制氫裝置PSA程控閥內(nèi)漏原因分析及對(duì)策
PSA單元是制氫裝置中提純氫氣的重要組成部分，中國(guó)石油化工股份有限公司洛陽分公司制氫裝置PSA單元在2011年運(yùn)行過程中逐步出現(xiàn)解吸氣中氫氣含量高，PSA運(yùn)行壓力曲線異常，判斷為多個(gè)程控閥內(nèi)漏，造成PSA收率下降。經(jīng)過停工檢修發(fā)現(xiàn)，吸附塔頂頭蓋出口管線的收集器底蓋脫落，上部吸附劑跑到管線里，氣體流動(dòng)和程控閥的頻繁開關(guān)使得吸附劑粉化，對(duì)程控閥密封面造成磨損，使得程控閥內(nèi)漏。
中國(guó)石油化工股份有限公司洛陽分公司制氫裝置公稱能力為40dam3/h工業(yè)氫，采用輕烴水蒸氣制氫技術(shù)，年開工時(shí)數(shù)為8400h，生產(chǎn)純氫30.2kt/a。制氫裝置由原料加氫脫硫、水蒸氣轉(zhuǎn)化、中溫變換、PSA氫氣提純及余熱回收系統(tǒng)五部分組成。其中PSA氫氣提純部分是由成都華西化工科技股份有限公司設(shè)計(jì)，加工量為40dam3/h。制氫裝置于2009年5月19日一次開車成功，生產(chǎn)出純度為99.9%的工業(yè)氫。根據(jù)氫氣管網(wǎng)的要求，制氫裝置經(jīng)歷了9開8停。特別是自2011年9月檢修以后，制氫裝置長(zhǎng)期以來產(chǎn)氫量在8～12dam3/h，相當(dāng)于設(shè)計(jì)負(fù)荷的25%左右，操作難度較大。
1、PSA工藝簡(jiǎn)介
變壓吸附提純系統(tǒng)(PSA)是保證產(chǎn)品氫純度合格的重要組成部分，一旦PSA單元出現(xiàn)問題，產(chǎn)品氫純度將無法滿足用氫單位的生產(chǎn)要求，甚至?xí)驗(yàn)楫a(chǎn)品氫中存有二氧化碳對(duì)下游用氫單位反應(yīng)催化劑造成不利影響。
1.1、變壓吸附原理
吸附是指：當(dāng)兩種相態(tài)不同的物質(zhì)接觸時(shí)，其中密度較低物質(zhì)的分子在密度較高的物質(zhì)表面被富集的現(xiàn)象和過程。具有吸附作用的物質(zhì)被稱為吸附劑，被吸附的物質(zhì)稱為吸附質(zhì)。
PSA氫提純工藝過程之所以得以實(shí)現(xiàn)是由于吸附劑在物理吸附中所具有的兩個(gè)性質(zhì)：一是對(duì)不同組分的吸附能力不同，二是吸附質(zhì)在吸附劑上的吸附容量隨吸附質(zhì)的分壓上升而增加，隨吸附溫度的上升而下降。利用吸附劑的第一個(gè)性質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)含氫氣源中雜質(zhì)組分的優(yōu)先吸附而使氫氣得以提純;利用吸附劑的第二個(gè)性質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)吸附劑在低溫、高壓下吸附而在高溫、低壓下解吸再生，從而構(gòu)成吸附劑的吸附與再生循環(huán)，達(dá)到連續(xù)分離提純氫氣的目的。
吸附平衡是指在一定的溫度和壓力下，吸附劑與吸附質(zhì)充分接觸，最后吸附質(zhì)在兩相中的分布達(dá)到平衡的過程。在實(shí)際的吸附過程中，吸附質(zhì)分子會(huì)不斷地碰撞吸附劑表面并被吸附劑表面的分子引力束縛在吸附相中;同時(shí)吸附相中的吸附質(zhì)分子又會(huì)不斷地從吸附劑分子或其它吸附質(zhì)分子得到能量，從而克服分子引力離開吸附相;當(dāng)一定時(shí)間內(nèi)進(jìn)入吸附相的分子數(shù)和離開吸附相的分子數(shù)相等時(shí)，吸附過程就達(dá)到了平衡。在一定的溫度和壓力下，對(duì)于相同的吸附劑和吸附質(zhì)，該動(dòng)態(tài)平衡吸附量是一個(gè)定值。
在壓力高時(shí)，由于單位時(shí)間內(nèi)撞擊到吸附劑表面的氣體分子數(shù)多，因而壓力越高動(dòng)態(tài)平衡吸附容量也就越大。用不同溫度下的吸附等溫線來描述(見圖1)。
圖1 吸附等溫線
