氫云報告：變壓吸附制氫工藝的影響因素及常見問題分析
摘要：
隨著變壓吸附（PSA）制氫工藝的廣泛應用，由于涉及到其制氫能力和氫氣純度的影響因素非常多，在實際的操作過程中經常會有許多問題出現(xiàn)，了解并掌握這些影響因素，就可以在操作過程中改善吸附劑的吸附能力，提高產品氣的收率，解決這些出現(xiàn)的問題，可以盡量避免裝置故障的發(fā)生，提高整個裝置運行的平穩(wěn)率。
隨著國內各大煉油企業(yè)對油品質量要求的提高，以及產品結構的調整，對加氫裂化和加氫精制油品的處理能力和要求普遍提高，需要有較高純度的氫氣和較大的產氫能力，因此氫氣提純單元的指標受到了各大煉油企業(yè)的重視。目前大量采用的變壓吸附（Pressure Swing Adsorption，PSA）工藝，因其具有再生速度快、能耗低、操作簡單穩(wěn)定等優(yōu)點受到了各大煉廠的普遍青睞。
氫氣純度和氫氣收率等重要指標受到各種因素的影響，在整個工藝使用過程中也會出現(xiàn)許多問題。本文就作者的自身經歷及來自于其他同行的反饋，對變壓吸附（PSA）工藝的影響因素及常見問題進行闡述。
1、變壓吸附（PSA）基本工藝原理
變壓吸附（PSA）全
2、對于變壓吸附（PSA）的影響因素
2.1原料組成對變壓吸附（PSA）能力的影響
（1）不同的裝置會產生不同的來料氣源，其中組份的含量差別可能會比較大，變壓吸附（PSA）的吸附能力通常是以產氫量來衡量的，如果原料氣的氫含量高，則同樣吸附能力下，吸附塔的處理量就。
（2）操作壓力越高，吸附劑的吸附量就越大，吸附塔的處理量也就越大，因此會產生較高的操作費用和設備費用，而解吸壓力越低，則解吸的程度越深，吸附劑的還原就越徹底，再吸附的效果就越好。
（3）原料氣溫度對吸附劑的吸附能力也有影響，溫度越高越不利于吸附，吸附劑容量就越小，吸附能力隨之降低。
2.2原料氣流量對產品純度的影響
在吸附塔確定之后，原料氣流量對產品的純度影響比較大，流量越大則每個單位時間內進入吸附塔
的氣量就越大，雜質含量也越多，這樣容易使得雜質穿透吸附劑，導致產品的純度降低。
2.3解吸再生過程對產品純度的影響
解吸再生過程是在逆放和沖洗步驟下實現(xiàn)的，需要消耗一定量的產品氣用于吸附劑的再生，如圖2所示，以某一變壓吸附（PSA）裝置為例，在順放過程將吸附塔內的產品氫釋放至順放氣罐用于沖洗步驟對吸附劑的沖洗，而逆放過程則是把吸附塔內剩余的低壓產品氫反向釋放到解吸氣混合罐，這個過程會消耗一部分產品氣，使得產品氫氣的回收率降低，要提高氫氣回收率就要控制逆放和沖洗步驟的時間，減少產品氫氣的消耗，但是如果時間太短，再生不徹底就會影響吸附劑的吸附能力，使得產品的純度下降。這就需要在設計和實際操作過程中，找出一個經濟合理的操作時間。當然，在條件允許的情況下可以增加真空泵，對解吸過程采用抽真空處理，使吸附劑解吸更徹底，但是同樣會增加操作及設備費用。
3、常見問題的分析
在變壓吸附（PSA）的實際運行中，由于各裝置的工況不同以及所處地域的差異，經常會產生許多不確定的因素，使得各種問題層出不窮。本文匯總了幾類常見的問題進行分析。
3.1程控閥故障
變壓吸附（PSA）的運行對于裝置中的幾十個甚至上百個程控閥的可靠性要求是非常高的，這些程控閥中最頻繁的操作次數(shù)可能會達到每年60萬次以上，并且這些程控閥的開度和開啟速度是可調的，在實際的操作中程控閥出現(xiàn)故障造成產品純度或產品氣收率下降是常有的現(xiàn)象，甚至會導致切塔。因此采用成熟可靠的程控閥是整套設備運行平穩(wěn)的重要因素[4]。在某煉廠的實際運行中就出現(xiàn)了程控閥選型錯誤，閥門瞬時全開或全關使得在均壓過程中對吸附劑造成過大的沖擊，對吸附劑造成嚴重的物理破壞。而且經常的動作會不可避免地對閥芯閥桿造成損傷，此類故障經常導致閥門動作不到位，造成產品氣純度不合格，導致產品氣收率下降。因此避免閥桿長期受到外力影響，盡量延長閥門使用壽命是非常關鍵的。在發(fā)現(xiàn)閥門故障后的處置措施也可以盡量減少不必要的損失。導致程控閥故障的因素是多方面的 ：
