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氫回收裝置處理能力不足及滲透氣中氫含量低的原因分析及解決措施

文檔作者：茹文杰文檔來源：云南解化清潔能源開發(fā)有限公司解化化工分公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年05月14日
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［收稿日期］２０１６０７０７［作者簡介］茹文杰（１９８５—），男，湖南湘潭人，工程師、高級技師，主要從事壓縮機和甲醇合成生產技術及管理工作。氫回收裝置處理能力不足及滲透氣中氫含量低的原因分析及解決措施茹文杰（云南解化清潔能源開發(fā)有限公司解化化工分公司，云南 開遠 ６６１６００）［摘 要］云南解化清潔能源開發(fā)有限公司解化化工分公司二甲醚廠氫回收裝置在甲醇合成催化劑使用末期，由于甲醇合成弛放氣量增大，出現(xiàn)氫回收處理能力不足以及滲透氣中氫含量低而無法滿足生產需求的問題，就此進行原因分析并實施技術改造后，實現(xiàn)了甲醇合成裝置弛放氣的完全處理，提高了氫氣的回收量，為整個甲醇合成系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、長周期運行和穩(wěn)產、高產打下了基礎。［關鍵詞］氫回收裝置；普里森膜；處理能力；滲透氣氫含量；原因分析；技術改造［中圖分類號］ＴＱ ０５ １８ ＋９３ ［文獻標志碼］Ｂ ［文章編號］１００４ －９９３２（２０１７）０１ －００５４ －０３０ 引 言云南解化清潔能源開發(fā)有限公司解化化工分公司二甲醚廠氫回收裝置于 ２００８ 年 ７ 月建成投產，其主要任務是將甲醇合成裝置送來的弛放氣經水洗塔洗滌和進料加熱器加熱后送入普里森膜分離器進行分離，在滲透側得到氫含量高的滲透氣，送合成氣壓縮機與低溫甲醇洗系統(tǒng)來的凈化氣混合后作為原料氣，非滲透氣則直接送合成氨廠尾氣制氨系統(tǒng)。氫回收裝置原設計有 ９ 臺膜分離器，弛放氣設計處理量 ２５ ３１２ ｍ３ ／ｈ。裝置投用以來，一直運行平穩(wěn)。在甲醇合成催化劑使用壽命前期，氫回收裝置可以滿足生產需求，但 ２０１２ 年以后，由于甲醇合成催化劑使用壽命進入中后期，系統(tǒng)弛放氣量上升，大多數(shù)時候在 ３０ ０００ ｍ３ ／ｈ 以上，超出氫回收裝置的處理能力；同時，滲透氣中的氫含量也達不到設計要求，大量氫氣不能得到回收利用，造成原料氣的浪費，致使甲醇合成系統(tǒng)生產成本上升。為此，對氫回收裝置處理能力不足以及普里森膜出口滲透氣中氫含量低的原因進行分析，并實施相應的技術改造，解決了存在的問題，氫回收裝置得以正常生產，甲醇合成系統(tǒng)生產成本得到降低。１ 氫回收裝置工藝流程及普里森膜的工作原理１１ 氫回收裝置工藝流程甲醇合成裝置送來的弛放氣 （５４ ＭＰａ、４０℃）進入膜分離氫回收裝置界區(qū)水洗塔，用來自界區(qū)外的高壓脫鹽水洗滌其中帶有的少量甲醇（甲醇隨洗滌軟水一起送往甲醇精餾系統(tǒng)），洗滌后氣體 （４２ ℃）中的甲醇含量在 １ ０００ ×１０ －６以下，進入氣液分離器除去夾帶的霧沫；離開氣液分離器的氣體含有飽和水蒸氣，為避免水蒸氣在膜分離器滲透側濃縮后凝結，同時為了使膜分離器處于最優(yōu)化的工作狀態(tài)，設置有一進料加熱器 （加熱介質為低壓蒸汽，通過調節(jié)閥進行溫度調節(jié)，并設有原料氣 溫 度 高、低 報 警 及 聯(lián)鎖），將出氣液分離器的氣體加熱至 ６５ ℃后送入膜分離器。