。