李鳳山，袁紅林

（天津大港油田萊特石油化工股份合作公司，天津 300280）

1 PSA 系統(tǒng)優(yōu)化環(huán)保背景及意義

PSA（Pressure Swing Adsorption，變壓吸附）技術(shù)是一種新型的氣體分離技術(shù)，主要是利用氣體介質(zhì)中不同組份在吸附劑上的吸附容量不同，在壓力下進行選擇性吸附，降壓時使氣體解吸，以實現(xiàn)氣體的分離。原化工部西南化工研究設計院（現(xiàn)四川天一科技股份有限公司）從20 世紀70 年代初期就開始對PSA 工藝過程及自動控制系統(tǒng)進行開發(fā)研究，多年來在國內(nèi)已建成500 余套各種類型的PSA 裝置，在化工、石油煉制、冶金、食品、醫(yī)藥等行業(yè)中成功推廣應用。由于該工藝要求周期性地切換閥門，并且閥門數(shù)量多、動作頻繁，人工操作難度較大，因此提高變壓吸附自動化水平是推廣應用這項新技術(shù)的前提。變壓吸附裝置自動化經(jīng)歷了從氣動控制到微型計算機控制、從單純的開關(guān)量控制到模擬量控制的發(fā)展過程，控制器的功能也日趨完善。

天津大港油田萊特石油化工股份合作公司制氫裝置產(chǎn)品的收率不是很高，導致脫附氣量大、燃燒產(chǎn)生大量氮氧化物和硫化物，不能滿足環(huán)保的要求且能耗很大，急需提高產(chǎn)品收率、滿足環(huán)保要求?，F(xiàn)實生產(chǎn)中在制氫裝置高負荷生產(chǎn)期間，出現(xiàn)過CO（一氧化碳）短時間超標狀況，初步判斷為各吸附劑能力差異，同時近期為保證產(chǎn)品質(zhì)量，脫附氣中氫氣含量長期在25%以上，造成氫氣收率略低、脫附氣量大從而導致爐子燃燒后氮氧化物、硫化物氣體超標情況。另外，PSA 程控閥經(jīng)常出現(xiàn)運行故障，泄漏大量中變氣導致CO 排放超標。由于受到不同程度的污染，制氫PSA 系統(tǒng)吸附能力略有下降，產(chǎn)品氫中氫氣含量略低，并且提高收率至關(guān)重要。

而提高PSA 系統(tǒng)的氫氣的收率、降低脫附氣是企業(yè)的迫切需求，只有提高產(chǎn)品收率降低大量脫附氣燃燒環(huán)保超標的問題，這樣企業(yè)才能增加收入，在市場競爭中占有一定優(yōu)勢。

國家對企業(yè)的環(huán)保也有要求：《中華人民共和國環(huán)境保護法》第四章防治污染和其他公害，第四十二條中指出排放污染物的企業(yè)事業(yè)單位和其他生產(chǎn)經(jīng)營者，應當采取措施，防治在生產(chǎn)建設或者其他活動中產(chǎn)生的廢氣、廢水、廢渣、醫(yī)療廢物、粉塵、惡臭氣體、放射性物質(zhì)以及噪聲、振動、光輻射、電磁輻射等對環(huán)境的污染和危害。排放污染物的企業(yè)事業(yè)單位，應當建立環(huán)境保護責任制度，明確單位負責人和相關(guān)人員的責任。重點排污單位應當按照國家有關(guān)規(guī)定和監(jiān)測規(guī)范安裝使用監(jiān)測設備，保證監(jiān)測設備正常運行，保存原始監(jiān)測記錄。嚴禁通過暗管、滲井、滲坑、灌注或者篡改、偽造監(jiān)測數(shù)據(jù)，或者不正常運行防治污染設施等逃避監(jiān)管的方式違法排放污染物。第四十三條指出，排放污染物的企業(yè)事業(yè)單位和其他生產(chǎn)經(jīng)營者，應當按照國家有關(guān)規(guī)定繳納排污費。排污費應當全部專項用于環(huán)境污染防治，任何單位和個人不得截留、擠占或者挪作他用。依照法律規(guī)定征收環(huán)境保護稅的，不再征收排污費。隨著國家在環(huán)保整治方面的力度加大，所以企業(yè)在環(huán)保方面日益嚴峻。

