變壓吸附原理在工業制氫中的運用

劉 洋

（四川天一科技股份有限公司，四川雙流 610225）

變壓吸附原理在工業制氫中的運用

劉 洋

（四川天一科技股份有限公司，四川雙流 610225）

變壓吸附（PSA）是一種新型的氣體吸附分離技術，目前在工業制氫中的應用非常廣泛。選取的氫源是130 000m3/ h的半焦煤氣，其φ（H2）＜30%，具體討論PSA原理在半焦煤氣制氫工作中的運用，目的是分離制取純度較高的H2。

半焦煤氣；PSA；制氫裝置

與膜分離法、低溫分離法等相比，PSA具有H2純度高、經濟節能、操作簡單、容易維護及投資少等優點，因此被廣泛應用在工業制氫中。針對PSA制氫裝置，其原料氣源包括工業生產中的含氫尾氣及天然氣、重油、煤制成的含氫氣源，通常φ（H2）＞20%的氣源均可選作PSA的制氫原料氣。

本案選取的是130 000m3/h半焦煤氣及其φ（H2）＜30%。半焦煤氣是煤干餾的產物，其成分一般取決于炭化爐的型式。以內熱式直立炭化爐為例。在半焦煤氣中，φ（N2）為44.3%；φ（H2）為27.0%；φ（CO）為11.0%；φ（CH4）和φ（CO2）都為7.5%；φ（CmHn）為1.5%；φ（O2）為1.2%。雖然在前工段已對半焦煤氣做了凈化處理，但半焦煤氣中仍存在一定量大分子量、高沸點的雜質，比如苯、萘和焦油等，且其會毒害PSA制氫裝置的吸附劑[1]。本工作淺析了PSA半焦煤氣制氫裝置流程，具體討論130 000Nm3/h半焦煤氣的PSA提氫、解吸氣回收與再利用。

1 PSA半焦煤氣制氫裝置流程

圖1所示為PSA半焦煤氣制氫裝置流程圖。

圖1 PSA半焦煤氣制氫裝置流程

如圖1所示，PSA半焦煤氣制氫裝置的工藝流程如下：水洗除鹽工序→預處理工序→真空變壓吸附（VPSA）氫氣提濃與脫氧工序→變壓吸附氫氣提純工序。其中，為了降低緩沖罐的成本投入及連續將吸附塔排放的解吸氣輸送到裝置外，對于逆放與再生后排放的解吸氣，選擇“混合罐+緩沖罐”的二級緩沖系統[2]。

1.1 水洗除鹽工序

研究發現，半焦煤氣中的NH3易與氰化物、H2S和CO2等發生反應，并生成銨鹽，且當銨鹽積累在一定程度后，便會造成管道堵塞。鑒于此，需選用除鹽水來逆流接觸和徹底洗滌半焦煤氣，且在增強氣相與液相傳質效果的條件下，半焦煤氣中銨鹽與氨的去除率可達90%以上。

1.2 預處理工序

在預處理環節，主要的任務是通過變溫吸附（TSA）來去除半焦煤氣中的苯、萘和焦油等雜質，并以60h為一個循環周期。在預處理塔的吸附量接近飽和狀態時，轉入吸附劑的再生過程，具體流程如下：降壓→加熱脫附雜質→冷卻吸附劑→升壓。在這一過程中，預處理器選用的再生氣是變壓吸附氫氣提純工序中產生的低壓解吸氣[3]。

1.3 真空變壓吸附氫氣提濃與脫氧工序

在真空變壓吸附中，主要采用的工藝是12-4-3工藝，其設有吸附塔共計12臺，其中總是保持吸附狀態的吸附塔共4臺，同時包括3次均壓升（降）壓過程。吸附劑通常具有選擇性，則在這一選擇性吸附作用下，凈化處理后的半焦煤氣可一次性去除除氫氮外的全部雜質，而獲得的提濃H2的φ（H2）＞45%。在此之后，先加熱，再進入脫氧塔進行脫氧處理，可使H2的回收率大大提高，其中最為關鍵的步驟是抽真空脫吸，其可使解吸后的吸附劑徹底再生。通常而言，吸附劑的再生過程如下：3次均壓降壓→逆放→抽真空→預升壓→3次均壓升壓→產品氣升壓[4]。