經分離，２５ ＭＰａ 的滲透氣經氫氣冷卻器冷卻后送合成氣壓縮機予以回收，非滲透氣則送合成氨廠尾氣制氨系統(tǒng)。１２ 普里森膜的工作原理普里森膜 （即中空纖維膜）的基本工作原理是，利用一種高分子聚合物 （通常是聚酰亞胺或聚砜）薄膜來選擇 “過濾”進料氣而達到分離的目的。由于氣體組分在高分子聚合物中的溶解擴散系數(shù)存在差異，其滲透通過膜壁的速率不同，因此可將氣體分為 “快氣”（如 Ｈ２Ｏ、Ｈ２、Ｈｅ 等）和 “慢氣” （如 Ｎ２、ＣＨ４ 及其他烴類等）。混合氣體在驅動力———膜兩側相應組分分壓差的作用下，滲透速率相對較快的氣體優(yōu)先通第 １ 期２０１７ 年 １ 月中 氮 肥ＭＳｉｚｅｄ Ｎｉｔｒｏｇｅｎｏｕｓ Ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ ＰｒｏｇｒｅｓｓＮｏ１Ｊａｎ．２０１７萬方數(shù)據(jù)過膜壁而在低壓滲透側富集，而滲透率相對較慢的氣體則在高壓滯留側被富集。普里森膜分離系統(tǒng)的核心部件是一構型類似于管殼式換熱器的膜分離器，數(shù)萬根細小的中空纖維絲澆鑄成管束置于承壓管殼內。混合氣體進入分離器后沿纖維的一側軸向流動，“快氣”不斷通過膜壁在纖維的另一側富集，通過滲透器出口排出，而滯留氣則從與氣體入口相對的另一端非滲透氣出口排出。２ 存在的問題２１ 氫回收裝置處理能力不足氫回收裝置原設計有 ９ 臺膜分離器，弛放氣設計處理能力 ２５ ３１２ ｍ３ ／ｈ。甲醇合成催化劑使用前期，產生的弛放氣量在氫回收裝置處理能力范圍之內，氫回收裝置可以滿足生產需求，但甲醇合成催化劑使用壽命進入中后期以后，系統(tǒng)弛放氣量上升，大多數(shù)時候在 ３０ ０００ ｍ３ ／ｈ 以上，超出氫回收裝置的處理能力，導致甲醇合成系統(tǒng)無法加負荷。２２ 膜分離器出口滲透氣中氫含量過低目前，我國絕大多數(shù)合成氨以及甲醇項目都應用了膜分離氫回收技術進行節(jié)能改造，全國已有 １００ 多套膜分離氫回收裝置投產。普里森膜分離系統(tǒng)用于合成氨以及合成甲醇弛放氣氫回收時，一級分離的回收率和產品氫純度可同時到達９２％以上；若需高純度氫氣，可串聯(lián)二級或三級分離，這 樣 產 品 氫 純 度 分 別 可 達 ９９５％ 和９９９９％以上。正常生產時，我公司膜分離氫回收裝置滲透氣氫純度可達 ９０％以上，但在甲醇合成系統(tǒng)弛放氣達 ３０ ０００ ｍ３ ／ｈ 以上時，普里森膜分離器出口滲透氣中的氫含量就遠低于工藝指標 （≥８５％）了，只有 ３０％左右。３ 原因分析３１ 氫回收裝置處理能力不足的原因分析氫回收裝置有 ９ 臺膜分離器，弛放氣設計處理能力 ２５ ３１２ ｍ３ ／ｈ。在甲醇合成催化劑使用壽命前期，其活性較好，甲醇合成轉化率高，產生的弛放氣量少，氫回收裝置可以滿足生產需求，但是甲醇合成催化劑使用壽命進入中后期以后，其活性明顯下降，甲醇合成轉化率低，弛放氣量上升，多數(shù)時候在 ３０ ０００ ｍ３ ／ｈ 以上，超出氫回收裝置處理能力。