【摘 要】 山西某氮肥厂利用变压吸附提氢装置提取焦炉煤气中的氢气供合成氨用氢。运行结果表明：焦炉气经过吸附剂吸附后除去氢以外的绝大部分杂质和气体，氢气纯度可达99.999%。本工程的主要特点工艺流程简单、原料适应性强;自动化程度高，PSA单元全部采用计算机自动控制，完全无需人工操作和干预;操作成本低，由于PSA单元无溶剂等辅助材料消耗，且电耗很低;无三废排放，对环境不会造成污染，因此环境效益和经济效益显著。
【关键词】 工业论文范文,变压吸附,提氢,脱硫,脱氧
1 工程简介
山西某氮肥厂原装置利用焦炉煤气年产18万吨合成氨、30万吨尿素，由于该厂所在煤化园区内焦炉煤气富裕，为利用该部分多余焦炉煤气，进一步优化生产工艺，降低能源消耗，提高经济效益，决定对原1830装置实施焦炉煤气综合利用挖潜改造项目。采用变压吸附提氢、富甲烷气补入现有转化系统的工艺技术，新建一套焦炉煤气变压吸附制氢装置和合成氨系统，新增焦炉煤气脱硫塔、压缩机、脱萘塔、吸附塔、合成塔、合成废锅等主要设备38台(套)，形成年新增合成氨 4.8万吨、尿素8.58万吨的生产能力。变压吸附(PSA)技术是近30多年来发展起来的一项新型气体分离与净化技术。进入70年代后，这项技术被广泛应用于石油化工、冶金、轻工及环保等领域。该厂采用预处理+变压吸附+纯化工艺为核心的变压吸附提氢装置生产纯度99.999%的氢气供合成氨用氢。该装置于2012年7月投料生产，装置运行至今，运行效果良好。
2 工艺原理
2.1 变温吸附脱萘原理
对萘的净化处理，充分利用萘及其聚合物本身具有的升华和挥发的特性，采用复合吸附床层的一层装填有聚合功能的小颗粒中孔径专用吸附剂，萘及不饱和烃能在吸附剂内外表面发生聚合反应，生成分子量大的聚合物而被从焦炉气中分离吸附下来，此聚合物在升温时，又分解并直接升华再生出来。变温吸附是采用提高床层温度来实现再生的循环工艺，装置中活性炭与焦炭吸附一定时间后，由于煤焦油和萘吸附在焦炭和活性炭外表面与空隙内而使吸附剂失去吸附能力，从而达到饱和，失去脱萘能力，此时需要进行活性炭和焦炭的再生，除去其表面与空隙内吸附的萘、苯、焦油及少量单质硫，恢复其吸附及脱萘能力。
2.2 PSA制氢原理
吸附剂在一定温度下和一定的压力下对不同的气体组分的吸附容量不同，且吸附剂的吸附容量具有随气体压力的升高而增大，随气体压力的降低而减小的特性，利用这一特性，在较高压力下吸附剂床层对气体混合物进行吸附，容易吸附的组分被吸附剂吸附，不易吸附的组分从床层的另一端流出，当吸附达到一定程度时，降低吸附剂床层的压力，使被吸附的组分脱附出来，从床层的另一端排出，从而实现了气体的分离与净化，同时也使吸附剂得到了再生。
3 设计参数
3.1 设计规模
3.2 原料气条件
3.4 装置界区(如图1)
4 工艺简介
根据焦炉煤气的组成、产品氢气的质量指标的要求和对解析气指标要求，本装置工艺流程由预处理工序、(压缩工序)除油工序、变压吸附工序、氢气纯化工序(精脱硫+脱氧)组成。分别简述其流程如下：
4.1 预处理工序
4.1.1 粗脱
粗脱单元是由三台粗脱塔组成，可以二台运行，一台备用;也可以一台运行，二台备用;必要时可以三台粗脱塔同时运行。其工艺过程如下：
来自界外的压力约为20KPa的焦炉煤气自塔底进入粗脱塔，其中2台处于吸附脱萘、脱苯、脱焦油等杂质状态、一台处于再生状态。三台粗脱塔交替工作实现焦炉煤气的初步净化。
粗脱塔的工作过程包括：吸附过程、加热脱附杂质、冷吹降温
4.1.2 精脱
来自粗脱的焦炉煤气进入压缩机一段入口经压缩机压缩至～0.105Mpa.G由一级出口进入除油塔经除掉夹带的微量润滑油后进入精脱单元。焦炉煤气由精脱塔的下部进入，依次通过萘、苯、氨、硫化氢的专用吸附剂床层，萘、苯、氨、硫化氢等有害组分被各专用吸附剂的发达孔系所吸附，从而使焦炉煤气得以精制净化，净化后的焦炉煤气从精脱塔的顶部出来直接去压缩机二级入口。
