新制氢项目的节能技术改造

2020-03-04梁振涛烟台巨力精细化工股份有限公司山东烟台265200

化工管理 2020年2期

梁振涛(烟台巨力精细化工股份有限公司，山东烟台 265200)

1 项目提出的背景

1.1 设备改造的目标及任务

烟台巨力精细化工股份有限公司现有两套年产2.6万吨的TDI一期生产装置和年产4.5万吨的TDI二期生产装置，经过不断技改，TDI实际产能达9万t/年以上，是国内目前具有自主知识产权的TDI生产装置。为了增强企业的市场竞争能力，适应经济全球化和我国经济结构战略性调整的新形势，公司计划在现有的生产结构中进行优化，提高原料利用率，降低生产成本。首先考虑是从排放气回收方向着手，增加经济效益的同时，又符合国家清洁生产、节能减排、循环利用的产业政策。

1.2 TDI的原料气纯CO和纯H2

TDI生产所需的原料气中包括纯CO和纯H2，CO用于制备光气COCl2，H2用于还原二硝基甲苯制备甲苯二胺，光气与甲苯二胺反应生成甲苯二异氰酸酯TDI。目前CO和H2气体通过变压吸附工艺提纯所得。由造气工段产出的混合气体(水煤气)经过除尘加压、净化、压缩、变换等工艺进入到变压吸附工段，变压吸附工段将水煤气中的CO和H2分离提纯出来供TDI生产。其余杂质气体输送至吹风气回收装置燃烧生产蒸汽，燃烧的这部分气体为变压吸附氢段工序的产生的解吸气，内含大量的H2等有用组分(约25%)，直接输送至吹风气回收装置燃烧过于可惜、浪费，增加了生产成本。

1.3 解吸废气中有效可燃气体

变压吸附氢段工序的解吸废气中有效可燃气体约2265Nm3/h的气量去吹风气回收装置燃烧，燃烧气体中可燃气体含量较高；变压吸附装置程控阀故障出现高压串低压现象时，易造成大量高浓度、高压力的可燃气体输送至吹风气回收系统，存在吹风气系统爆燃超温或燃烧不充分爆炸的风险，对系统操作要求高，安全保障较低。

1.4 回收现有变压吸附氢段解吸气中的氢气

综上考虑，决定改造设备，回收现有变压吸附氢段解吸气中的氢气，以降低去吹风气回收装置的气量，减少其中可燃气体含量，降低装置操作难度，提高装置安全性。同时，能达到降低焦炭消耗，减少二氧化碳排放，节能减排，进而降低生产成本的目的。符合公司坚持“安全第一，环保优先，以人为本”的理念，提高装置科技含量，实现安全优质低耗，向“资源节约型、本质安全型、环境友好型”的现代绿色化工企业迈进。

2 工艺技术的选择

此新制氢项目是对公司现有的两套变压吸附装置氢段排放的解吸气进行回收提纯，以提高氢气收率，项目所需的原料是通过变压吸附氢段提纯氢气后所得解吸气。考虑回收现有PSA提氢解吸气，以降低去吹风气回收装置的气量，减少其中可燃气体含量，降低装置操作难度，提高装置安全性。同时，能达到降低焦炭消耗，减少二氧化碳排放，节能减排，进而降低生产成本的目的。

公司原有的两套变压吸附制CO和H2装置由北大先锋设计改造，效果很好，本新制氢节能环保改造项目仍采用北大先锋科技有限公司独立开发的基于PU-1专用吸附剂基础上的变压吸附专有技术。变压吸附技术(PSA)是近几十年来在工业上新崛起的气体分离技术，其基本原理是利用不同气体组分在固体吸附剂材料上吸附特性的差异，以及吸附剂的吸附容量随吸附质分压的增高而增高、降低而降低的特性，通过周期性的压力变化过程实现气体的分离提纯。

与其它气体分离技术相比，PSA技术有以下特点：

(1)低能耗，PSA工艺所要求的压力一般在0.1～3MPag，一些有压力的气源可省去再次加压的能耗；

(2)常温吸附和解吸，省去了加热、冷却环节，节省了成本；

(3)产品气纯度高，如PSA制氢装置，H2产品气纯度最高可达99.9%以上；

(4)工艺流程简单，可实现多种气体的分离，无需复杂的预处理工序；

(5)装置的运行由计算机控制，自动化程度高，操作方便，启动后短时间内即可获得合格产品；

(6)操作简单，开停车容易；

(7)装置的操作弹性大，稳定程度高，个别的塔、阀门、设备损坏后可采取一定措避免停车，确保装置的连续正常生产。

3 建设规模及产品方案

3.1 建设内容

本项目主要建设内容为PSA提氢尾气回收装置及配套公用工程和辅助设施。PSA提氢尾气回收装置解吸气处理量为9000Nm3/h，包括：新增PSA-H2吸附塔5座，H2真空泵4台，PSA-H2富氢气压缩机2台，压缩厂房、程控阀操作平台；以及利旧设备PSA-H2逆放气缓冲罐1台、PSA-H2顺放气缓冲罐1台、PSA-H2富氢气缓冲罐1台、除油塔1台、制氢解吸气压缩机1台。

