PSA制氫技術及其在煤制甲醇中的應用

張亮

摘 要：由于受到我國能源結構的影響，煤化工行業(yè)在一定時期內(nèi)迅速發(fā)展。隨著氫氣需求量的大幅提升和煤氣化制氫技術工藝的日益成熟，低成本的大規(guī)模煤制甲醇氫氣提純技術的需求更為迫切。為指導和推廣PSA制氫技術在煤制甲醇行業(yè)的工業(yè)化推廣應用，本文主要對變壓吸附制氫的傳統(tǒng)工藝和PSA制氫技術發(fā)展趨勢及研究進展進行分析探討。介紹了變壓吸附制氫生產(chǎn)甲醇的基本原理，闡述變壓吸附生產(chǎn)流程。重點研究PSA技術在煤炭氣化制甲醇工藝中的應用。探討了大型煤制甲醇行業(yè)變壓吸附技術的發(fā)展方向。

關鍵詞：變壓吸附;煤制甲醇;制氫技術

現(xiàn)階段我國能源資源現(xiàn)狀是貧油、少氣、多煤，目前中國對于煤炭利用的主要方式大多數(shù)為直接燃燒方式轉(zhuǎn)化為其他形式能量，然后再進行加工利用，這樣的利用方式不可避免的造成了綜合能源利用效率較低和環(huán)境污染嚴重等許多問題[1]。為了更好的提高煤炭的綜合利用效率，減少生產(chǎn)過程中對環(huán)境造成的污染，中國自1960年開始大力提倡潔凈煤技術，其中以煤氣化為首要工序的煤制甲醇技術就是其中最為核心潔凈煤技術。煤氣化技術一般為經(jīng)過特定壓力和溫度下將固體煤轉(zhuǎn)化為氣體煤氣，煤氣可用作燃料或化工原料，因其具有運輸方便和燃燒效率高以及污染排放低等優(yōu)點而得到廣泛應用。目前人們生活中不可避免的需要一些煤化工產(chǎn)品，如聚乙烯和聚丙烯產(chǎn)品等。由于煤化工產(chǎn)業(yè)壯大的趨勢影響，氫氣需求量大幅提升，為低成本的大規(guī)模煤制氫帶來了機遇和挑戰(zhàn)。我國大型煤氣化技術具有規(guī)模大、壓力高、煤種適應性廣等特點，與此相適應的大型煤制氫單元中變壓吸附制氫已成為提純氫氣的主流技術之一[2]。根據(jù)現(xiàn)有的變壓吸附制氫工藝、設備、規(guī)模等發(fā)展現(xiàn)狀，討論了大型煤制氫變壓吸附技術的發(fā)展方向。

與目前全球經(jīng)濟發(fā)展現(xiàn)狀相結合，氣體分離技術的應用在煤制甲醇行業(yè)快速發(fā)展。變壓吸附（PSA）是一種物理吸附的分離技術，該技術的實際應用中因為氣體組分不同，其吸附能力也隨之不同[3]。隨著吸附容量的上升物質(zhì)吸附的過程中的設備分壓也相應上升的同時吸附中的溫度逐步出現(xiàn)下降的現(xiàn)象。通過對吸附作業(yè)的特點進行深入分析，PSA能夠?qū)崿F(xiàn)低溫--高壓吸附，低壓--高溫解析再生的循環(huán)模式。在實際應用的過程中PSA技術通過壓差實現(xiàn)氣體的吸附和再生，該技術能耗低，分離效率高，應用效果好。PSA技術是利用吸附劑選擇性吸附混合氣體中的雜質(zhì)組分，進行H2的提純[4]。為指導和推廣變壓吸附（PSA）制氫技術在煤制甲醇行業(yè)的工業(yè)化推廣應用[5]，本文將綜述大型煤制氫PSA技術的應用現(xiàn)狀，并討論未來的發(fā)展方向。

1 煤制甲醇制氫技術及其應用現(xiàn)狀

工業(yè)制氫的方法主要有低溫精餾法、膜分離法和變壓吸附三種。三種方法優(yōu)劣各異，其具體比較如下表1所示。低溫精餾法制備氫氣是指將氣體進行冷凍成為液體，而后利用精餾的方法進行氣體分離，該方法制氫的氣體純度和回收率均很高，但其投資很高。膜分離法的占地面積較小并且操作簡單、開工率非常高而功耗低，能夠大幅度節(jié)省投資，但是其氫氣提純率并不如其他兩種方法高，一級膜分離提純率只有百分之九十八，即使耳機膜分離提純率也僅能達到百分之九十九。變壓吸附法具有投資少、工藝簡單、產(chǎn)氫成本低等優(yōu)勢，并且氫氣轉(zhuǎn)化率較高，此外PSA技術使用和操作均較為方便，具有很強的可靠性及靈活性，除自控閥門外沒有其他動設備，動力消耗非常低，不需要進行特殊的管理以及維修，相對操作費用低，其吸附劑的選擇性和分離效果均較好，該技術的制氫純度較高，基本可達到百分之九十九點九以上，用于加壓過程中可大幅度降低操作壓力的同時減少排放損失，所以在煤制甲醇行業(yè)得到了更為廣泛的應用。

