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变压吸附气体分离技术的应用和发展

摘要：变压吸附气体分离技术在工业上得到了广泛应用，已逐步成为一种主要的气体分离技术。它具有能耗低、投资小、流程简单、操作方便、可靠性高、自动化程度高及环境效益好等特点。简单介绍了变压吸附分离技术的特点，重点介绍了近年来变压吸附技术各方面的进步和变压吸附技术目前所达到的水平(工艺流程、气源、产品回收率、吸附剂、程控阀、自动控制等方面)，并对变压吸附技术未来的发展趋势进行了预测。

l 前言

变压吸附 (Pressure Swing Adsorption，PSA)的基本原理是利用气体组分在固体材料上吸附特性的差异以及吸附量随压力变化而变化的特性，通过周期性的压力变换过程实现气体的分离或提纯。该技术于l962年实现工业规模的制氢。进入70年代后，变压吸附技术获得了迅速的发展，装置数量剧增，规模不断增大，使用范围越来越广，工艺不断完善，成本不断下降，逐渐成为一种主要的、高效节能的气体分离技术。

变压吸附技术在我国的工业应用也有十几年历史。我国第一套PSA工业装置是西南化工研究设计院设计的，于l982年建于上海吴淞化肥厂，用于从合成氨弛放气中回收氢气。目前，该院已推广各种PSA工业装置600多套，装置规模从数m3/h到60000

m3/h，可以从几十种不同气源中分离提纯十几种气体。

在国内，变压吸附技术已推广应用到以下九个主要领域：

1．氢气的提纯；2．二氧化碳的提纯，可直接生产食品级二氧化碳；3．一氧化碳的提纯；4．变换气脱除二氧化碳；5.天然气的净化；6．空气分离制氧；7．空气分离制氮；8．瓦斯气浓缩甲烷；9．浓缩和提纯乙烯。

的分离和提纯领域，特别是中小规模制氢，PSA分离技术已占主要在H

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制备及分离方法，如低温法、电解法等，已逐渐被PSA等地位，一些传统的H

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气体分离技术所取代。PSA法从合成氨变换气中脱除CO

技术，可使小合成氨厂

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改变其单一的产品结构，增加液氨产量，降低能耗和操作成本。PSA分离提纯CO 化学碳基合成工业解决了原料气提纯问题。该技术已成功的为国外引技术为C

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进的几套羰基合成装置相配套。PSA提纯CO2技术可从廉价的工业废气制取食品。此外，PSA技术还可以应用于气体中NOx的脱除、硫化物的脱除、某些级CO

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有机有毒气体的脱除与回收等，在尾气治理、环境保护等方面也有广阔的应用前景。

变压吸附的特点

变压吸附气体分离工艺在石油、化工、冶金、电子、国防、医疗、环境保护等方面得到了广泛的应用，与其它气体分离技术相比，变压吸附技术具有以下优点：

1．低能耗，PSA工艺适应的压力范围较广，一些有压力的气源可以省去再次加压的能耗。PSA在常温下操作，可以省去加热或冷却的能耗。

2．产品纯度高且可灵活调节，如PSA制氢，产品纯度可达99．999％，并可根据工艺条件的变化，在较大范围内随意调节产品氢的纯度。

3．工艺流程简单，可实现多种气体的分离，对水、硫化物、氨、烃类等杂质有较强的承受能力，无需复杂的预处理工序。

4．装置由计算机控制，自动化程度高，操作方便，每班只需稍加巡视即可，装置可以实现全自动操作。开停车简单迅速，通常开车半小时左右就可得到合格产品，数分钟就可完成停车。

5．装置调节能力强，操作弹性大，PSA装置稍加调节就可以改变生产负荷，而且在不同负荷下生产时产品质量可以保持不变，仅回收率稍有变化。变压吸附装置对原料气中杂质含量和压力等条件改变也有很强的适应能力，调节范围很宽。

6．投资小，操作费用低，维护简单，检修时间少，开工率高。

7．吸附剂使用周期长。一般可以使用十年以上。

8．装置可靠性高。变压吸附装置通常只有程序控制阀是运动部件，而目前国内外的程序控制阀经过多年研究改进后，使用寿命长，故障率极低，装置可靠性很高，而且由于计算机专家诊断系统的开发应用，具有故障自动诊断，吸附塔自动切换等功

