氢回收技术改造探讨

2020-07-01穆正德邹宝用

云南化工 2020年6期

穆正德，邹宝用

（云南云天化股份有限公司红磷分公司，云南开远 661100）

工业上氢回收装置可分为二步：第一步为尾气预处理，第二步回收尾气中的氢。我厂原造气工艺采用焦碳制气，原采用1200m3/h的氢回收装置（渗透膜回收法），提氢后的放空尾气送无动力氨回收装置作动力，进行氨回收后放空气。随着近几年焦炭价格的攀升，2012年底红磷分公司实施原料路线及合成氨装置优化改造项目完成后，合成系统的放空量随之上升。1200 m3/h氢回收装置不能有效平衡合成系统惰性气体含量，造成部分有效气体直接放空，2013年对合成氨装置氢回收处理能力进行提升改造。

1 改造情况

2013年1月28日和2013年3月13日分别对合成氨系统气体进行取样色谱分析，结果见表1。

表1 合成氨气体色谱分析结果

从表1可看出，全烧煤棒后合成循环气中惰性气体含量达到20.7%。现有氢回收装置已满负荷运行，当压缩一入半水煤气流量达37000m3/h时，氢回收装置处理气流量1400 m3/h左右，合成系统压力控制30.8MPa，合成系统仍需开塔前放空阀进行放空，造成有效气体的浪费，污染环境，只能减负荷生产。

1.1 氢回收装置计算及选型

1.1.1 合成放空气量的计算

按合成氨装置半水煤气为40000m3/h满负荷生产时计算，通过变压吸附脱碳、精炼后进合成岗位的新鲜气量约为34960 m3（标），放空气中惰性气含量为20.7%，补充气中惰性气体含量为2%计算［2］：

V放空气＝V新鲜×（I新鲜/I放空）＝34960×2÷20.7

＝3378 m3

1.1.2 氢回收装置进出口管道的核算

1）新增一套处理能力2400 m3/h的膜分离氢回收装置。氢回收系统处理达3600 m3/h，合成系统放空至氢回收系统管径计算，按合成系统放空压力31MPa，气体流量（标准状况）：3600 m3/h，气体温度 40℃计算［1］：

V1＝P0V0/T0*T1/P1

＝（0.101325×3600）/273.15×（273.15+40）/31

＝13.5 m3/h

QV＝13.5m3/h

根据HG/T 20570-95标准，氢氮混合气流速为5～10 m/s，所以取 u＝10 m/s。

d2＝QV/0.785u

＝（13.5÷3600）/0.785×10＝0.0004777

d＝22mm

目前合成系统放空至氢回收系统管径为Φ35×9，管径为15mm，不能满足改造后处理气量的要求，所以要选用规格为Φ43×10，内径为25 mm高压无缝管，才满足氢回收装置提升改造后的需求。因此，气体在管内实际操作流速为：

U ＝QV/0.785d2

＝13.5/0.785×（0.025）2×3600

＝7.6m/s

氢回收系统进口管改为规格为Φ43×10的高压无缝管，气体在管内实际操作流速为u＝7.6m/s，符合国家HG/T 20570-95标准，氢氮混合气流速为5～10 m/s。

2）氢回收装置氢气回收总管管径计算

氢回收装置处理能力3600m3/h，处理气中H2含量约为56%，装置氢气回收率≥92%，则氢回收装置氢气回收量为1854.72m3/h，压力设计为0.8 MPa，气体温度按40℃计算：

V1＝P0V0/T0*T1/P1

＝（0.101325×1854.721954.08）/273.15×（273.15+40）/0.8

＝269.31m3/h

即 QV＝269.31m3/h

根据HG/T 20570-95标准，氢气流速为8m/s，所以取 u＝8m/s， d2＝QV/0.785u

＝（269.31÷3600）/（0.785×8）＝0.01191

d＝109mm

查无缝管规格表，选用Φ133×4.5，内径为125mm的无缝钢管，才满足氢回收装置提升改造后的需求［3］。因此，气体在管内实际操作流速为：

U＝qV/0.785d2

＝269.31÷｛0.785×（0.125）2×3600｝

＝6.1m/s

经过计算，氢回收装置氢气回收总管管径规格选用Φ133×4.5的无缝管，此时管道内气体流速为6.1 m/s。符合国家HG/T 20570-95标准，氢气流速为8m/s。

1.2 方案的选择及改造流程

根据对合成系统放空气的计算，拟新增一套由两个1200m3/h的膜分离器并联组成，处理能力为2400 m3/h的氢回收装置，满足合成氨装置全烧煤棒工况的需要（改造前后工艺流程见图1、图2）。氢回收装置总处理能力3600m3/h，装置主要技术指标为：净氨后气体（原料气）氨含量≤10mg/kg，产品氢气纯度≥92%，压力≥0.8MPa，氢气回收率≥92%，尾气送无动力氨回收装置压力≥2.0MPa。