左子民
（宁波中金石化有限公司，浙江 宁波315200）
［摘 要］宁波中金石化有限公司煤制氢装置PSA提氢系统有10台吸附塔（吸附塔A～J），运行中存在产品氢气纯度低、程控阀开关异常、程控阀内漏或外漏（必要时需进行手动切塔操作）而需进行置换检修等问题，手动切塔操作过程中易引起系统气量与吸附压力、解吸气压力的波动，影响系统的稳定运行与产品氢气的纯度。基于PSA提氢系统运行特点与相关实际生产经验，就影响生产的典型问题进行分析，并根据不同运行模式下系统运行步序与各吸附塔对应状态的变化，通过对比分析，总结得出可通用的运行模式与分析方法，以便在涉及手动切塔操作时可以直接快速确定吸附塔切出状态，同时指出故障处理时切塔/投塔的操控要点。
［关键词］PSA提氢系统；吸附塔；程控阀；运行问题；运行状态分析；优化改进；投塔/切塔操控要点
［中图分类号］TQ028.1+5 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2024）06-0063-04
0 引 言
变压吸附（简称PSA）广泛应用于氢气提纯领域，PSA提氢系统按照预设程序可实现高度自动化运行，具有一定规律性与强逻辑性，正常运行中较少涉及特殊调整，但当系统运行过程中出现各类无法在线处理的难题时，则不可避免地会涉及手动切塔、投塔操作，此过程中若操作不当，极易引起系统压力与气量大幅波动，影响系统的安全稳定运行。如在PSA提氢系统运行过程中，由于程控阀质量不佳或操作不规范等，易发生程控阀运行故障、程控阀内漏/外漏严重、杂质穿透吸附剂床层等问题，此时需将出现故障的吸附塔切出系统进行相应的检修，检修完成后重新并入系统运行，在切塔、投塔过程中，不可避免地会造成系统气量与压力的明显波动，这就需要在较为合适的运行状态下手动选择需切出检修的吸附塔，或者在吸附塔自动并入系统时进行必要的手动操作干预，以尽可能减小系统压力、气量的波动，进而保障PSA系统的平稳运行。
宁波中金石化有限公司（简称宁波中金）煤制氢装置（粗合成气制氢装置）于2018年12月26日投料试车成功，其主要工艺配置为多喷嘴水煤浆气化（2台气化炉，一开一备，设计气化压力1.9 MPa）、耐硫变换、MDEA脱硫、VPSA脱碳、PSA提氢，得到的氢气送至全厂氢气管网，PSA提氢系统副产的解吸气送至全厂燃料气管网。其中，PSA提氢系统吸附压力1.8 MPa，设计氢气产量108 km3/h，产品氢气纯度≥ 99.95%，产品氢气中杂质组分（N2+Ar）≤ 0.04%、（CO+CO2）≤ 20×10-6、H2O ＜ 50×10-6。
宁波中金PSA提氢系统共有10台吸附塔（吸附塔A～J），正常生产时采用10—3—2模式运行，即10台吸附塔中有3台吸附塔始终处于吸附状态，经过2次均压降、顺放、逆放、冲洗后完成再生，且每2台吸附塔分为一组共用手阀。实际生产中，程控阀填料处常常出现粗氢气外漏情况，导致现场固定式有毒气体（CO）与可燃气体（H2）报警器时常报警，漏量较小时可通过紧固程控阀压盖以实现消漏，但受材料与环境温度、程控阀动作频繁而磨损严重等因素的影响，仅紧固程控阀压盖常常不能有效消除粗氢气外漏，且过度紧固压盖易致程控阀开关过程中阀杆拉伤进而使泄漏量增加，严重影响系统的稳定运行与界区安全；此时，只能将故障程控阀对应的吸附塔通过手动切塔操作进行置换检修才能消除问题，但由于每2台吸附塔共用一组手阀，检修前须将其共用一组手阀的另一台吸附塔同时切出系统，才能完全关闭相关手阀使其与运行系统有效隔离，方可交付检修。切塔操作过程中，PSA提氢系统会由10—3—2模式变为9—2—2、8—2—2模式运行，由于手动切塔操作过程中状态的选择不同，以及检修完成后投塔过程中自动并入系统时同一吸附—解吸周期内（在运）吸附塔数量与被冲洗吸附塔数量发生变化，极易引起系统气量与吸附压力、解吸气压力的波动，从而影响系统的稳定运行与产品氢气的纯度。
为此，基于宁波中金PSA提氢系统运行特点与相关实际生产经验，就影响PSA提氢系统生产的典型问题进行分析，并根据不同运行模式下系统运行步序与各吸附塔对应状态的变化，通过对比分析，总结得出可通用的运行模式与分析方法，以便在涉及手动切塔操作时可以直接快速确定吸附塔切出状态，同时指出故障处理时切塔/投塔的操控要点。
1 PSA提氢系统工艺流程简介
来自粗氢气压缩机的脱碳后的粗氢气，经PSA提氢系统原料气预处理罐后，从底部进入处于吸附状态的吸附塔内，合格的产品氢气从吸附塔顶部经压力调节阀稳压后并入宁波中金氢气管网；达到吸附预设时间的吸附塔停止吸附，经均压降与顺放，充分利用吸附塔顶部剩余的合格氢气后，转入脱附再生过程，同时其他再生结束的吸附塔充压完成后转入吸附状态。10—3—2运行模式下单台吸附塔一个完整运行周期为，吸附（A）→一均降（E1D）→二均降（E2D）→顺放（PP）→逆放（D）→冲洗（P）→二均升（E2R）→一均升（E1R）→终升（FR）→吸附（A）。解吸气系统采用两级缓冲工艺，其中，逆放时的解吸气由于压力较高进入解吸气缓冲罐，冲洗过程中压力较低的解吸气进入解吸气混合罐，解吸气缓冲罐+解吸气混合罐内的解吸气最后经解吸气压缩机加压至0.45 MPa后并入宁波中金燃料气管网。PSA提氢系统内配置1台顺放气缓冲罐，可以在保证同样再生时间的前提下缩短顺放时间，并通过冲洗压力调节阀稳定再生过程中的冲洗压力以延长冲洗时间，使吸附塔具有更好的再生效果，保障再生单元运行过程更稳定，使产品收率更高。
2 PSA提氢系统生产中的典型问题
1）产品氢气纯度降低。PSA提氢系统原料气组分发生明显变化，尤其是原料气中N2与Ar含量超标时，由于吸附塔内的吸附剂对N2与Ar几乎无吸附作用，会直接导致产品氢气纯度降低，造成产品氢气质量不合格，且产品氢气纯度不合格会极大影响吸附塔的再生效果，使处于再生状态的吸附塔内的吸附剂在冲洗与均升、终升过程中受到一定程度的污染，形成产品氢气纯度不合格的恶性循环。当上游系统工艺气中N2与Ar含量超标时，在满足PSA提氢系统再生与均压到位的前提下，须适当缩短吸附时间，尽可能缩短吸附周期，提高产品氢气纯度。此举在系统负荷较低时效果明显，当系统负荷较高时仅缩短吸附时间并不能有效提升氢气纯度，还需尽快使原料气各组分合格，才能保障系统平稳运行。
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