（1）閥門安裝調試不到位，使得閥桿長期受到外力作用，產生變形，導致動作不到位。
（2）吸附劑粉化，粉塵被氣流帶至閥門密封圈處，對密封圈產生嚴重的磨損，引起閥門內漏[5]。
（3）裝置建設時管道內雜質吹掃不徹底，殘留的焊渣、鐵屑等雜質對閥門密封面產生沖擊，造成閥門密封性能下降。
3.2均壓過程速度過快
均壓過程是一個再生狀態(tài)塔升壓和吸附狀態(tài)塔降壓的復雜步驟，連續(xù)多次均壓降壓、順放、沖洗、再連續(xù)多次均壓升壓[6]，如圖2中的均壓放壓1 ~ 4（E1D，E2D，E3D，E4D）和均壓充壓1 ~ 4（E1R，E2R，E3R，E4R），這個步驟的理想狀態(tài)應該是壓力變化比較平順的，但是實際操作中由于管線口徑，閥門開度等原因經常造成壓力是斷崖式下降或階梯狀上升的不利狀況，如圖3所示。而較快的壓力變化會造成吸附劑不可避免地逐漸粉化，而且高速氣流會帶著粉化后的吸附劑顆?；蚍蹓m對程控閥的密封面進行沖擊，這種損害是不可逆的。
而且這種狀態(tài)在設備運行初期是難以發(fā)現(xiàn)的，有較高的隱蔽性。在我們接觸的一個案例中，由于均壓管線口徑設計的問題，導致流速過快，并且連續(xù)4次均壓放壓、順放、沖洗、再連續(xù)4次均壓
3.3原料氣含腐蝕雜質
變壓吸附（PSA）中對原料氣的含硫量有著比較高的要求，通常情況下要求含硫量不得高于0.01‰，但是不少裝置在運行中發(fā)現(xiàn)吸附塔過濾器及塔頂鐵絲網有過度腐蝕現(xiàn)象，分析其原因是原料氣中含硫量過高，由于生產環(huán)節(jié)的不穩(wěn)定，產生了波動，在前端通過胺洗去除硫化氫時，過高的含硫量無法被完全脫除而夾帶到了原料氣中，且原料氣未經過水洗使得部分銨鹽也被帶到了變壓吸附裝置入口，這些雜質容易對過濾器造成堵塞或對床層產生腐蝕，但是通常情況下可以通過增加前置的洗滌塔對殘余的銨鹽和硫化氫雜質進行預先處理。
3.4解吸氣中含氫量過高
解吸過程是通過逆放過程和沖洗過程使吸附劑中的雜質解吸出來，從而實現(xiàn)吸附劑再生。但是這個過程中是采用產品氫氣（順放氣）對吸附劑進行逆向的沖洗而實現(xiàn)的，如圖2，為了使得吸附劑再生徹底，往往需要較長的時間，這就得損失不少的產品氫，在許多裝置的解吸氣成份分析中，氫含量往往達到40%甚至更高，這就造成了寶貴的氫氣資源的浪費，因此，精確控制逆放過程和沖洗過程的時間是非常關鍵的，時間不充分則吸附劑再生不徹底，時間太長則造成氫氣浪費。目前為了回收解吸氣中的氫，可以在解吸氣管線上增加膜分離的流程，將分離出的氫再送回到原料氣中，參與吸附，提高氫的產量。
4、結束語
了解并掌握變壓吸附（PSA）裝置的影響因素對于改善運行方案是十分必要的，在變壓吸附（PSA）裝置的運行中，經常會有復雜的狀況出現(xiàn)，這對于所有的運行企業(yè)以及裝置制造企業(yè)都會有很多可以借鑒的機會，總結并分析這些問題將會有利于變壓吸附（PSA）裝置更平穩(wěn)的運行。變壓吸附（PSA）制氫裝置在企業(yè)中扮演的角色越來越重要，低能高效的運行將會給企業(yè)帶來更多的效益。
編輯：陳丹 校對：楊東川 審核：楊東川
來源：化工與醫(yī)藥工程，作者：嘉科工程（上海）有限公司 余希立 氫云鏈整理
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