大型煤制氫變壓吸附技術應用進展

李發宏

摘要：隨著我國經濟在快速發展，社會在不斷進步，當今世界正經歷著資源轉型，由原始的煤炭向清潔、可再生能源過渡，氫氣作為一種新型能源，需求量大大增加，其制造技術備受科研學者的關注。我國大型煤化工企業規模大、適應性廣，依靠大型煤化工的變壓吸附技術來提純氫氣已經成為工業的主流工藝之一。本文主要根據當今煤化工企業變壓吸附制氫的生產現狀，探究未來煤變壓吸附制氫技術的發展方向。

關鍵詞：煤制氫;變壓吸附;現狀;未來發展

引言

變壓吸附（PressureSwingAdsorption簡稱PSA）制氫技術是以吸附劑（多孔固體物質）內部表面對氣體分子的物理吸附為基礎，利用吸附劑在相同壓力下易吸附高沸點組分、不易吸附低沸點組分和高壓下吸附量增加、減壓下吸附量減小的特性，將原料氣在壓力下通過吸附劑床層，相對于氫的高沸點雜質組分被選擇性吸附，低沸點組分的氫不易吸附而通過吸附劑床層，達到氫和雜質組分的分離，然后在減壓下解吸被吸附的雜質組分使吸附劑獲得再生，以利于再次進行雜質的吸附分離。這種壓力下吸附雜質提純氫氣、減壓下解吸雜質使吸附劑再生的循環過程稱為變壓吸附過程。變壓吸附技術因其具有適用氣源廣、產品純度高、工藝簡單、節能效果顯著等特點得到越來越廣泛地運用。隨著變壓吸附裝置愈來愈大型化，氫氣回收率的提高不但可以減少原料氣的浪費，降低工業制氫的成本，也可以為工廠帶來更高的經濟效益。所以，如何提高氫氣的回收率成為變壓吸附技術研究的熱點。

1吸附分離氣體的基本原理

吸附是指用多孔性的固體吸附劑處理流體混合物，使其中所含的一種或數種組分被吸附在固體表面上以達到分離的操作。具有吸附作用的、密度相對較大的多孔固體被稱為吸附劑;被吸附的、密度相對較小的氣體或液體稱為吸附質。吸附按性質不同可分二大類：化學吸附和物理吸附。變壓吸附主要為物理吸附。物理吸附是指依靠吸附劑與吸附質分子間的分子力（包括范德華力和電磁力）進行的吸附，其特點是：吸附過程中沒有化學反應，吸附過程進行得極快，參與吸附的各相物質間的動態平衡在瞬時即可完成，并且這種吸附是完全可逆的。變壓吸附制氫工藝過程之所以得以實現是由于吸附劑在這種物理吸附中所具有的兩個性質：1）對不同組分的吸附能力不同;2）吸附質在吸附劑上的吸附容量隨吸附質的分壓上升而增加，隨吸附溫度上升而下降。利用吸附劑的第一個性質，可實現對含氫氣源中雜質組分的優先吸附而使氫氣得以提純;利用吸附劑的第二個性質，可實現吸附劑在低溫、高壓下吸附而在高溫、低壓下脫附再生，從而構成吸附劑的吸附與再生循環，達到連續分離提純氫氣的目的。

2大型煤制氫變壓吸附技術應用進展

2.1提高原料氣進氣品質

確保原料氣的純度，在原料氣進入PSA制氫系統前，盡可能過濾掉能使吸附劑失活的雜質。此外原料氣的組成、壓力、流量要穩定，相應的措施是增加原料氣氫含量在線分析儀、壓力表、流量計，這樣可及時根據原料氣數據的波動對操作參數進行調整，使PSA制氫系統運行處于最佳狀態。通過優化脫硫罐和預處理罐的填料結構，解決了PSA制氫系統因煤氣雜物過多而引發故障頻繁的問題。針對邯鄲鋼鐵股份有限公司動力廠焦爐煤氣PSA制氫系統氫氣回收率低的問題，調整了吸附劑的裝填比例，使得氫氣回收率大幅提高。通過增加緩沖罐、更新系統運行控制程序和控制模式，解決了PSA單元尾氫流量波動過大而導致氫回收率低的問題。

2.2大型變壓吸附制氫技術未來發展

大型煤氣化技術的發展和工程化實踐，對大型PSA制氫裝置提出了新要求。在保證氫氣產品質量的前提下，用戶對氫氣回收率、裝置投資、占地、解吸氣利用等要求越來越苛刻，傳統的PSA工藝已經無法滿足裝置大型化后的諸多要求，所以PSA工藝必須不斷進步，以適應大型化煤氣化裝置的要求。針對大型煤氣化技術的進步，大型PSA制氫的規模和操作壓力也不斷提高。以神華煤制油等大型PSA制氫裝置運行數據為參考依據，產氫規模Qn=30萬～50萬m3/h的PSA制氫裝置已在開發中。操作壓力為5.0MPa的PSA制氫裝置已正常運行了4年。經過幾年的攻關，在吸附劑、工藝、管道、設備、自控、數學模擬和整體集成等方面取得突破，6.0MPa壓力等級的PSA制氫工業裝置正在建設中。未來可能開發出8.0MPa操作壓力的PSA制氫技術。

2.3大型煤制氫變壓吸附技術的發展前景

大型煤氣化技術的發展和進步給變壓吸附制氫帶來了挑戰，在保證氫氣制備產量的基礎上，企業對過程中原料的回收率、利用效率和環保程度都有了更高的要求，傳統的變壓吸附技術已經不能適應當前工業生產的需求，需要結合企業的發展現狀，不斷進行創新，來適應大型煤變壓吸附制備氫氣的要求。隨著大規模煤化工企業的發展，變壓吸附制氫的規模和技術也在不斷提高，經過近些年在吸附劑、工藝、設備和智能操控等方面取得的突破，更高壓力等級的變壓吸附裝置有望建設成功。吸附劑性能的優化也提高了裝置的運行效率。吸附劑的解吸性能，吸附容量在日漸強大，逐漸克服了內部吸附劑顆粒擴散的阻力，增加了床層的利用空間，從而提高了氫氣的吸收速率。工藝上各模塊都不斷優化配置，從實驗和理論綜合分析，探究氫氣提純的具體措施，從氫氣的制備純度和回收的效率來看，未來勢必會有更大的突破。

結語

變壓吸附制氫技術是一項成熟可靠的技術，它已在工業上得到了廣泛應用，甚至早在1985年就獲得了我國的國家科技進步一等獎。但是，變壓吸附制氫技術也是一項不斷發展進步的技術，它仍然有很多潛力可挖。如何進一步提高變壓吸附制氫的回收率，如何減小設備，降低投資，節省能耗，減少占地面積，仍然值得我們繼續研究和探索。

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