武楷淳

摘 要：本文对PSA-H技术的原理与特点进行分析，并通过案例分析的方式，介绍了该项技术的工艺流程、装置规格与吸附剂选择，并对吸附装置的生产与运行情况进行分析，阐述该项技术在合成氨厂的应用方法与效果。通过PSA-H技术的应用，使装置氢气回收率达到87%、氢气纯度达99.999%，与技术要求充分符合，运行效果良好。

关键词：PSA-H技术;合成氨;应用方法

0 引言

PSA-H技术属于气体净化提纯技术的一种，随着该技术理论层面的不断完善，可对CO、CO2、CH4以及烃类有机气体进行净化提纯，被广泛应用到电子、化工、冶金、国防等多个领域中，使工业生产效率得到显著提升。

1 PSA-H技术原理与特点

该原理为利用吸附剂对气体中各组分的吸附容量与压力变化呈现差异特点，在选择性吸附状态下，通过增加压力的方式对原料中的CO、CO2与CH4等强吸附组分进行吸附，而弱吸附组分H2则从吸附塔出口排出，再通过减压冲洗吸附的CO、CO2与CH4，使吸附剂得以再生。原理如下图1所示。

该项技术的特点如下：首先，具有较强的压力适应性，变压吸附对压力的要求通常在0-2.98MPa之间，允许压力变化的范围较宽，大部分气源压力均可满足这一要求，进而减少二次加压的能耗;其次，自动化程度较高，该技术通过计算机控制实现全自动操作，工艺流程较为完善，人员配置数量较少，基本可实现无人值班;第三，生产时只需增加少量吸附塔与程控阀，便可使产量成倍增加，且生产过程中无“三废”产生，具有较强的节能环保特点[1]。

2 PSA-H技术在合成氨厂的应用方法

2.1 工程概述低温甲醇洗工段

某氮肥厂原本焦炉煤气每年产量为16万t合成氨与28万t尿素，但因该厂所处区域的焦炉煤气较为丰富，为利用剩余的煤气，需要对生产工艺进行优化，使能源消耗量降低，促进经济效益提升，因此对原本装置进行综合利用和挖潜改造。采用低温甲醇洗装置来的原料气，利用PSA-H技术构建新的煤气变压吸附制氢装置、合成氨系统，并引入一系列设备，如压缩机、合成塔、脱硫塔等等，使每年合成氨产量增加4.5万t、尿素增加8.63万t。在PSA技术应用下，提氢装置的生产纯度达到99.999%，并将氢气供合成氨用氢，自从投入生产以来，运行效果始终良好。

2.2 工序应用

采用低温甲醇洗装置来的原料气，经过PSA吸附塔提纯后，进入一、二级精脱硫塔中进行深度脱硫、脱氧，最终产出合格氢气，使S的数值低于5ppb，CO小于5ppm，CO2低于10ppm，氢气纯度达到99.9%，外送己内酰胺、苯加氢和双氧水等车间使用。同时，对解析气体利用压缩机进行压缩。

2.2.1 粗脱模块

該环节主要包括三台粗脱塔，其中两台投入使用，一台为备用;也可以根据实际情况只投入一台使用，剩余两台备用;在必要的情况下也可将三台全部投入到粗脱塔运行之中。工艺流程为：将源于外界的压力为20kPa的煤气从塔底输入粗脱塔之中，有两台为杂质状态，剩余一台为再生状态，三者可以交替工作，使焦炉煤气得到初步净化。

2.2.2 变压吸附

采用10个吸附塔，1个冲洗气缓冲罐，1台解析气缓冲罐，1台混合罐与调节阀、程控阀。在工作过程中，包括吸附、均压、顺逆放、冲洗与升压等流程，在该工艺中采用10-2-5/p时序，也就是利用10个吸附塔，2个在线吸附与5次均压完成该项流程。

2.2.3 精脱硫工艺

将变压吸附生产出的中间产品气，采用热工艺气体换热后，投入到加热器中使温度提高到210±10℃，在投入到第一级铜催化剂脱硫系统中，使原料中的硫化物被有效剔除，硫含量达到ppb级别。经过深度脱硫后，使原料气的温度保持在130±5℃，直接开始二级脱硫，使微量残渣被剔除，气体中的硫含量低于0.1ppb。在二级脱硫后，产品气与中间产品气换热处理，再用冷却器冷却，使温度达到40℃，送出界区。

2.2.4 氢气提纯

该项环节包括脱硫和脱氧两项内容，在脱硫工序中，经过PSA-H技术应用后，煤气中硫物质被彻底脱除干净，但为了有效延续催化剂使用寿命，可在PSA-H技术完成后设置脱硫工序。在该工序中，主要包括两台精脱硫塔、两个手动阀门，脱硫塔处于并联状态，支持交替运行，当其中一台投入运行后，另外一台可作为脱硫剂备用。在本次工序中，以活性炭作为精脱硫剂，可将氢气中的有机/无机硫有效去除。在脱氧工序中，从PSA工序或者脱硫工序中的氢气脱除率低于1ppm，在压力为1.9MPa，温度为35℃的环境下，氢气可进入到常温脱氧塔内部，并在装填常温Ba催化剂的作用下，氧与氢共同反应后可生成水，利用冷却器冷却后实现气液分离[2]。

2.3 运行效果

采用上述工艺流程进行操作，在PSA-H技术应用下，当前装置产氢的瞬时流量均值为12800Nm3/h，氢气回收率可达87%，与设计要求相比超过86%。在产品氢气纯度方面，可达99.999%，其中氢气中各成份含量如下表1所示。与技术要求不超过10ppm相比较低，说明运行效果良好。

3 结论

综上所述，PSA-H技术具有运行稳定、吸附容量大、抗压强度高等特点，可促进合成氨厂整体运行效率提升。在后续发展中，还要注意吸附剂易被污染的缺陷，定期检测运行成果，及时更换填料，使吸附剂能够长久运行。

参考文献：

[1]娄军泽.焦炉煤气变压吸附提氢工艺在合成氨中的应用[J].中国科技纵横，2019，000（016）：75-76.

[2]王瑾，刘志敏.PSA工艺制氢装置在合成氨厂的应用[J].节能，2019，000（010）：26-28.