從圖1的B→A可以看出：在溫度一定時(shí)，隨著壓力的升高吸附容量逐漸增大。變壓吸附過程正是利用上圖中吸附劑在A-B段的特性來實(shí)現(xiàn)吸附與解吸的。吸附劑在常溫高壓(即A點(diǎn))下大量吸附原料氣中除氫以外的雜質(zhì)組分，然后降低雜質(zhì)的分壓(到B點(diǎn))使各種雜質(zhì)得以解吸。
1.2、PSA單元工藝簡(jiǎn)介
制氫裝置PSA單元由10臺(tái)吸附塔、2臺(tái)順放罐、1臺(tái)解吸氣緩沖罐、1臺(tái)解吸氣混合罐，83個(gè)程控閥及1臺(tái)液壓泵站構(gòu)成。產(chǎn)出產(chǎn)品氫外送至管網(wǎng)，解吸氣送至轉(zhuǎn)化爐作為燃料氣一部分燒掉。整個(gè)吸附提純過程是通過程序設(shè)計(jì)控制83個(gè)程控閥自動(dòng)開關(guān)來實(shí)現(xiàn)的，采用10-2-4流程設(shè)計(jì)，即在一個(gè)吸附周期內(nèi)，2塔同時(shí)吸附，吸附過程包括4次連續(xù)均壓回收氫氣過程，逆放、沖洗再生過程。單獨(dú)對(duì)于一個(gè)吸附塔，共有10個(gè)程控閥，通過程控閥的開關(guān)變化，完成吸附、一均降、二均降、三均降、四均降、順放、逆放、沖洗、四均升、三均升、二均升、一均升、產(chǎn)品氫終升共13個(gè)工藝步序，圖2為單獨(dú)一個(gè)吸附塔的程控閥控制圖。
2、存在問題及現(xiàn)象
在運(yùn)行的過程中發(fā)現(xiàn)PSA單元存在部分程控閥內(nèi)漏現(xiàn)象，在吸附過程中部分氫氣通過內(nèi)漏的程控閥竄入解吸氣中，造成解吸氣流量組分發(fā)生大幅變化。當(dāng)解吸氣進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐后引起爐膛溫度隨著解吸氣的流量組分變化而波動(dòng)。出現(xiàn)了以下4種現(xiàn)象。
2.1、轉(zhuǎn)化爐爐膛溫度波動(dòng)大幅增加
轉(zhuǎn)化爐爐膛溫度波動(dòng)范圍由檢修前的20℃左右，增加到最大100℃左右，同時(shí)導(dǎo)致轉(zhuǎn)化爐出口溫度控制難度增加。
2.2、解吸氣壓力流量變化異常
程控閥內(nèi)漏的個(gè)別吸附塔在沖洗解吸過程中解吸氣流量偏大。在產(chǎn)氫量10dam3/h負(fù)荷下，解吸氣量由原來的平均流量5dam3/h增加到8dam3/h左右。
圖2 吸附塔程控閥控制圖
2.3、PSA吸附曲線不正常
程控閥內(nèi)漏的個(gè)別吸附塔壓力均平的過程中，壓力會(huì)出現(xiàn)升高或者下降變化。造成吸附劑吸附再生效果不佳。
2.4、解吸氣中的氫氣含量偏高
相同負(fù)荷下延長(zhǎng)吸附時(shí)間仍無法降低解吸氣中的氫氣含量�；�(yàn)分析顯示解吸氣中的氫氣體積分?jǐn)?shù)由原來的45%以下已經(jīng)增加至70%左右，造成氫氣回收率下降。
3、程控閥內(nèi)漏的危害及原因
由于制氫裝置處于低負(fù)荷運(yùn)行，產(chǎn)氫8～10dam3/h，轉(zhuǎn)化爐出口溫度控制在650℃左右，原料氣進(jìn)爐量維持在2.5～4.5dam3/h，進(jìn)料偏低，程控閥內(nèi)漏帶來的危害顯得更加突出。
3.1、制氫裝置加工成本增加
解吸氣中氫氣含量過高，會(huì)造成PSA氫氣回收率低。生產(chǎn)出來的部分氫氣隨著解吸氣進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐燒掉了，不僅造成加工損失的增加，也增加了加工成本。
3.2、解吸氣火嘴難以控制
當(dāng)有內(nèi)漏程控閥的吸附塔處于沖洗、逆放的低壓過程時(shí)，處于高壓的吸附塔中的氫氣通過內(nèi)漏的程控閥進(jìn)入到低壓的吸附塔，隨著沖洗、逆放等過程進(jìn)入到解吸氣中，此時(shí)解吸氣中氫氣含量高，流量偏大;當(dāng)沒有內(nèi)漏的程控閥的吸附塔處于沖洗、逆放的低壓過程時(shí)，處于高壓的吸附塔中的氫氣不會(huì)進(jìn)入到低壓的吸附塔中，此時(shí)解吸氣中的氫氣含量低，流量正常。結(jié)果造成解吸氣的組分流量是不斷變化的。當(dāng)組分流量不斷變化的解吸氣作為燃料進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐，造成火嘴火焰難以控制，火焰有時(shí)過長(zhǎng)，直撲爐管，對(duì)爐管壽命造成較大危害，同時(shí)也造成爐膛溫度大幅變化。
