CN110621614A - 来自变压吸附装置的残留气体的改善应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于提供燃料气体(4)的方法，所述燃料气体(4)是在用于合成气(1)分馏的变压吸附装置(D)的再生期间，在再生压力下作为残留气体(3)获得的，并在缓冲容器(P)中经过中间存储之后通过控制阀(Z1)以受控的质量流量供应至燃烧器(B)。其特征在于，通过指定由所述变压吸附装置(D)上的负载确定的操纵变量(8)将所述控制阀(Z1)定位在操作点上，其中所述缓冲容器(P)中的压力在限定范围内。

Description

来自变压吸附装置的残留气体的改善应用
本发明涉及一种提供燃料气体的方法，所述燃料气体是在用于合成气分馏的变压吸附装置的再生过程中，在再生压力下作为残留气体而获得的，并且在缓冲容器中经过中间存储后通过控制阀以受控的质量流量供应至燃烧器。
变压吸附装置(以下简称为PSA)被用于，例如，产生高纯氢，其中含烃的原料在燃烧器加热的蒸汽重整器中被转化为含氢的合成气。在随后的工艺步骤中从合成气中获得的是粗氢，尽管其主要由氢组成，但仍包含大量杂质例如一氧化碳和甲烷。为了除去这些杂质，将粗氢送入PSA，在其中它在高压下流经多个吸附器中的一个，每个吸附器中都填充有吸附材料，所述吸附材料吸附并保留粗氢中存在的杂质，同时允许氢基本上不受阻碍地通过。因此，离开吸附器的氢具有通常大于99.99体积％的高纯度。
由于吸附材料对杂质的吸附容量有限，在一定时间之后在流出氢的纯度受到损害之前，进入吸附器的粗氢气流必须被中断。当粗氢被转移到PSA中具有仍能吸收的吸附剂材料的另一个吸附器中时，充满杂质的吸附器被再生。为此，将吸附器中的压力降低到所谓的再生压力，以从吸附剂材料中解吸吸附的杂质。为了尽可能完全地除去杂质，在减压期间和/或减压之后用再生气体吹扫吸附器，所述再生气体通常是在PSA中获得的纯氢。较低的再生压力使得可以使用较少的再生气体来解吸相同量的杂质。
在吸附器再生过程中获得的气体混合物，被称为残留气体，主要由易燃物质组成，因此通常用作点燃蒸汽重整器的燃料气体。由于残留气体的质量流量和组成都随时间变化很大，因此它先从PSA进入缓冲容器，从缓冲容器中再以基本上均质的状态被抽出并供应至蒸汽重整器。在不增加残留气体压力的情况下，如在德国专利DE19955676中提出的，吸附器再生压力的最小值由缓冲容器中的压力确定，根据现有技术，缓冲容器中的压力被控制为不小于300mbar(g)的设定目标值。参考图1，将更具体地阐明为此所采用的控制概念。
从燃烧器加热的蒸汽重整器S中生成的合成气中分离的粗氢1从氢气发生器A进入变压吸附装置D中，以获得纯氢2和残留气体3，残留气体3被中间存储在缓冲容器P中。缓冲容器P中的压力通过压力控制器PC1很大程度上保持在约300mbar(g)的恒定值。因此，在由于故障而导致残留气体流入3受损的情况下，在缓冲容器P中总是存在足够大的残留气体量，以能够弥合时间直到用外部来源的燃料气体替代残留气体为止。为了使缓冲容器P中的压力保持恒定，压力控制器PC1改变流量控制器FC的目标值，然后流量控制器FC进一步打开或关闭布置在燃料气体管路4中的控制阀Z1(通常是控制襟翼)，因此，减少或增加了燃料气体的压降，以相应地增加或减少燃料气体的流量。为了避免在数秒钟的时间范围内出现短时的压力变化，例如在PSA D的各个吸收器之间切换时经常发生的那样，导致控制回路出现不希望的变化，将流量控制器FC的控制参数设置得非常低，使得仅长期趋势得到补偿，并且控制阀Z1的位置实际上仅在蒸汽重整器S上的负载变化的情况下才改变，而在恒定的正常运行情况下基本上保持不变。因此，缓冲容器P中的特别短时的压力变化在没有明显衰减的情况下被传递至燃烧器B，并因此传递至蒸汽重整器S的燃烧空间。燃烧空间中的这些压力变化是与安全相关的炉子停机的常见原因。尤其是在发生装置故障的情况下，流量控制器FC的缓慢控制参数阻止有效而快速的控制干预。
火炬控制器PC2保护系统免受过大的压力增加，一旦缓冲容器P中的压力超过目标值通常大于50mbar，火炬控制器PC2便立即打开控制阀Z2，并使残留气体5进入火炬(未显示)
