变压吸附提氢工艺在煤气合成气中的合理利用

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变压吸附提氢工艺在煤气合成气中的合理利用

朱从军

（新疆天业（集团）化工研究院，新疆石河子 832000）

摘要：介绍了新疆天业利用变压吸附装置从煤气合成气中提取氢气的工艺流程布置，及其关键设备

选择。

关键词：变压吸附（PSA）；提氢装置；流程；布置；安全

随着循环经济理念的不断深入，通过清洁生产新工艺、新技术的不断开发和应用，使化工行业不断走上可持续发展的道路，实现发展与资源、环境的统一，已成为当今社会工业发展的必然趋势。变压吸附气体分离与提纯技术已经成为当代化工独树一帜的生产工艺和操作单元，而且随着变压吸附技术自身的不断完善，它在化工行业的不可或缺性已经愈演愈烈。

新疆天业（集团）有限公司作为新疆兵团所属的大型国有企业，依托新疆丰富的煤、盐、石灰石等资源优势，实施优势资源转化战略，目前，已具备年产110万吨电石乙炔法聚氯乙烯、90万吨离子膜烧碱装置及配套的自备电厂、电石厂和电石渣制水泥装置，是国内生产能力最大的电石法聚氯乙烯生产企业。公司作为国内第一批循环经济试点单位，始终坚持以循环经济的理念发展煤电化一体化产业，清洁生产的新工艺、新技术得到了充分的开发和应用，并在行业内推广应用。在天业集团，变压吸附分离技术主要应用于空分制氮、精馏尾气的回收、天然气制氢精制、富氢裂解气氢气提浓等等。

1从煤气合成气中利用变压吸附提氢的原理

吸附按性质不同可分为两大类，即化学吸附和物理吸附，变压吸附从本质上来说属于物理吸附。其特点是：吸附过程中没有化学反应，吸附过程进行的很快，参与吸附的各种物质间动态平衡在瞬间即可完成，并且非常重要的一点是：这种吸附理论上说是完全可逆的。

由煤气化路线产生的合成气，往往由数十种气体组成（详见表1），成分复杂，选择合理的分离工艺，对企业长远的正常生产运行至关重要。之所以选择变压吸附提氢工艺，主要是因为吸附剂在整个物理吸附过程中所具有的两个性质，（1）对合成气中各个组分的吸附能力不同；（2）吸附质在吸附剂上的吸附容量随吸附质的分压上升而增加，随吸附温度上升而下降。利用吸附剂的第一个性质，可实现对煤气合成气中杂质组分的优先吸附，从而使氢气得到提纯。利用吸附剂的第二个性质，可实现吸附剂在低温、高压下吸附，而在高温、低压下解吸再生，从而构成吸附剂的吸附与再生循环，达到连续分离提纯氢气的目的。

2吸附剂的特性

工艺吸附剂首先要求有较大的静活性，即在一定温度及被吸附物质在蒸汽混合物中的浓度也一定的情况下，单位体积（重量）的吸附剂在达到平衡时所能吸附物质的最大量。其次工业吸附剂还必须对不同溶质具有选择性的吸附作用。变压吸附制氢所选用的吸附剂都是具有较大比表面的固体颗粒。

因所选用的吸附剂具有吸附杂质组分的能力远强于吸附氢气能力的特性，因此可以将混合气体中的氢气提纯。吸附剂对各种气体的吸附性能，主要是通过测定的吸附等温线来评定的。优良的吸附性能和较大的吸附容量是实现吸附分离的基本条件。此外，在吸附过程中，由于吸附床压力是不断变化的，因而吸附还应有足够的强度和抗磨性。

本装置吸附塔内填充的吸附剂有活性氧化铝、硅胶、活性炭与分子筛。

（1）活性氧化铝属于对水有强亲和力的固体，一般采用三合水铝或三水铝矿的热脱水或热活化法制备，主要用于气体干燥。

（2）硅胶类吸附剂属于属于一种合成的无定性SiO2,它是由硅酸钠溶液和无机酸经胶凝、洗涤、干燥及烘焙而成，硅胶不仅对水有强的亲和力，而且对烃类和二氧化碳等组分也有较强的吸附能力。

（3）活性炭吸附剂的特点是：其表面所具有的氧化物基团和无机物杂质，使表面性质表现为弱极性或无极性，加上活性炭所具有的特别大的内表面积，使得活性炭成为一种能大量吸附多种弱极性和非极性有机分子的广谱耐水型吸附剂。

2010年第10期

2010年10月

化学工程与装备

Chemical Engineering & Equipment

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（4）沸石分子筛类吸附剂是一种含碱土元素的结晶态偏硅铝酸盐，属于强极性吸附剂，有着非常一致的孔径结构和极强的吸附选择性。对于煤化工产生的复杂气源而言，在实际应用中往往需要多种吸附剂，按吸附性能依次分层装填组成复合吸附床，才能达到分离所需产品组分的目的。煤气合成气提取氢气的吸附塔内部吸附剂分层布置详见图1。吸附剂对不同介质的吸附能力强弱详见图2：

3工艺流程布置

随着煤化工的蓬勃发展，煤气合成气的利用已经渗入化工生产的各个领域。这种合成气由煤气化而来，组分极其复杂，利用变压吸附提取氢气，必须更严格地控制原料气的质量、合理地设计变压吸附流程、优化吸附剂的选择和布置等。煤气中的粉尘、硫、磷、焦油、蒸汽、水等介质在前段工序已经清除，从而保证进入变压吸附工段的原料气对设备、管道、吸附剂等无任何负作用，从根本上保证变压吸附流程的整体完善。

该变压吸附装置工艺主流程为6-2-2/V，即6个吸附塔任意时刻都有2个吸附塔同时进料2次均压抽空解吸再生工艺，每个吸附塔在一次循环中需要经历吸附(A)、压力均衡1 降(E1D)、压力均衡2 降(E2D)、逆向放压(D)、抽空(V)、压力均衡2 升(E2R)、压力均衡1升(E1R)及最终升压(FR)等15个步骤（详见表2），6 个吸附塔在执行程序的时序上相互错开，以保证原料的连续输入和产品的连续输出。其流程的简易布置图如图3所示：

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4 设备、仪表的选型

4.1 压缩机和真空泵

压缩机根据工况选用螺杆机或活塞机，富氢裂解气氢气提浓装置压缩机选用DW型卧式压缩机，电机功率250KW,根据实际流量大小采用AC-32系列变频器变频调节，压缩机出口压力稳定在0.52～0.6Mpa，提供吸附所需压力。真空泵选用WLW系列为无油（耐腐）立式往复真空泵，电机功率30KW，为吸附剂的再生和解析气排除提供真空，根据解吸气体流量大小分别选用3～4台，由于在运行过程中吸附剂不可避免的会磨损，为了防止吸附剂灰尘进入真空泵，在其进口安装有PFCIII型不锈钢过滤器。压缩机和真空泵均内置缸套冷却水系统，曲轴润滑油系统，活塞环氮气密封系

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