轉(zhuǎn)化爐是制氫裝置的核心設(shè)備，它為制氫所有的反應(yīng)器提供熱源，而3.5MPa汽包的產(chǎn)汽與其對(duì)流段和出口的廢熱鍋爐溫度有關(guān)。轉(zhuǎn)化爐膛溫度的大幅波動(dòng)必然引起裝置反應(yīng)器溫度的變化和水氣系統(tǒng)產(chǎn)汽量變化。汽包所產(chǎn)蒸汽進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐后流量頻繁波動(dòng)，反過來又影響爐膛溫度變化，長(zhǎng)此以往對(duì)轉(zhuǎn)化爐爐管及轉(zhuǎn)化催化劑的使用壽命也將會(huì)造成較大影響。
3.3、原因分析
2012年5月份PSA單元進(jìn)行了停工檢修，發(fā)現(xiàn)了程控閥泄漏的根本原因是：吸附塔A塔頭蓋出口管線的收集器底蓋脫落，該塔中的吸附劑跑損進(jìn)入管道后，粉化的吸附劑磨損程控閥密封件及閥座，造成密封不嚴(yán)引起程控閥泄漏(見圖3)。
圖3 內(nèi)漏程控閥磨損后的密封面
在檢修的過程中打開PSA單元的A塔頭蓋時(shí)發(fā)現(xiàn)其出口管線的收集器底蓋脫落。對(duì)于單獨(dú)一個(gè)吸附塔在吸附周期內(nèi)，處于吸附、均降步驟時(shí)，原料氣從底部1號(hào)進(jìn)氣閥進(jìn)來，頂部排出;而處于均升、沖洗、逆放步驟時(shí)，氣體從頂部進(jìn)來，底部排出。底蓋長(zhǎng)期承受著兩個(gè)相反方向，交替反復(fù)作用力。由于A塔收集器底蓋相對(duì)于其他吸附塔收集器底蓋存在焊接缺陷，沒有進(jìn)行雙面焊接，正常生產(chǎn)磨損后的吸附劑粉塵吸附在收集器絲網(wǎng)表面，增加了吸附塔的壓差，A塔收集器底蓋在長(zhǎng)時(shí)間的疲勞受力作用下造成脫落。
由于底蓋脫落造成A塔中的吸附劑直接進(jìn)入PSA單元?dú)庀喙芟抵校琍SA單元在運(yùn)行過程中吸附劑來回流竄磨損粉化，對(duì)程控閥密封件造成磨損引起程控閥內(nèi)漏。
PSA單元均壓時(shí)間過短，均壓是PSA循環(huán)過程的一個(gè)工藝步驟，均壓時(shí)間過短會(huì)造成均壓速度過快，使得吸附劑床層的松動(dòng)和壓碎，造成吸附劑粉化，影響吸附劑使用壽命。
4、措施
4.1、加固吸附塔頂收集器底蓋
根據(jù)吸附塔塔頂收集器底蓋的受力情況，為避免出現(xiàn)再次脫落，對(duì)10個(gè)吸附塔頂蓋焊接加固，并采用“十字加強(qiáng)筋”進(jìn)行加固。
4.2、更換PSA單元程控閥密封件
根據(jù)PSA壓力曲線分析，發(fā)現(xiàn)內(nèi)漏嚴(yán)重的程控閥集中在3號(hào)、4號(hào)、6號(hào)。利用檢修期間對(duì)32個(gè)程控閥密封件進(jìn)行更換，并進(jìn)行打壓實(shí)驗(yàn)，確保更換的程控閥無內(nèi)漏現(xiàn)象發(fā)生。
4.3、更換粉化的吸附劑
在檢修期間發(fā)現(xiàn)吸附塔頂部吸附劑粉化嚴(yán)重，聯(lián)系廠家送劑，對(duì)頂部吸附劑HX5A-98H進(jìn)行更換，共計(jì)43.65t。同時(shí)利用裝卸劑期間對(duì)PSA單元管線進(jìn)行氮?dú)獯祾�，將粉化的吸附劑吹掃干凈，避免管線存有的吸附劑粉末對(duì)程控閥密封面再次造成磨損。
4.4、控制均壓速度