如果装置以亚容量运行，则可供应至燃烧器系统B的残留气体量3下降，并且缓冲容器P和蒸汽重整器S之间的燃料气体管道4中的固定电阻上的压降相应减小。为了即使在这些条件下也能使缓冲容器P中的残留气体压力保持恒定，必须增加控制阀Z1的流阻，这是通过将操作点移向关闭位置来实现的。在这个位置上，位置变化和流量变化之间的相关性明显是非线性的，因此，即使控制阀Z1的最小自发位置变化也会导致燃料气体流4中相当大的变化以及燃烧空间中的压力变化，进而可导致燃烧器系统B的关闭，从而中断氢的产生。
与现有技术相比，降低缓冲容器P中的压力的确使得可以降低PSAD的再生压力并由于随后对再生气体的更低需求而增加了纯氢产率。然而，这导致所存储的气体量减少，并且由于更低的缓冲压力而导致更大的相对压力变化。增大缓冲容器可以抵消这种情况，但增加了装置的资本成本，并使氢生产的经济性降低。
因此，本发明的目的是提供一种上述类型的方法，该方法可以克服根据现有技术降低再生压力上遇到的困难。
根据本发明，当通过输入由变压吸附装置上的负载确定的操纵变量而将控制阀定位在操作点时实现所述目的，其中，缓冲容器中的压力在限定范围内。
操作点应理解为是指控制阀的位置，在此燃料气体以与PSA上的负载相对应的质量流量从缓冲容器流向燃烧器，并且用于控制目的围绕操作点变化的控制阀上的压降在允许无故障执行控制任务的范围内。
为了确定控制阀的操纵变量，PSA上的负载以通常在秒的范围内的时间间隔来测定，并在多个连续的测量值上求平均值。在两个连续的负载测定之间，操纵变量保持不变，与PSA上的实际负载无关。为了能够在秒的范围内补偿残留气体的短期压力变化，通过设置有相应的快速控制参数的流速控制器来控制控制阀，所述控制阀优选为控制襟翼形式并提供有远程操作和位置反馈。
为了确定PSA上的负载，可以测定当前的残留气体量，并且例如将其与标称负载下的残留气体量进行比较。由于通常仅在有相当大的误差的情况下才可以直接测量残留气体量，因此有利的是，不直接测量当前残留气体量，而是根据到达PSA的合成气量和PSA的已知产率计算得出。然而，优选通过测定到达PSA的合成气的量并将其与标称负载下的合成气量进行比较来确定PSA负载。
优选地，将操纵变量输入到控制阀中，使得在PSA的整个负载范围内在缓冲容器中建立压力，缓冲容器的时间平均值比现有技术中的小，从而导致与现有技术相比PSA的再生压力降低。压力的时间平均值优选在100mbar(g)至250mbar(g)之间。
PSA上的负载与控制阀的操纵变量之间的相关性是其中一部分是PSA的生产装置的特征。所述相关性必须通过实验或通过模拟确定，并且优选以电子或其他方式记录为曲线或表格。
缓冲容器中的压力可以在其中变化的限定范围的大小和位置同样取决于生产装置的特性及其操作条件，并且对于系统而言是特定的。选择它们以确保稳定的装置运行，只要缓冲容器中的压力在限定的范围内即可。特别是当待分馏的合成气在使用残留气体进行加热的燃烧器加热的蒸汽重整器中生成时，限定的压力范围的下限在50mbar(g)至150mbar(g)之间，上限在200mbar(g)至300mbar(g)之间。
根据本发明的方法使得可以在PSA的整个负载范围内在缓冲容器的出口与燃烧器的开口之间实现受控系统的液压平衡。优选进行液压平衡，使得控制阀上的最大压降小于受控系统上的总压降的70％，特别优选地小于50％。因此，即使在较低的PSA负载范围内，例如通过作用在控制阀上且以比现有技术明显更快的控制参数进行操作的流量控制器，也可以有效地补偿缓冲容器中几秒范围内的短压力变化，如在PSA的吸附器之间切换时发生的。迄今为止，这在根据现有技术的概念中是不可能的，因为即使对于很小的位置变化，尤其是在低负载下操作时，控制阀上的高压降也会对系统造成严重破坏。
控制阀在其特定的操作点上在PSA的整个负载范围内有利地具有到其端部位置足够的距离。为了特别地确保用于补偿缓冲容器中的短期压力变化的流量控制器的干预有足够的范围，控制阀优选地在其满负载操作下在操作点处打开70％至90％，其中缓冲容器中的压力距限定范围上限约30mbar至50mbar。在最小负载下操作期间，缓冲容器中的压力距所限定范围的下限30mbar至50mbar，控制阀打开20％至40％。