精脱工段由三台精脱塔组成。 其中，3台精脱塔有2台处于吸附状态、1台处于再生状态。当处于吸附状态的吸附塔吸附饱和后即转入PSA富产解吸气对其加热再生的过程。过程包括吸附、逆放回收、升温再生、冷吹降温、终升5个过程，这5个过程在程序控制下自动切换。可根据实际调试确定程序自动切换周期。
4.2 除油工序
本工序主要由2台除油塔组成，2台除油塔并联操作，交替轮换使用，一台投运时，另一台更换吸附剂备用。
来自压缩工序压力为2.0MPa(G)、温度35℃的焦炉煤气进入除油工序后，自塔底进入除油塔，脱除焦炉煤气中的润滑油和焦油等杂质。
4.3 变压吸附工序
来自除油工序压力为2.0MPa(G)、温度35℃的焦炉煤气，进入PSA提氢工序。本工序由8个吸附塔、2个顺放罐、1个氢气缓冲罐、1个解吸气缓冲罐和1个解吸气混合罐组成，其中两个吸附塔始终处于同时进料吸附的状态，其工艺过程由吸附、三次均压降压、顺放、逆放、冲洗、三次均压升压和产品最终升压等步骤组成。
8个吸附塔交替进行以上的吸附、再生操作(始终有2个吸附塔处于吸附状态)即可实现气体的连续分离与提纯。
4.4 氢气纯化工序
4.4.1 脱硫工序
目的：经过变压吸附后焦炉煤气中硫已完全脱除干净，但是为了更好地保证后续合成催化剂的使用寿命，在变压吸附工序后设置脱硫工序。
本工序主要由2台精脱硫塔和手动阀门组成，2台脱硫塔并联操作，交替轮换使用，一台投运时，另一台更换脱硫剂备用。 本工序的精脱硫剂是活性炭类复合脱硫剂。能够有效地脱除氢气中微量的有机硫和无机硫。
4.4.2 脱氧工序
目的：本工序的目的就是将从PSA工序或脱硫工序来的氢气中的氧脱除小于1PPM以下。
来自脱硫工序的温度约为35℃，压力约为1.9MPa(G)的氢气进入常温脱氧塔，在其中装填的新型常温Ba催化剂的催化下，氧和氢反应生成水，然后经冷却器冷却至常温经气液分离器分离后去高压机入口。
5 运行情况
5.1 运行数据
原料气流量：25000Nm3/h。原料气成分见表1。
产品氢气流量，目前装置产氢瞬时流量平均在12800Nm3/h，装置氢气回收率约为87%，高于设计要求的86%。
产品氢气纯度，产品氢气纯度为99.999%。其中氢气中的CO平均为1.26ppmm，CO2平均为2.03ppm，O2含量平均为0.7ppm，低于O2+CO+CO2≤10ppm的技术要求。具体成分见表2：
5.2 运行中问题
运行初期，由于精脱硫剂在生产过程中使用了碱洗工艺，导致吸附剂微孔吸附了空气中的酸性气体CO2，当变压吸附出来的合格氢气通过该吸附剂时，残留的 CO2混入氢气中，从而导致最终产品氢气CO2超标。在连续置换两天后，吸附剂微孔中的CO2被解吸出，产品氢气CO2含量合格。
5.3 该工艺具有以下优点
工艺流程简单、原料适应性强;操作弹性大，可以在30～110%的弹性范围内稳定生产;自动化程度高，PSA单元全部采用计算机自动控制，完全无需人工操作和干预;开停车时间短，通常开车2小时就可以得到合格产品气;操作成本低，由于PSA单元无溶剂等辅助材料消耗，且电耗很低;无三废排放，对环境不会造成污染，因此环境效益明显;投资和运行维护费用低。
6 结语
通过半年多的运行，该装置工艺设计合理，运行稳定，操作和调节简单，负荷弹性大，对原料气的适应能力强。吸附剂性能稳定、吸附容量大、抗压强度高。程控阀门响应速度快、动作稳定，无泄漏现象。控制系统和软件稳定、先进，具有较高的自动化程度。但在以后的运行过程中，针对变压吸附吸附剂容易被污染的特点，定期检测预处理效果，及时更换预处理填料，做好预处理的把关工作，保证变压吸附吸附剂能长久稳定运行。