能，使装置的可靠性进一步提高。

9．环境效益好，除因原料气的特性外，PSA装置的运行不会造成新的环境污染，几乎无“三废”产生。

3、变压吸附技术的应用现状

3．1 变压吸附提氢技术

由于制备氢气的原料和方法很多，加上许多工业尾气含有较高的氢气，所以有许多不同的分离提纯氢气的流程。表1列出了比较常用的分离提纯氢气的方法，并对不同方法的特点及适用范围进行了简单的比较。

表1 几种氢气纯化技术比较

PSA提氢技术是PSA发展最早、推广最多的一种工艺，最早在化工行业应用，仅国内就有200多套，冶金行业应用也较多，如用PSA法从焦炉气中提氢耗电约0.5kWh／m3，远低于电解法制氢的耗电。我国几大钢铁企业纷纷采用PSA 技术取代电解法制氢。

石油工业是最大的氢气用户，从世界范围看，石油工业用氢量占氢气总耗量的35％左右。这些氢绝大多数是用石油或煤转化精制而成。随着各国环保

要求的提高。对油品的要求将越来越高，使炼油工业对氢气的需求更多，氢气供求之间的矛盾更加突出。PSA提氢技术在石化系统的应用近年来有较快增长。我国石化行业从80年代开始引进PSA提氢技术，最初引进的提氢装置主要以烃类转化气为原料。现在，石化系统所用原料气已不局限于烃类转化气，许多炼厂废气都可作为PSA提氢原料气。表2列举了近年来国内石化行业采用的部分PSA 提氢装置的简单情况。

表2 近年石化系统采用的部分

PSA提氢装置概况

通过技术进步和市场竞争，我国的PSA技术已经达到国际先进水平，在

回收率、吸附剂、投资等，还处于国际领先水许多方面，如工艺、产品纯度、H

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平。大型PSA提氢装置由最初的外国公司垄断，已发展到国内国外竞争，到1995

年以后，国内新建PSA提氢装置几乎都采用国产技术，国外公司近年在国内基本没有新的大型PSA提氢装置投建。

3．2 变压吸附制氧或制氮

目前，制氧或制氮市场仍然为低温法、PSA和膜分离技术激烈竞争的局面。空分装置主要占据大型制氮和制氧市场。中小型制氧或制氮装置市场上，PSA 和膜分离所占份额继续扩大。

过去的几年中，空分设备继续向更大型和低能耗的方向发展，PSA和膜分离装置在数量和规模上迅速增加，使PSA制氧(氟)量在总的氧(氮)产量中所占比例逐年上升。进入90年代以来，PSA制氧(氮)量每年以30％左右的幅度递增。预计在今后十年还会有更大的发展。据报道在美国PSA制氧能力的增长速率是低温法的4—6倍。

3．3 PSA提纯CO技术

一氧化碳是C1化学的基础原料气，但提纯方法不多，以往国内采用精馏法或Cosorb法提纯CO，但这两种方法的预处理系统复杂，设备多，投资大，操作成本高，效果不理想。四川天一科技股份有限公司开发的二段法PSA分离提纯CO工艺，其投资仅为Cosorb法的65％，生产成本为Cosorb法的60％，能耗为Cosorb法的68％，使我国CO的分离技术达到国际领先水平。

采用固体吸附剂分离CO的PSA工艺有两类：一类是采用化学吸附的CO

的分离，专用铜系吸附剂的吸附工艺，混合气可在PSA装置内一步实现CO和CO

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即所谓的一步法，该工艺流程简单，但目前还处于实验室研究和工业试运转阶段。另一类分离CO工艺是采用常规吸附剂的物理吸附PSA工艺，即二段法工艺，第一步脱除吸附能力较强的组分，第二步再从剩余混合气体中分离提纯CO。该技术已推广应用PSA分离提纯CO装置16套，CO产量可达3000 Nm3／h。

黄磷尾气、转炉气、高炉气等气源中都含有大量的CO，是PSA提纯CO的理想气源，也可以采用PSA工艺将高炉气热值提高用作工业燃气。