只要它不偏离限定的压力范围，缓冲容器中的压力就不是响应变量。在这些条件下，至少对于PSA上不变的负载，控制阀保持在其操作点。仅当压力达到限定范围的极限时，其他高压和低压控制器才起作用。
所提出的方法可以以不同的方式实现。优选地，控制阀的位置通过与位置分析控制器连接的流量控制器来改变。位置分析控制器，其中输入取决于PSA上的负载并从记录的曲线或表格中得出的作为操纵变量的操作点，将所述操纵变量与控制阀的实际位置值进行比较，并从两个值的偏差确定流量控制器的目标值。如果控制阀的操作点小于实际位置值，即控制阀打开的比要求的大，则减小用于流量控制器的当前合适的目标值，以使控制阀向关闭方向移动。相反，如果位置分析表明控制阀当前处于过度关闭的位置，则向流量控制器输入更高的目标值，从而使控制阀进一步打开。流量控制器还用于补偿缓冲容器中的短期压力变化，为此目的，它设置有比位置分析控制器明显更快的控制参数。
另一种选择是省去位置分析器，而是通过压力控制器控制流量控制器，该压力控制器监测缓冲容器中的压力，并根据PSA上的当前负载从记录的曲线或表格中输入其目标值作为操纵变量。压力控制器的目标值也可以通过取决于负载的计算来确定，该计算使用例如控制阀上的期望压降作为输入。
为了在装置的任何操作条件下，特别是在特殊的操作情况下和中断的情况下可以将缓冲容器中的压力保持在有限的范围内，建议使用高压控制器和低压控制器。
如果缓冲容器中的压力超过所限定的压力范围的上限，则高压控制器打开管道，残留气体可通过该管道从缓冲容器中排出。高压控制器将管道保持打开状态，直到缓冲容器中的压力再次下降到限定的压力范围的上限以下。优选的是管道是与火炬连接的连接管道，在火炬中从缓冲容器排出的残留气体通过焚烧被处理。
特别是当PSA在部分负载下时，缓冲容器在仅仅略高于大气压的压力下以及相应降低的存储效率下运行。为了确保在任何操作条件下都可以有利地将缓冲容器用作存储装置，因此规定，一旦残留气体的压力下降至限定的压力范围的下限以下，低压控制器打开管道，可燃气体借助该管道被引入缓冲容器中。低压控制器将管道保持打开状态，直到缓冲容器中的压力再次超过限定的压力范围的下限。此管道优选是旁路管道，通过该旁路管道将合成气或通过分馏合成气获得的气体混合物例如粗氢转移到PSA的上游，并通入到在通往所述PSA的旁路中的缓冲容器中。将合成气/粗氢直接供应到缓冲容器中使得可以在PSA中断并因此中断残留气体供应的情况下利用存在于缓冲容器中的全部残留气体。结果是，与现有技术相比，可获得明显更长的时间用于从外部燃料气体源供应替代气体。
在下文中将参考图2中示意性示出的示例性实施方案被更具体地阐述本发明。
图2示出了根据本发明的优选变型，具有用于产生合成气的燃烧器加热的蒸汽重整器和变压吸附装置的氢生产装置，该变压吸附装置的残留气体用于加热蒸汽重整器。与图1中相同的装置部件和物流具有相同的附图标记。
从装配有燃烧器加热的蒸汽重整器S的蒸汽发生器A中，将从合成气中分离出的粗氢1通入到变压吸附装置D中，以获得纯氢2和残留气体3，残留气体3被中间存储在缓冲容器P中，然后作为燃料气体4供应到蒸汽重整器S的燃烧器B。
为了控制燃料气流4，控制阀Z1的位置在装置的正常操作中通过与位置分析控制器ZC相连的流量控制器FC改变。为了获得更高的精度，可以用使用密度分析仪QI确定的当前的燃料气体密度10来校正燃料气体流量的实际值7。在位置分析控制器ZC中输入用于控制阀Z1的操作点，该操作点取决于变压吸附装置PSA上的负载并从记录的曲线或表格中得出作为操纵变量，该位置分析控制器ZC将所述操纵变量与控制阀Z1的实际位置值进行比较，并从两个值的偏差确定流量控制器FC的目标值9。如果控制阀Z1的操作点小于实际位置值，即控制阀Z1打开的比要求的大，则减小用于流量控制器FC的当前合适的目标值，以使控制阀Z1向关闭方向移动。相反，如果位置分析表明控制阀Z1当前处于过度关闭的位置，则向流量控制器FC输入更高的目标值，从而使控制阀Z1进一步打开。流量控制器FC设置有快速控制参数，使得能够补偿由于缓冲容器P中短期压力变化而引起的燃料气体4的流量变化。在正常操作中，缓冲容器P中的压力不是响应变量，并且可以在限定的范围内自由变化，该限定的范围优选在100mbar(g)至250mbar(g)之间。