３２ 滲透氣中氫含量低的原因分析３２１ 滲透氣中氫含量的影響因素膜的分離選擇性 （即各氣體組分滲透量的差異）、膜面積和膜兩側的組分分壓差等三要素決定了普里森膜的分離效果。其中，膜分離的選擇性取決于制造商選用的膜材料及制備工藝，是決定膜分離系統(tǒng)性能和效率的關鍵因素。當混合氣體在驅動力———膜兩側相應組分分壓差的作用下，滲透速率相對較快的氣體優(yōu)先透過膜壁在低壓滲透側被富集，而滲透速率相對較慢的氣體則在高壓滯留側被富集。各氣體滲透量可用下式表示：Ｑｉ ＝ （Ｐ／ｌ）ｉ·Ａ· （Ｐｘｉ －ｐｙｉ）式中 Ｑｉ———氣體組分 ｉ 的滲透量；（Ｐ／ｌ）ｉ———氣體組分 ｉ 的滲透系數(shù)；Ａ———膜面積；Ｐ———原料氣壓力；ｐ——— 滲透氣壓力；ｘｉ———組分 ｉ 在原料氣中的體積分數(shù)；ｙｉ———組分 ｉ 在滲透氣中的體積分數(shù)。３２２ 滲透氣中氫含量低的可能原因（１）普里森膜安裝或生產過程中由于操作不當而造成膜損壞，使得膜的分離選擇性 ［即各氣體組分滲透系數(shù) （Ｐ／ｌ）ｉ 的差異］ 發(fā)生改變，或者膜的有效面積 Ａ 減小，導致滲透氣中氫含量低。（２）生產中原料氣壓力 Ｐ 及滲透氣壓力 ｐ沒有控制在合適的指標，使得膜兩側的組分分壓差沒有達到設計要求，導致滲透氣中氫含量低。我廠原料氣壓力及滲透氣壓力都能按照工藝指標較好地控制在 ５４ ＭＰａ 和 ２５ ＭＰａ，所以應該不是此項因素導致滲透氣中氫含量低。（３）如果氫組分在原料氣中的體積分數(shù) ｘｉ本身就低，會使?jié)B透氣中氫氣的體積分數(shù) ｙｉ 也不高。（４）從整個氫回收裝置的工藝流程來看，如果普里森膜分離器的旁路調節(jié)閥或者手動閥內漏嚴重，會造成一部分原料氣不經過膜分離器而是通過旁路直接進入非滲透氣管道，氫氣根本就沒有經過普里森膜分離器進行回收，從而導致滲透氣中氫含量低。第 １ 期 茹文杰：氫回收裝置處理能力不足及滲透氣中氫含量低的原因分析及解決措施 ·５５·萬方數(shù)據(jù)４ 解決方法及效果４１ 裝置處理能力不足的解決方法通過二甲醚廠和負責氫回收裝置設計的成都賽普瑞興科技有限公司合作，提出氫回收裝置擴能改造方案：膜分離器從 ９ 臺增加到 １２ 臺，使系統(tǒng)弛放氣設計處理能力由 ２５ ３１２ ｍ３ ／ｈ 增加到３４ ９８０ ｍ３ ／ｈ。４２ 滲透氣中氫含量低的解決方法（１）如普里森膜出現(xiàn)問題，膜分離氫回收裝置的效率必然受到直接的影響。但從膜出口滲透氣與非滲透氣中氫組分的含量來看，仍有較大差距，說明膜仍有較強的分離選擇性，應該沒有出現(xiàn)較大損壞，不是滲透氣中氫含量低的主要原因。不過，普里森膜現(xiàn)在未出現(xiàn)問題，并不代表以后不會出現(xiàn)問題。因此，日常操作時一定要控制入膜原料氣中的甲醇含量小于 １ ０００ ×１０ －６，原料氣入膜溫度控制在工藝指標內，防止原料氣中的甲醇和水汽對膜造成損害；同時，嚴格控制開停車時的升降壓速率，防止升降壓操作不當對膜造成損害。（２）我廠原料氣 （即甲醇合成弛放氣）中氫含量按原設計要求在 ４９％左右，而實際生產時原料氣中的氫含量在大多數(shù)情況下不到 ４０％，即氫氣組分在原料氣中的體積分數(shù) ｘｉ 本身就低，這樣一來滲透氣中氫氣的體積分數(shù) ｙｉ 也就不高了，這是滲透氣中氫含量低的原因之一。