变压吸附氢气收率提升措施研究

变压吸附氢气收率提升措施研究

余菲

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摘要：氢气纯化技术通过物理或化学方法,将含氢原料气中的杂质去除,实现高体积分数 H2 制备以满足不同的工业需求,是氢能高效利用必不可少的环节。 根据纯化原理的不同,可以将 H2 纯化方法分为变压吸附、膜分离、深冷分离法等物理法,以及 CO 优先氧化、CO 选择性甲烷化、金属氢化物分离法等化学法,综述了不同纯化方法的技术原理和研究进展。 H2 纯化过程应该根据原料气的组成特点、产品气的要求以及具体的纯化规模,选择合适的纯化方法。 多种纯化方法的联合使用,新型纯化材料及过程强化工艺开发是氢气纯化技术的发展方向。

关键词：变压吸附氢气；收率提升；措施

引言

氢能作为一种高发热量的零碳排放清洁能源,被认为是未来化石燃料的有效替代品,也是实现碳中和目标的最佳能源供应方案之一。当前,能源产业结构正在由石油、煤炭等高碳排放的化石燃料向零碳排放的氢能转型,氢能产业市场拥有巨大潜力。氢气纯化技术是指利用多种方式去除制氢原料气中的杂质组分,最终获得符合工业生产应用标准的高纯氢气。纯化过程是实现氢能有效利用的关键步骤,纯化后的氢气被广泛应用于冶金、生物医疗、燃料电池、航空航天等高新技术产业。随着氢气产能日趋增大,下游产业不断提升高纯氢产品的质量标准,因而高效率、低能耗、适应能力强的氢气纯化技术获得较大需求空间。

1变压吸附法的意义

变压吸附的原理是利用固体吸附剂对混合气体中各组分吸附能力的不同以及对气体组分在不同压力下吸附量的差异来实现气体分离,其具有产品体积分数高、调节灵活等优点。 变压吸附过程主要包括升压、吸附、降压 / 抽真空、冲洗等基本步骤。 首先在较高压力下将气体吸附,然后在较低压力(或者真空) 下进行解吸,吸附剂同时得以再生。 在操作过程中,压力进行周期性的变化,就可以实现不同气体组分的分离。 在活性炭和 5A分子筛上,H2 的饱和 吸 附 量 显 著 低 于 CO、 CO2 和N2 ,因此,对于热化学制氢所得到的富氢混合气体,适合用 PSA 技术来进行 H2 纯化。

2变压吸附氢气收率影响因素

2.1吸附时间和吸附气量的关系

对焦炉煤气变压吸附制氢装置运行情况进行记录，在吸附制氢工艺条件不变的情况下，原料气量越大，其中所蕴含的氢气量越大，在实际制氢过程中，吸附杂质的速率会加快，产生同样氢气量所需要的吸附时间也会相应缩短。反之，如果原料气量降低，想要提高产品的得率，则需要延长吸附时间。但在变压吸附情况下，随着气量的增大，其中所蕴含的杂质相应增多，制出氢气的纯度会降低。

2.2吸附时间与氢气收率的关系

由上文可知，在提高氢气回收率的同时，会导致变压吸附装置内部的杂质处理量越来越多。由于装置内部吸附剂动态吸附量不会改变，因此，随着杂质量的不断增多，氢气纯度会有所降低。经过对变压吸附制氢装置最佳状态下的运行记录分析发现，在原料气量与其他工艺条件不发生改变的情况下，随着吸附时间的变化，氢气收率会发生一定的改变。变压吸附制氢过程中，吸附时间与氢气收率并没有明确的线性关系，吸附时间在 135 s 时，氢气收率为 91.03％。吸附时间在136 s 时，氢气收率为 91.32%。吸附时间在 143 s 时，氢气收率最低，为 86.77％。

2.3吸附剂材料

吸附剂是 PSA 工艺的核心,研究人员致力于对传统吸附剂进行改进以增强吸附剂对杂质 气体的吸附能力,提升分离效果。 用于 H2 纯化 PSA 工艺的吸附剂需要满足以下几个条件:(1)CO、CO2、N2、H2O 和 CH4 等杂质气体在吸附剂上的饱和吸附量要远大于 H2 的饱和吸附量;( 2)单位质量的吸附剂的饱和吸附量大;(3)吸附剂的再生能力好;(4)吸附剂的机械强度高,循环稳定性好。目前常用的吸附剂材料包括氧化铝、 胶、活性炭、沸石分子筛等。 氧化铝对水具有强亲和力,主要用于气体干燥。 硅胶属于无定形SiO2,不仅对水有较强的亲和力,而且对烃类和 CO2 等组分也有较强的吸附能力。 活性炭表面性质为弱极性 或无极性,可以用来吸附弱极性和非极性分子。

3变压吸附制氢装置的工艺优化方案

3.1吸附时间优化

由上述分析可知，氢气收率与吸附时间有着直接的联系，并且也与吸附气量以及氢气的纯度有着一定的关系。焦炉煤气变压吸附制氢系统所应用的原料气为生产过程中焦炉所产生的尾气，在生产工艺和生产规模不变的情况下，原料气当中的组分和含量不会发生较大改变。因此，对吸附时间的优化依据上文分析结果，将吸附时间控制在 136 s，能够在保证氢气纯度的情况下，提高氢气收率。

3.2冲洗再生过程优化

在变压吸附制氢过程中，吸附剂在吸附完成后需要进行再生，该环节需要通过逆放和冲洗工序来完成。在变压吸附制氢工艺设定过程中，为了确保制氢过程中产生的废气能够顺利进入废气柜，在压力设计时，逆放位置的压力设定得较高。在长时间应用中，管路积塞问题严重，导致装置制氢单元解吸气背压越来越高。在逆放工序完成后，吸附器的压力依旧处于较高水平，导致吸附器的冲洗效果较差。由于废气管路积塞问题处理困难，需要投入大量资金，并且还需要长时间停产，不符合生产要求。因此，本次优化适当降低制氢单元解吸气背压。同时，还需要保证废气能够正常输入至解吸气管网中。本次将去火炬的废气总管压力设置为 3.5～4.5 kPa。并且对制氢单元的吸附时间合理分配，将一 / 二次逆向放压改变为一次逆向放压，并缩短时间，加快放压速率。将两次冲洗改变为一次冲洗，延长冲洗时间，将逆向放压所节约出的时间增加至冲洗部分，从而提高吸附塔的冲洗效果，提高吸附剂的再生效率，提高废气处理量。

3.3优化后经济性分析

焦炉煤气变压吸附制氢装置所处理的原料气设计为2400m3/h，其中，氢气含量为 2400m3/h×54％=1296 m3/h，优化前小时产氢量700m3/h，工艺优化后，氢气收率提高200 m3/h，全年增效200m3/h*24h*330d*2.5元/m3=396万元。

结语

综上所述，本文在综合分析吸附制氢提取率影响因素后，讨论了吸附时间优化、冲洗再生过程优化两种方案的可行性，对改进后的经济指标进行了分析，对提升变压吸附提氢率具有一定的参考意义。

参考文献

[1]李克兵. 变压吸附技术的进步及其在石化工业的应用 [C]//中国石油学会第四次石油炼制学术年会, 2001.

[2]秦建峰. 变压吸附氢提纯装置的运行问题分析及对策 [J]. 石化技术与应用, 2009, 27(4): 345-347.