2 PSA工藝簡介

PSA工藝技術是氣體分離回收的主要技術之一。PSA技術主要包括制氫、脫除二氧化碳、二氧化碳提濃、一氧化碳提濃、空分制氧、空分制氮、甲烷提濃、回收氯乙烯乙炔等等。PSA制氫技術只是PSA工藝技術之中的一種，同時也是PSA工藝裝置中氣體處理量合計中總量最大的一種。

3 PSA系統(tǒng)吸附劑的選擇

不同的氣體組分因為分子的大小、結構、極性等性質(zhì)的差異，吸附劑對其吸附的能力和吸附容量也存在較大差異，PSA制氫裝置所利用的就是吸附劑的此特性。由于氣體吸附分離成功與否，極大程度上依賴于吸附劑的性能，因此選擇吸附劑是確定吸附操作的首要問題。比較普遍的PSA吸附劑主要有活性氧化鋁、活性炭、分子篩三種。活性氧化鋁一般裝填在吸附塔底部，用于脫除水分。活性炭主要裝填在吸附塔中部，用于脫除原料氣中的萘和硫、重烴和各類烴類。分子篩裝填于吸附塔的上部，用于脫除甲烷、乙烷、氮氣等。分子篩是吸附量較高同時吸附選擇性極佳。

4 PSA制氫在煤制甲醇行業(yè)的發(fā)展前景

PSA氣體分離技術是依靠壓力的變化來實現(xiàn)吸附與再生的，因而再生速度快、能耗低，屬節(jié)能型氣體分離技術。該工藝過程簡單、操作穩(wěn)定、對于含多種雜質(zhì)的混合氣體可將雜質(zhì)一次脫除得到高純度產(chǎn)品。煤氣化方式產(chǎn)生的H2含量低且雜質(zhì)多，需通過分離提純后方可供下游用戶使用。變壓吸附技術提純氫氣技術的原料氣源適應性廣，制氫的過程清潔節(jié)能，自動化程度高、可靠性和靈活性好、開停車方便、氫氣純度高，這些優(yōu)點使其成為了被廣泛應用的氫氣提純主流技術之一。變壓吸附工藝制氫技術在煤制甲醇行業(yè)中日益成熟，應用廣泛。此外，氫已經(jīng)逐漸變成當前社會的一種非常主要的潔凈能源，我國更是需要大力發(fā)展?jié)崈舻臍淠芟到y(tǒng)。綜合考慮裝置可調(diào)性、技術水平、氫氣純度、能耗以及經(jīng)濟實力等多種因素，煤制甲醇行業(yè)在解決氫氣提純問題時，應將PSA制氫技術作為首選方案。此外，PSA制氫技術在我國雖然已有較好的應用基礎，但目前存在的氫氣回收率較低、操作壓力范圍小等問題急需解決。綜合我國目前國慶，在解決目前生產(chǎn)工藝的同時，應該積極研究探索PSA技術的劣勢，以降低其對生產(chǎn)工藝的影響。

5 結論

經(jīng)過生產(chǎn)實踐表明，煤制甲醇工藝當中選擇變壓吸附制氫工藝，即優(yōu)化了原有的煤氣化制氫工藝，又使氫氣轉(zhuǎn)化率得到了有效的提高，其技術先進，完全能夠滿足大型煤化工企業(yè)生產(chǎn)工藝需求，具有良好的應用前景。

參考文獻：

[1]徐世洋，張敏，朱亞軍.變壓吸附技術在焦爐煤氣制氫中的應用[J].遼寧化工，2006（07）：41-43.

[2]徐世洋，張敏，朱亞軍.淺談變壓吸附技術在焦爐煤氣制氫中的應用[C].全國天然氣化工信息站變壓吸附網(wǎng)全網(wǎng)大會暨變壓吸附分離技術交流會.2007.

[3]劉洋.變壓吸附原理在工業(yè)制氫中的運用[J].化工設計通訊，2017.

[4]焦玉雪，吳峰.利用變壓吸附（PSA）技術從焦爐煤氣中制取氫氣的工藝探討[C].蘇、魯、皖、贛、冀五省金屬學會第十五屆焦化學術年會論文集（上冊），2010.

[5]制氫技術現(xiàn)狀分析及發(fā)展[J].化工設計通訊，2018，44 （11）：195-196.