但原料氣中氫含量低于原設計要求是我廠甲醇合成反應氣成分決定的，不能改變，也就無法提出相應的改進措施。（３）據(jù)現(xiàn)場檢查，普里森膜分離器的旁路調節(jié)閥或者手動閥確實存在一定程度的內漏，一部分原料氣沒有經過膜分離器，而是通過旁路直接進入非滲透氣管道，氫氣根本就沒有經過普里森膜分離器進行回收，這是本裝置滲透氣中氫含量低的主要原因之一。于是，在氫回收裝置停車時對內漏閥門進行了更換。４３ 改造效果改造前后氫回收裝置運行數(shù)據(jù)的對比見表１。由 表 １ 可 以 看 出：改 造 后，原 料 氣 量 由２５ ０００ ｍ３ ／ｈ 左右上升到 ３０ ０００ ～３５ ０００ ｍ３ ／ｈ，滲透氣流量由 ４ ０００ ～５ ０００ ｍ３ ／ｈ 增加到 ８ ０００ｍ３ ／ｈ 左右，氫回收率由 ３０％左右提高到 ４０％以上，好的時候可以達 ５０％以上。表 １ 改造前后氫回收裝置運行數(shù)據(jù)的對比時 間入膜壓力／ＭＰａ原料氣流量／ｍ３·ｈ －１滲透氣流量／ｍ３·ｈ －１非滲透氣流量／ｍ３·ｈ －１氫回收率／％改造前１１２９ ５３４ ２４ ９２２ ３ ６８２ ２１ ２４０ ２７２９１２０１ ５１９ ２５ ８４３ ４ ０４０ ２１ ８０３ ２８６５１２０６ ５３０ ２５ ２６２ ４ ２１４ ２１ ０５０ ３０２８改造后１２２５ ５２９ ３２ ６８３ ７ ７６６ ２４ ９１８ ５ １６９１２２６ ５３３ ３２ ５４３ ７ ３９３ ２５ １５２ ５０３３１２２７ ５３３ ３０ ８６３ ７ ９９７ ２２ ８６７ ５３２３整體而言，改造后氫回收裝置處理能力明顯提高，裝置運行穩(wěn)定，各工藝指標均合格。如果按多回收 ３ ０００ ｍ３ ／ｈ 滲透氣、滲透氣氫含量６０％計算，可多回收氫氣 １ ８００ ｍ３ ／ｈ，按年運行８ ０００ ｈ 計，１ ａ 就可多回收氫氣約 １４４ ×１０７ｍ３；按 １ ０００ ｍ３ 氫氣 ７５０ 元計算，每年增加的經濟效益在 １ １００ 萬元左右，非常可觀。５ 結束語氫回收裝置改造后，實際生產中其弛放氣處理能力可達 ３５ ０００ ｍ３ ／ｈ 以上，裝置運行穩(wěn)定，各工藝指標均合格，確保了常開 ３ 臺甚至 ４ 臺氣化爐高負荷情況下甲醇合成系統(tǒng)弛放氣的完全處理，消除了安全、環(huán)保等隱患，提高了氫氣的回收量，可使甲醇增產 ３％ ～５％，進一步實現(xiàn)了系統(tǒng)的節(jié)能降耗，也為整個甲醇合成系統(tǒng)能夠更加安全、穩(wěn)定、長周期運行和穩(wěn)產、高產打下了基礎。當然，為確保滲透氣中氫含量在較好的水平，生產中要嚴格按照操作規(guī)程做到以下幾點：① 控制好原料氣入膜分離器的醇含量、溫度以及升降壓速率，保護好普里森膜；② 調整好入膜原料氣的壓力以及出膜滲透氣的壓力，使膜兩側氣體分壓差保持在較好的范圍內；③ 認真巡檢，及時發(fā)現(xiàn)并處理裝置中設備、管道、閥門等出現(xiàn)的問題。總之，只要嚴格按規(guī)程做好生產管理，膜分離氫回收裝置就能實現(xiàn)穩(wěn)定、高效運行，從而為甲醇合成系統(tǒng)的節(jié)能降耗、增產增效打下堅實的基礎。·５６· 中 氮 肥 第 １ 期

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