3.2 产品方案

本项目产品主要为氢气(H2)。

4 工艺流程及工艺指标

4.1 工艺流程

一、二期变压吸附氢段工序解吸气压力0.01～0.03MPa，气量约9000Nm3/h，经解吸气压缩机B25803加压至0.35MPa，进入除油塔去除油水后进入新制氢工序吸附塔(C25801A～E)，解吸气中CO、CH4、CO2、N2+Ar被吸附在吸附剂内，经逆放及抽真空+冲洗阶段将新的杂质气解吸出来，压力为0.01～0.03MPa，输送至一二期吹风气回收系统燃烧；吸附塔塔顶约1000Nm3/h、压力0.3MPa的富氢气(H2含量≥99%)被分离出来，经富氢气缓冲罐T25801缓冲后，进入富氢气压缩机B25802AB(开1备1)加压至1.5～1.6MPa输送至一期变压吸附氢段工序提取产品氢气。

一期、二期变压吸附氢段工序解吸气经压缩机压缩至0.35 MPa后进入新制氢环保节能改造项目吸附塔，装置采用5塔时序，在一个周期中，每台吸附塔依次经历：吸附、均压降压、顺放、逆放、抽真空+冲洗、均压升压、终充压步骤。每台吸附塔交替进行以上各个步骤的操作，相互匹配、协同操作，使整套装置平稳运行，得到富H2气经压缩至1.60MPa后返回一期变压吸附氢段工序前进行回收利用，被吸附的CO2、CO、N2、CH4通过逆放、冲洗、抽真空的方法解吸，同时使吸附剂得到再生。产生的解吸气分两路，一路去一期吹风气回收，另一路去二期吹风气回收。

本装置利用氧化铝(PU-9)、硅胶(PU-10)、活性炭(PU-11)、5A 分子筛(PU-12)对解吸气中H2、CO2、N2、CO、H2O、H2S、CH4等组分吸附量随压力不同而呈现差异的特征，将CO2、N2、CO、H2O、H2S、CH4吸附在吸附剂中，有效组分H2由塔顶流出分离。图1为工艺流程简图。

4.2 控制工艺指标

4.2.1 变压吸附部分指标：

一、二期变压吸附解吸气压力：3～27kPa，富氢气成分：H2≥99%。

4.2.2 压缩指标

解吸气压缩机入口压力：3～27kPa，解吸气压缩机油压：0.15～0.4MPa，解吸气一、二级排气温度：≤140℃，富氢气压缩机油压：0.15～0.4MPa，富氢压缩机一、二级排气温度：≤120℃。

5 实施情况及节能环保效益

新制氢项目自2018年7月建好运行至今，运行正常，能够满足TDI用气需求。根据生产报表统计2018年度新制氢系统运行167天，新制氢系统共生产富氢气3658574Nm3富氢气，其中氢气含量99.9%；设备运行电机总功率880kWh；同时据生产统计2017年全年消耗焦炭110507t；2018年全年消耗焦炭109311t；2018年减少焦炭消耗1196t。以氢气价格2.288元/Nm3；电0.65元/度；蒸汽92元/t计算，并综合以上数据计算2018年新制氢运行167天共获得直接经济效益： 3658574×85%×2.288-880×0.85×0.65×24×167-92.95×92×167=373.84 万元；间接效益看改造后满足TDI日增产50t TDI的生产用产品CO和H2的量，实现生产装置稳定运行。

本项目减排效果明显。由于本项目降低了原料焦炭的消耗，同时减少了二氧化碳的排放，经测算年可减少4100t二氧化碳排放。同时，由于本项目装置具有很好的缓冲及降低可燃气体浓度的作用，降低了吹风气回收爆燃超温的风险，减少了生产安全隐患。

图1 工艺流程简图

6 存在问题及后期改进措施

变压吸附氢段解吸气由于逆放及抽真空过程压力表现为正弦曲线形式波动，新制氢提纯节能环保改造解吸气压缩机入口压力高压时仍出现新制氢项目产出的解吸气超压现象。为此铺设DN300管道，引新制氢的解吸气至二期吹风气回收解吸气缓冲罐，二期变压吸附解吸气超压开关阀KV25618移至变压吸附气柜区，二期变压吸附气柜区2台解吸气缓冲罐分别作为新解吸气压缩机入口解吸气缓冲罐及吹风气回收燃烧解吸气缓冲罐。

吹风气燃烧炉温度控制750～900℃，需控制进入燃烧炉可燃气体组分，通过控制解吸气压力实现，造成解吸气总管系统近路超压开关阀KV25618、KV9513开关频繁。为此增加新制氢吸附塔冲洗管线，引富氢气对吸附塔吸附剂进行再生，同时再生气调整去吹风气燃烧气可燃气体成分，保证燃烧炉温度，降低开关阀开关频率。

解吸气压缩机、除油塔为利旧设备，进出口存在管道变径，解吸气压缩机出口至吸附塔存在0.05MPa压差，除油塔运行压力微超工作压力。为此更换扩大除油塔进出口管道、阀门为DN300，增设置现场压力表及远传压力表。