2 存在問題及優(yōu)化分析

制氫PSA 在切塔過程中會產(chǎn)生大量的脫附氣，因為PSA 10 塔運行的“10—2—4”模式變成“9—2—3”模式，四均過程消失之后會產(chǎn)生大量脫附氣，不但爐子控制難以控制，而且會產(chǎn)生大量氮氧化物、硫化物等廢氣，導致環(huán)保指標超限。

只有提高產(chǎn)品收率降低大量脫附氣燃燒環(huán)保超標的問題，企業(yè)才能既增加收入，又可以在企業(yè)競爭中占有優(yōu)勢。企業(yè)在環(huán)保方面的工作，也是當前國家對企業(yè)的要求，達不到國家環(huán)保要求的極大可能被停產(chǎn)整頓，導致企業(yè)收益降低甚至破產(chǎn)。所以解決產(chǎn)品收率低大量脫附氣燃燒環(huán)保超標的問題已是至關(guān)重要。

目前的PSA 優(yōu)化分析如下：①通過制氫裝置PSA 系統(tǒng)吸附塔吸附能力上限最大限度減少脫附氣流量；②降低PSA 系統(tǒng)脫附氣中氫氣含量，提高氫氣收率，從而達到降低脫附氣量保證轉(zhuǎn)化爐燃燒產(chǎn)物達標的目的；③控制PSA 順放過程壓力來控制脫附氣流量；④調(diào)節(jié)吸附塔吸附時間提高氫氣收率。

3 PSA 優(yōu)化調(diào)整處理

3.1 PSA 調(diào)整

首先對在線分析儀進行校驗，然后開始實施調(diào)整優(yōu)化方案。

經(jīng)觀察，制氫PSA 系統(tǒng)產(chǎn)品氫在線分析儀CO 含量在8×10-6～10×10-6且不再變化（圖1），而且同時制氫PSA 系統(tǒng)產(chǎn)品氫純度在線分析儀數(shù)值（圖2）也不再變化，即判斷制氫PSA 系統(tǒng)調(diào)整結(jié)束，PSA 系統(tǒng)結(jié)束第一階段調(diào)整。

圖1 制氫PSA 系統(tǒng)在線CO 含量趨勢

圖2 制氫產(chǎn)品氫在線純度

3.2 PSA 調(diào)節(jié)

3.2.1 PSA 吸附時間調(diào)整及效果

該系統(tǒng)主要調(diào)整方式為提高吸附時間，在保證產(chǎn)品氫質(zhì)量的前提下觀察產(chǎn)氫量和脫附氣流量。

（1）吸附時間T1和吸附時間T2分別由58 s 提至68 s，這樣吸附時間T1+T2共增加20 s。調(diào)整后在處理量基本相同的情況下，PSA 系統(tǒng)在調(diào)整吸附時間后，產(chǎn)品氫氣流量呈上升趨勢，脫附氣流量呈下降趨勢（圖3）。

圖3 制氫PSA 系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)

（2）在原料氣部分運行平穩(wěn)的情況下，中變氣組成相對穩(wěn)定，即中變氣流量跟隨裝置處理量同增同降的情況下，中變氣中氫氣含量基本相同。所以在保證產(chǎn)品氫純度的前提下，脫附氣中氫氣含量有所降低，但由于PSA 系統(tǒng)運行特點和脫附氣采樣頻次的原因，造成脫附氣中氫氣含量降低不明顯且有反復波動的情況，待車間多次分析后方可確定調(diào)整效果。

初步計算，該調(diào)整可提高氫氣收率近0.5%，脫附氣有所降低，轉(zhuǎn)化爐燃燒也有較好效果（圖4）。從剛開始的高報值降到正常值，雖然降得不多但也是很好的開端，為以后調(diào)整提供了依據(jù)。

圖4 轉(zhuǎn)化爐燃燒產(chǎn)物數(shù)據(jù)