1.4 變壓吸附氫氣提純工序

變壓吸附氫氣提純工序是真空變壓吸附氫氣提濃與脫氧工序后的重要步驟，其采用的工藝主要是10-4-1工藝，其設有吸附塔共計10臺，其中總是處在吸附狀態下的吸附塔共4臺，同時包括1次均壓升（降）過程。在吸附劑的選擇性吸附作用下，提濃后的H2可一次性去除除氫外的全部雜質，且獲得的產品H2的φ（H2）＞99.9%。在這一工序中，吸附劑的再生過程如下：1次均壓降壓→順放一→順放二→逆放→沖洗→1次均壓升壓→產品最終升壓。其中，順放一產生的氣體存儲在順放氣緩沖罐中，以免在PSA工藝的沖洗末期造成二次污染，從而使吸附塔再生效果更好；順放二產生的氣體先緩沖，再進入真空變壓吸附工序，以解決吸附塔在抽真空后產生的壓力驟降問題（預升壓）[5]。另外，變壓吸附氫氣提純裝置可采取6床（6-2-1）或8床（8-3-1）等工藝，在吸附塔所屬程控閥出現故障時可以進行切塔操作，以保證產品H2輸出的長期性、穩定性和連續性，從而防止部分塔罐異常對裝置運行效果產生不利影響。通過PSA制氫裝置處理以后，半焦煤氣的產品H2在標準狀態下的輸出流量約為2 900m3/h，同時實現了80%~90%的H2回收率。

2 結束語

綜上研究，在半焦煤氣制氫工業中，PSA制氫原理的運用表現出裝置投資少、操作簡單、技術可靠及能耗低等優點。針對文中φ（H2）＜30%及流量為130 000m3/h的半焦煤氣而言，通過PSA制氫裝置處理以后，獲得了φ（H2）＞99.9%及流量約為2 900m3/h的H2，且這一裝置的氫氣回收率高達80%~90%。

表1 氫氣提濃工序的工藝參數

[1] 張紅麗，丁守軍，翟偉，等.變壓吸附技術在半焦煤氣制氫工業中的應用[J].化肥工業，2015，（5）：43-45.

[2] 趙鐸.大型焦爐煤氣制氫生產中的問題分析及應對措施[J].天然氣化工（C1化學與化工），2015，（3）：56-58，64.

[3] 張淑娟，孫建俊.焦爐煤氣制氫尾氣回收--濟鋼冷軋廠制氫尾氣回收改造[J].科技資訊，2015，（20）：118-119.

[4] 高二強，朱恒.變壓吸附技術在焦爐煤氣制氫中的應用[J].中國化工貿易，2014，6（31）：133.

[5] 趙鐸.大型焦爐煤氣制氫生產中的問題分析及應對措施[J].天然氣技術與經濟，2015，（3）：56-58，64.

Application of Pressure Swing Adsorption Principle in Industrial Hydrogen Production

Liu Yang

PSA（PSA）is a new gas adsorption and separation technology，which is widely used in industrial hydrogen production.In this case，the author selected the source of hydrogen is 130 000Nm3/h semi-coke gas and its <30%，speci fi cally discuss the principle of PSA in semi-coke gas hydrogen production work，the purpose is to separate the preparation of high purity H2.

semi-coke gas；PSA；hydrogen plant

TQ116.2

B

1003–6490（2017）03–0048–02

2017–03–01

劉洋（1989—），男，四川南充人，助理工程師，主要研究方向為化工工藝。