为了在任何操作条件下，特别是在特殊情况下以及在中断的情况下，将缓冲容器P中的压力保持在限定的范围内，装置包括高压控制器PC2和低压控制器PC3。
如果缓冲容器P中的压力超过限定的压力范围的上限，则高压控制器PC2打开截止元件Z2，使得残留气体可以通过火炬管道5从缓冲容器P中流出到火炬(未示出)，在那里其通过焚烧被处理。高压控制器PC2将火炬管道5保持打开状态，直到缓冲容器P中的压力再次下降到限定的压力范围的上限以下。
如果缓冲容器P中的压力下降至限定的压力范围的下限以下，则低压控制器PC3打开截止元件Z3，使得将粗氢1经由通往变压吸附装置D的旁路中的管道6直接通入缓冲容器P中。低压控制器PC3保持管道6处于打开状态，直到缓冲容器P中的压力再次超过限定范围的下限，或者从外部来源提供了残留气体3的替代气体。

Claims (9)

1.用于提供燃料气体(4)的方法，所述燃料气体(4)是在用于合成气(1)分馏的变压吸附装置(D)的再生期间，在再生压力下作为残留气体(3)获得的，并在缓冲容器(P)中经过中间存储之后通过控制阀(Z1)以受控的质量流量供应至燃烧器(B)，其特征在于，通过输入由所述变压吸附装置(D)上的负载确定的操纵变量(8)将所述控制阀(Z1)定位在操作点上，其中所述缓冲容器(P)中的压力在限定范围内。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述操纵变量(8)输入到所述控制阀(Z1)，使得在所述变压吸附装置(D)的整个负载范围内，在所述缓冲容器(P)中建立压力，所述压力的时间平均值为小于300mbar(g)。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述限定压力范围的下限在50mbar(g)至150mbar(g)之间，以及上限在200mbar(g)至300mbar(g)之间。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述控制阀(Z1)通过与位置分析控制器(ZC)连接的流量控制器(FC)定位在其操作点上，为此目的，通过将所述控制阀(Z1)的实际位置值与取决于负载的操纵变量(8)进行比较，所述位置分析控制器(ZC)确定输入到所述流量控制器(FC)作为目标值的值。
5.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述控制阀(Z1)通过与压力控制器(PC1)连接的流量控制器(FC)定位在其操作点上，为此目的，通过将所述缓冲容器(P)中的压力与取决于负载的操纵变量(8)进行比较，所述压力控制器(PC1)确定输入到所述流量控制器(FC)的目标值。
6.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述控制阀(Z1)通过与压力控制器(PC1)连接的流量控制器(FC)定位在其操作点上，为此目的，所述压力控制器(PC1)获得作为负载的函数而计算出的目标值。
7.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述燃烧器(B)被用于点燃蒸汽重整器(S)。
8.如权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述变压吸附装置(D)用于从蒸汽重整器(S)中获得的合成气中除去氢(2)。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，一旦所述缓冲容器(P)中的压力下降到所述限定压力范围的下限以下，合成气或通过合成气分馏获得的气体混合物(1)被转移至所述变压吸附装置(D)的上游，并直接通入到在通往所述装置的旁路中的所述缓冲容器(P)中。
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