3.2.2 通過調(diào)整PSA 系統(tǒng)吸附塔吸附能力上限來減少脫附氣量

目前在緩慢延長吸附時間的過程中，當吸附塔CO 脫附到達最大值時吸附時間即為最大值（圖5），CO 在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的峰值，受制于吸附劑能力問題，吸附劑能力強弱是制氫裝置能否高負荷生產(chǎn)的主要因素。氫氣收率達到最高，脫附氣流量可達到最小值，轉(zhuǎn)化爐燃燒后環(huán)保數(shù)據(jù)符合要求。

圖5 CO 在線分析儀數(shù)據(jù)與吸附時間對比

3.2.3 降低PSA 系統(tǒng)順放壓力達到降低脫附氣量

在保證產(chǎn)品氫質(zhì)量的前提下，通過降低順放過程壓力，來達到提高氫氣收率降低脫附氣量的目的，順放過程壓力低時可以產(chǎn)出更多的氫氣，氫氣增多后，逆放、沖洗階段就會產(chǎn)生更少的脫附氣量，而且脫附氣量波動較小，爐子燃燒效果好，更容易環(huán)保達標。順放過程的壓力設定根據(jù)吸附劑的能力設定，因為當順放過程壓力低于0.2 MPa 時，吸附劑則會脫附出輕烴類物質(zhì)和CO2，在脫附出大量CO2的同時溫度會快速升高，會損壞吸附劑，吸附劑的壽命則會縮短。所以控制順放壓力不但保護吸附劑也能減少脫附氣量，燃燒后能達到環(huán)保要求。

3.2.4 降低PSA 系統(tǒng)脫附氣中雜質(zhì)

在保證氫氣收率的情況下，適當降低沖洗過程壓力，不降低吸附時間，產(chǎn)品氫純度可適當提高，脫附氣C2 及以上組份逐漸減少（圖6）。但是目前在較高負荷生產(chǎn)的工況下，進一步提升產(chǎn)品氫純度降低脫附氣中雜質(zhì)，才能更好地滿足爐子燃燒產(chǎn)物達到環(huán)保的要求。

圖6 制氫系統(tǒng)產(chǎn)品氫質(zhì)量

3.2.5 調(diào)整過程中出現(xiàn)的問題

制氫PSA 系統(tǒng)調(diào)整過程中發(fā)現(xiàn)，G 塔高壓閥門存在內(nèi)漏問題，當均降時會出現(xiàn)吸附塔壓力升高（圖7），造成順放、逆放初始壓力升高，直接影響脫附氣流量，對轉(zhuǎn)化爐負壓、氧含量及爐膛溫度造成波動。轉(zhuǎn)化爐燃燒后的氮氧化物和硫化物也有所波動。

圖7 J 塔與G 塔PSA 氫氣提純吸附壓力曲線比較

3.2.6 控制PSA吸附塔順放過程時間

通過控制順放過程的時間來控制吸附塔順放過程，如果順放過程中壓力高于0.23 MPa，而此時順放過程設定的時間已到，則順放過程停止、等待逆放過程的到來。此時順放時間長可以得到更多氫氣，并且減少脫附氣的量，容易達到環(huán)保需求。但是如果時間過長則脫附效果較差，氫氣的純度降低，不能得到高品質(zhì)氫氣。如果在順放過程中壓力小于0.23 MPa，此時沒有進入逆放過程，那么就可能會脫附出輕烴類物質(zhì)和CO2損壞吸附劑。所以，控制一個合理時間，既能保證氫氣純度和有更好的收率，也能降低脫附氣的量、保護吸附劑，轉(zhuǎn)化爐燃燒脫附氣后污染物指標也能達標。

4 總結(jié)

（1）在制氫裝置調(diào)整的過程中，通過增加PSA 吸附時間不僅提高了氫氣的收率，也更好地降低脫附氣的流量，控制轉(zhuǎn)化爐燃燒后的污染物情況。

（2）降低沖洗和順放的壓力來降低燃燒產(chǎn)物中污染物數(shù)值的效果不是很突出，未來應做更多的實驗研究，在這過程中PSA程控閥內(nèi)漏和卡死問題將成為未來的難題。

（3）裝置上游來原料組成變化，如果不能及時調(diào)整，將會對污染物數(shù)值產(chǎn)生較大影響，未來應加強與上游裝置的聯(lián)系和及時調(diào)節(jié)吸附時間，以更好地控制環(huán)保指標。