变压吸附制氢解吸气压缩机选型方案探讨

胡景辉 李 雨 何 瑾 惠生工程(中国)有限公司河南化工设计院分公司 郑州 450018

国内某公司新建一套以煤为原料的煤制氢及合成氨生产装置，建设规模为30万t/a合成氨，氢气75000Nm3/h，配套辅助生产装置和公用工程，年操作时间8000h，氨合成最大、最小设计能力分别为液氨产量45万t/a和20万t/a，相应的PSA制氢设计能力分别为产氢37500Nm3/h和100000Nm3/h。

1 解吸气压缩机工况

解吸气是PSA制氢装置提纯产品氢气后的副产物，主要成分为H2、CO、N2等，具有氢气含量高、热值较高的特点，通常情况下，各生产装置会结合实际生产将解吸气加以回收利用[1-4]。三种工况下解吸气具体组成见表1。

表1 解吸气详细参数

结合该项目实际情况，PSA解吸气的回收利用分两种：一股由0.13MPa(A)压缩至0.45MPa(A)，送至燃料气管网用于气化磨煤机干燥所需燃料气(用量为Norm.5000Nm3/h、Max.7150Nm3/h，LHV≥2000kcal/Nm3)，剩余部分解吸气经压缩至4.35MPa(A)送至上游变换单元回收利用。压缩机主要工艺数据条件见表2。

2 解吸气压缩机选型比较

PSA制氢解吸尾气操作压力接近常压，需要进行增压才能回收利用，压缩机型式以往复机和螺杆机居多[5-7]。

考虑到压缩机的稳定操作及装置的运行经济性，有以下三种方案可供选择：

表2 PSA解吸气压缩机主要工艺数据条件

注：①二段解吸气量不允许为0，可按厂家要求进行调整；②压缩机入口压力波动范围±10kPa; ③产氢100000Nm3/h对应于110%操作工况，表中数据对应产氢90900Nm3/h。

2.1 方案一：两台活塞机(压缩机设计工况产氢100000Nm3/h)

设置2台活塞式压缩机，压缩机设计工况为产氢100000Nm3/h，5级压缩，1开1备，气化燃料气(0.45MPa(A))从压缩机2级出口抽出，剩余解吸气经3、4、5级压缩至4.35MPa(A)后送至上游变换单元回收利用。

(1)产氢100000Nm3/h操作工况，压缩机一段解吸气流量11676Nm3/h，压缩机二段解吸气流量5794～7567Nm3/h。

(2)产氢75000Nm3/h操作工况，压缩机一段解吸气流量7018Nm3/h，压缩机二段解吸气流量1136～2937Nm3/h；压缩机一段需考虑约40%回流，二段需考虑的回流量约61%。

(3)产氢37500Nm3/h操作工况，解吸气流量只有3040Nm3/h，而送至气化的燃料气需要量约为4109 Nm3/h，燃料气量不足；压缩机2级出口抽气，3、4、5级压缩机全回流。

对于压缩机设计工况在产氢100000Nm3/h时，不同操作工况下压缩机各段气体回流量及压缩机轴功率见表3。

表3 不同操作工况下各段气体回流量(解吸气压缩机设计工况产氢100000Nm3/h)

注：①二段解吸气量不允许为0，可按厂家要求进行调整；②产氢100000Nm3/h对应于110%操作工况，表中数据对应产氢90900Nm3/h；③燃料气不足部分由进PSA制氢前抽出的一部分工艺气进行补充。

2.2 方案二：两台活塞机(压缩机设计工况产氢75000Nm3/h)

针对方案一，由于操作工况差异，如在操作工况产氢75000Nm3/h或37500Nm3/h运行时，存在气体回流量大的缺点。因此，可将压缩机设计工况设定在产氢75000Nm3/h，对于操作工况在产氢100000Nm3/h时两台全开；操作工况在产氢37500Nm3/h时，相对于压缩机设计工况为产氢100000Nm3/h，可减少气体回流量，节省运行能耗，详细参数见表4。

2.3 方案三：1台螺杆式压缩机+1台活塞式压缩机

针对方案一能耗高的缺点，可设置1台喷油螺杆式压缩机+1台活塞式压缩机，螺杆式压缩机用于气化燃料气压缩(压缩至0.45MPa(A))，活塞式压缩机用于将解吸气压缩至4.35MPa(A)送至上游变换单元。

螺杆压缩机运行稳定、可靠，故障率低，且基本上无易损件，可实现连续不间断运行，不设备机。

表4 不同操作工况下各段气体回流量(解吸气压缩机设计工况产氢75000Nm3/h)

注：①二段解吸气量不允许为0，可按厂家要求进行调整；②产氢100000Nm3/h对应于110%操作工况，表中数据对应产氢90900Nm3/h。

当活塞式压缩机故障时，可短期将返回变换的解吸尾气送火炬，活塞式压缩机的检修周期一般为5天左右。

此外，PSA低负荷运行时(产氢37500Nm3/h工况)，活塞机可以停运，节省能耗。详细参数见表5。

表5 不同操作工况下各段气体回流量(解吸气压缩机设计工况产氢37500Nm3/h)

注：①若二段解吸气量不允许为0，可按厂家要求进行调整；②该气体流量已减去螺杆压缩机气量约为4109Nm3/h；③产氢100000Nm3/h对应于110%操作工况，表中数据对应产氢90900Nm3/h。

3 运行费用对比

三种方案下PSA解吸气压缩机运行费用对比详见表6～表8。

表6 PSA解吸气压缩机运行费用对比表(实际操作工况产氢100000Nm3/h)

注：①往复机按运行6个月检修一次，每次持续时间为5天；②电价按0.5元/kW，标准煤按650元/t考虑。

表7 PSA解吸气压缩机方案对比表(实际操作工况产氢75000Nm3/h)

注：①往复机按运行6个月检修一次，每次持续时间为5天；②电价按0.5元/KW，标准煤按650元/t考虑。

4 结语

(1)运行费用分析。若操作工况长期在产氢100000Nm3/h，运行费用上方案一是优选，方案三次之；若操作工况长期在产氢75000Nm3/h，运行费用上方案二是优选方案，方案一次之；若操作工况长期在产氢37500Nm3/h，运行费用上方案三是优选方案，方案二次之。

表8 PSA解吸气压缩机方案对比表(实际操作工况产氢37500Nm3/h)

注：①往复机按运行6个月检修一次，每次持续时间为5天；②电价按0.5元/kW，标准煤按650元/吨考虑。

(2)设备投资占地分析。方案一(设备投资约1500万元，占地42×21m)>方案二(设备投资约1360万元，占地42×21m)>方案三(设备投资约1020万元，占地32×21m)。

综上所述，基于操作工况差异大的现状(产氢37500Nm3/h、75000Nm3/h、100000Nm3/h)，建议将压缩机设计工况设定在产氢75000Nm3/h；对于操作工况在产氢100000Nm3/h工况下，压缩机两台全开；操作工况在产氢37500Nm3/h下，相对于压缩机设计工况为产氢100000Nm3/h，可减少气体回流量，节省运行能耗。