PSA氢提纯系统的应用与故障分析

冯多学，周伟民

（大连石化公司，辽宁 大连 116031）

变压吸附（PSA）技术是通过改变吸附罐压力对来料气进行分离，同时自身吸附剂也可实现吸附与再生，单元整体自动化程度高，处理量大，再生速度快，操作稳定，能耗低，易于控制，并且对于来料组分复杂的气体可一次性脱除杂质，获得高质量产品，目前已成为一种成熟的多组分气体分离技术。

大连石化公司20 万Nm3·h-1制氢装置PSA 氢提纯系统目前已投产多年，整体运行稳定，但也出现过产品氢压力波动、程控阀门频繁故障等异常事件，现就具体情况进行如下分析。

1 PSA 氢提纯的原理

变压吸附氢提纯工艺过程之所以得以实现是由于吸附剂在这种物理吸附中所具有的两个性质：一是对不同组分的吸附能力不同，二是吸附质在吸附剂上的吸附容量随吸附质的分压上升而增加，随吸附温度的上升而下降。利用吸附剂的第一个性质，可实现对含氢气源中杂质组分的优先吸附而使氢气得以提纯；利用吸附剂的第二个性质，可实现吸附剂在低温、高压下吸附而在高温、低压下解吸再生，从而构成吸附剂的吸附与再生循环，达到连续分离提纯氢气的目的。正是吸附剂所具有的这种吸附杂质组分的能力远强于吸附氢气能力的特性，才可以将混合气体中的氢气提纯。吸附剂对各种气体的吸附性能主要是通过实验测定的吸附等温线来评价的。

通常采用不同温度下的吸附等温线来描述这一关系，如图1 所示。从图1 的 B→C 和 A→D 可以看出，在压力一定时，随着温度的升高吸附容量逐渐减小。吸附剂的这段特性正是变温吸附（TSA）工艺所利用的特性。从图1 的 B→A 可以看出，在温度一定时，随着压力的升高吸附容量逐渐增大。变压吸附过程正是利用图1 中吸附剂在 A-B 段的特性来实现吸附与解吸的。吸附剂在常温高压（A点）下大量吸附原料气中除氢以外的杂质组分，然后降低杂质的分压（B 点）使各种杂质得以解吸。

图1 不同温度下的吸附等温线

2 PSA 系统工艺流程简述

我公司PSA 系统采用十塔操作，共设置10 个吸附塔，正常运行时2 个执行吸附程序，8 个执行再生程序，系统程序设置13 个步骤：吸附→一次均压降→二次均压降→三次均压降→四次均压降→顺放→逆放→冲洗→四次均压升→三次均压升→二次均压升→一次均压升→系统终升。正常运行模式采用10-2-4 模式，即10 塔运行，2 塔吸附，4 次均压。此外，当某个吸附塔出现程控阀门状态报警并引起测量压力与系统标准压力不一致时，将启动自动切塔，切除塔停止吸附并隔离，9 塔在线运行实现9-2-3模式，工作状态步序如表1 所示。

表1 工作状态步序表

3 PSA出现问题的原因分析及应对措施

3.1 PSA 系统频繁切塔事件

2018年12月27日6 时50 分开始，制氢装置PSA 单元频繁出现切塔情况，造成氢网压力降低，加氢装置降量配合氢网调整，至18 时20 分恢复正常生产，加氢装置逐步恢复加工量。

表2 切塔频次顺序表

3.2 原因分析

1）液压油系统存水，低温形成冰渣堵塞电磁阀导致切塔。2018年7月末液压油油冷器泄漏，循环水进入油系统。2018年7月26日，装置发现PSA液压油箱液位上涨，判定原因是PSA 液压油站冷却器泄漏，0.3 MPa 循环水漏至液压油箱中。装置对油样分析，有明水存在。至9月中旬，装置通过“排回油加新油”的方式，累计置换新油40 余桶，用于置换系统内存水。至9月17日采样分析为痕迹后，停止换油；同年12月27日最低气温降至-14 ℃，液压油系统水解析形成冰渣，堵塞电磁阀导致程控阀无法正常开关，PSA 频繁出现切塔。

表3 8月3日PSA 油采样分析表

表4 8月6日PSA 油采样分析表

表5 9月17日PSA 油采样分析表

2）对微量水的冻凝后果估计不足，措施不到位。9月17日分析液压油中水含量为痕迹后，意识到系统内存水可能造成的防冻凝影响，并通过PSA 油站油箱顶部增加蒸汽伴热的方法提高油温，但未考虑到供油总线裸管的降温会导致微量水形成冰渣，卡涩电磁阀。12月27日出现问题后装置加采油样，水含量仍然为痕迹，证实微量水仍会对系统造成严重影响。

表6 12月27日PSA 油采样分析表

3.3 解决措施

出现切塔问题后，装置从“除水、提油温”两方面处理，一方面对系统内的液压油继续置换，继续降低油系统内的水含量，从根本上解决问题；另一方面提高油温，对供油主线加装蒸汽伴热胶带，加包保温，并设置挡风棚提高环境温度，措施落实后，PSA 运行正常，未出现切塔事件。

图3 上油主线蒸汽带伴热，加包保温

图4 设置挡风棚，提高环境温度

3.4 预防措施

3.4.1 更换冷却器形式

计划询问PSA厂家及其他炼厂PSA液压油油冷器形式，条件允许可更换为空气冷却等形式，从本质上避免水与油的接触。

3.4.2 油路增加保温或伴热

因地理位置影响，为杜绝冬季油路温度低造成的切塔事件发生，计划对PSA 油线增加保温或者伴热，提高液压油循环温度，保证生产正常。

4 PSA 切塔经济性分析

大连石化公司氢网氢气来源主要为PSA氢提纯单元，在切塔的同时，不但会影响到装置的平稳运行，也会对氢气管网压力造成较大晃动，影响加氢装置正常的氢气需求。按照10 塔切至9 塔为例，因9 塔运行时执行9-2-3 程序，减少一个均压升降的过程，部分氢气无法得到有效回收，即随尾气进入转化炉作为燃料燃烧。按照10 万Nm3·h-1制氢装置在70%负荷下，尾气量为39 000 Nm3·h-1运行数据计算，2020年4月装置9 塔运行时尾气氢体积分数数据如表7 所示。

表7 2020年4月PSA 尾气氢体积分数分析表

同年7月，PSA 单元恢复10 塔运行后，尾气氢体积分数数据如表8 所示。

表8 2020年7月PSA 尾气氢体积分数分析表

从表7、表8 数据可知，在70%负荷下尾气流量为39 000 Nm3·h-1，节省4 414 Nm3·h-1氢气，在保证10 塔在线运行情况下，每月可节省268 万元。

5 结束语

PSA 氢提纯单元阀门数量大，动作次数多，阀门内漏、液压油管路堵塞、阀检偏差、压差产生振动等问题持续困扰单元的平稳运行，接下来装置也会重点关注以上问题，制定应急预案，为氢网稳定供氢。