吸附劑的好壞是決定PSA操作性能的關(guān)系因素。PSA吸附劑的物理特性要求床層升、降壓的速度不能過快，如果升、降壓速度過快，就能造成吸附劑床層的浮動(dòng)和壓碎。不僅危害吸附劑的使用壽命，使吸附性能下降，影響氫純度和收率，而且壓碎的吸附劑粉塵能使吸附塔的阻力降增加，漏出的粉塵還可能損壞工藝閥門的閥座而導(dǎo)致PSA單元操作狀態(tài)惡劣。因此，均壓速度過快是影響吸附劑使用壽命和PSA單元操作性能的重要因素。本次在均壓的閥門后增加限流孔板降低其均壓速度，使其由以前的8s增加到目前的17s。
4.5、調(diào)整吸附時(shí)間
吸附時(shí)間是PSA單元的主要操作參數(shù)，裝置運(yùn)行過程中操作人員根據(jù)進(jìn)料流量和組分或特殊需要通過調(diào)整吸附時(shí)間，以達(dá)到產(chǎn)品純度要求并獲得高的氫氣收率。根據(jù)分公司間歇生產(chǎn)國(guó)Ⅲ柴油時(shí)耗氫增加的特點(diǎn)，期間制氫裝置產(chǎn)氫量由10dam3/h增加到13dam3/h。在升降負(fù)荷過程中，為滿足產(chǎn)品氫純度和氫氣收率，需要及時(shí)調(diào)整吸附時(shí)間。但調(diào)整過程中不易過快，每吸附周期增減10s為宜，避免因吸附時(shí)間調(diào)整跨度過大，造成順放降壓速度過快，沖擊程控閥密封面。
4.6、增加均壓時(shí)間記錄
操作人員掌握PSA單元運(yùn)行規(guī)律，做好記錄。在記錄中增加均壓時(shí)間的記錄，將均壓時(shí)間顯示到DCS畫面中，定期查看均壓時(shí)間，發(fā)現(xiàn)問題及早解決。同時(shí)定期調(diào)出PSA單元壓力曲線與設(shè)計(jì)曲線對(duì)照分析，正確推斷原因，及時(shí)糾正偏差，杜絕不良工況長(zhǎng)期存在。
4.7、提高儀表控制設(shè)備調(diào)校的質(zhì)量和時(shí)效
PSA單元的程控閥在生產(chǎn)過程中開關(guān)頻率非常高，其中開關(guān)最頻繁的程控閥每年開關(guān)次數(shù)可達(dá)50萬次以上，因而程控閥是PSA單元中最容易出故障的部分。在生產(chǎn)過程中程控閥報(bào)警次數(shù)較多，班組加強(qiáng)與儀表聯(lián)系，定期對(duì)電/氣轉(zhuǎn)換器和定位器進(jìn)行調(diào)校檢查。
5、效果
(1)經(jīng)過檢修后，轉(zhuǎn)化爐爐膛溫度變化幅度在20℃左右，爐出口溫度控制穩(wěn)定。
(2)解吸氣壓力流量變化正常。解吸氣量平均流量穩(wěn)定在5dam3/h左右。
(3)PSA吸附曲線正常。對(duì)比之前的吸附壓力曲線，檢修后的壓力曲線在均壓狀態(tài)時(shí)吸附塔的壓力基本恒定，但仍發(fā)現(xiàn)A塔的6號(hào)閥仍然存在內(nèi)漏的現(xiàn)象，在4均平的過程中，壓力會(huì)升高。建議在下次檢修過程中進(jìn)行更換。
(4)開工正常后通過調(diào)整吸附時(shí)間，解吸氣中的氫氣含量已經(jīng)明顯下降，最低下降到33.09%，氫氣收率增加明顯。
6、建議
檢修后，氫氣收率有了較大提高，PSA程控閥故障頻發(fā)的問題得到徹底解決，為維持裝置長(zhǎng)周期優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)定生產(chǎn)，提出以下建議：
(1)在停工過程中，為防止吸附劑床層雜質(zhì)穿透和吸附劑吸附能力下降，建議在吸附塔手動(dòng)泄壓時(shí)盡量從入口段泄壓，即底部泄壓。
(2)對(duì)PSA單元置換處理時(shí)盡量采用高純氮?dú)�，避免有過多的水和CO2雜質(zhì)進(jìn)入分子篩吸附床層，造成催化劑粉化。
(3)針對(duì)吸附劑跑損的情況，建議在吸附罐頂部絲網(wǎng)壓板下增加一層密封墊，防止因蜂窩板變形或不平整造成的間隙。
(4)在吸附劑頂增加瓷球。建議在吸附劑上層裝填6～13mm高鋁瓷球。首先瓷球抗壓碎強(qiáng)度高，耐磨抗沖擊性強(qiáng)，采用密實(shí)裝填后，瓷球不易移動(dòng)。同時(shí)瓷球顆粒比吸附劑顆粒大，對(duì)絲網(wǎng)的要求沒有吸附劑高，避免了強(qiáng)度小的吸附劑直接與絲網(wǎng)及塔板接觸，大大減少了吸附劑的正常磨損的消耗量。
