變壓吸附氣體分離技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展

摘要：變壓吸附氣體分離技術(shù)在工業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用，已逐步成為一種主要的氣體分離技術(shù)。它具有能耗低、投資小、流程簡(jiǎn)單、操作方便、可靠性高、自動(dòng)化程度高及環(huán)境效益好等特點(diǎn)。簡(jiǎn)單介紹了變壓吸附分離技術(shù)的特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹了近年來變壓吸附技術(shù)各方面的進(jìn)步和變壓吸附技術(shù)目前所達(dá)到的水平(工藝流程、氣源、產(chǎn)品回收率、吸附劑、程控閥、自動(dòng)控制等方面)，并對(duì)變壓吸附技術(shù)未來的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

 前 言

        變壓吸附 (Pressure Swing Adsorption，PSA)的基本原理是利用氣體組分在固體材料上吸附特性的差異以及吸附量隨壓力變化而變化的特性，通過周期性的壓力變換過程實(shí)現(xiàn)氣體的分離或提純。該技術(shù)于l962年實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模的制氫。進(jìn)入70年代后，變壓吸附技術(shù)獲得了迅速的發(fā)展，裝置數(shù)量劇增，規(guī)模不斷增大，使用范圍越來越廣，工藝不斷完善，成本不斷下降，逐漸成為一種主要的、高效節(jié)能的氣體分離技術(shù)。

二．在國(guó)內(nèi)，變壓吸附技術(shù)已推廣應(yīng)用到以下九個(gè)主要領(lǐng)域

       1、氫氣的提純；2、二氧化碳的提純，可直接生產(chǎn)食品級(jí)二氧化碳；3、一氧化碳的提純；4、變換氣脫除二氧化碳；5、天然氣的凈化；6、空氣分離制氧；7、空氣分離制氮；8、瓦斯氣濃縮甲烷；9、濃縮和提純乙烯。

        在H₂的分離和提純領(lǐng)域，特別是中小規(guī)模制氫，PSA分離技術(shù)已占主要地位，一些傳統(tǒng)的H₂制備及分離方法，如低溫法、電解法等，已逐漸被PSA等氣體分離技術(shù)所取代。PSA法從合成氨變換氣中脫除CO₂技術(shù)，可使小合成氨廠改變其單一的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，增加液氨產(chǎn)量，降低能耗和操作成本。PSA分離提純CO技術(shù)為碳一化學(xué)碳基合成工業(yè)解決了原料氣提純問題。該技術(shù)已成功的為國(guó)外引進(jìn)的幾套羰基合成裝置相配套。PSA提純CO₂技術(shù)可從廉價(jià)的工業(yè)廢氣制取食品級(jí)CO₂。此外，PSA技術(shù)還可以應(yīng)用于氣體中NOx的脫除、硫化物的脫除、某些有機(jī)有毒氣體的脫除與回收等，在尾氣治理、環(huán)境保護(hù)等方面也有廣闊的應(yīng)用前景。

變壓吸附的特點(diǎn)：

        變壓吸附氣體分離工藝在石油、化工、冶金、電子、國(guó)防、醫(yī)療、環(huán)境保護(hù)等方面得到了廣泛的應(yīng)用，與其它氣體分離技術(shù)相比，變壓吸附技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

        1、低能耗，PSA工藝適應(yīng)的壓力范圍較廣，一些有壓力的氣源可以省去再次加壓的能耗。PSA在常溫下操作，可以省去加熱或冷卻的能耗。

        2、產(chǎn)品純度高且可靈活調(diào)節(jié)，如PSA制氫，產(chǎn)品純度可達(dá)99.999％，并可根據(jù)工藝條件的變化，在較大范圍內(nèi)隨意調(diào)節(jié)產(chǎn)品氫的純度。

        3、工藝流程簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)多種氣體的分離，對(duì)水、硫化物、氨、烴類等雜質(zhì)有較強(qiáng)的承受能力，無需復(fù)雜的預(yù)處理工序。

        4、裝置由計(jì)算機(jī)控制，自動(dòng)化程度高，操作方便，每班只需稍加巡視即可，裝置可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)操作。開停車簡(jiǎn)單迅速，通常開車半小時(shí)左右就可得到合格產(chǎn)品，數(shù)分鐘就可完成停車。

        5、裝置調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，操作彈性大，PSA裝置稍加調(diào)節(jié)就可以改變生產(chǎn)負(fù)荷，而且在不同負(fù)荷下生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)品質(zhì)量可以保持不變，僅回收率稍有變化。變壓吸附裝置對(duì)原料氣中雜質(zhì)含量和壓力等條件改變也有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，調(diào)節(jié)范圍很寬。

        6、投資小，操作費(fèi)用低，維護(hù)簡(jiǎn)單，檢修時(shí)間少，開工率高。

        7、吸附劑使用周期長(zhǎng)。一般可以使用十年以上。

        8、裝置可靠性高。變壓吸附裝置通常只有程序控制閥是運(yùn)動(dòng)部件，而目前國(guó)內(nèi)外的程序控制閥經(jīng)過多年研究改進(jìn)后，使用壽命長(zhǎng)，故障率極低，裝置可靠性很高，而且由于計(jì)算機(jī)專家診斷系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用，具有故障自動(dòng)診斷，吸附塔自動(dòng)切換等功能，使裝置的可靠性進(jìn)一步提高。

        9、環(huán)境效益好，除因原料氣的特性外，PSA裝置的運(yùn)行不會(huì)造成新的環(huán)境污染，幾乎無“三廢”產(chǎn)生。

三、變壓吸附技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

        3.1 變壓吸附提氫技術(shù)

        由于制備氫氣的原料和方法很多，加上許多工業(yè)尾氣含有較高的氫氣，所以有許多不同的分離提純氫氣的流程。表1列出了比較常用的分離提純氫氣的方法，

        并對(duì)不同方法的特點(diǎn)及適用范圍進(jìn)行了簡(jiǎn)單的比較。

表1 幾種氫氣純化技術(shù)比較

        PSA提氫技術(shù)是PSA發(fā)展最早、推廣最多的一種工藝，最早在化工行業(yè)應(yīng)用，僅國(guó)內(nèi)就有200多套，冶金行業(yè)應(yīng)用也較多，如用PSA法從焦?fàn)t氣中提氫耗電約0.5kWh／m³，遠(yuǎn)低于電解法制氫的耗電。我國(guó)幾大鋼鐵企業(yè)紛紛采用PSA技術(shù)取代電解法制氫。

        石油工業(yè)是最大的氫氣用戶，從世界范圍看，石油工業(yè)用氫量占?xì)錃饪偤牧康?5％左右。這些氫絕大多數(shù)是用石油或煤轉(zhuǎn)化精制而成。隨著各國(guó)環(huán)保要求的提高。對(duì)油品的要求將越來越高，使煉油工業(yè)對(duì)氫氣的需求更多，氫氣供求之間的矛盾更加突出。PSA提氫技術(shù)在石化系統(tǒng)的應(yīng)用近年來有較快增長(zhǎng)。我國(guó)石化行業(yè)從80年代開始引進(jìn)PSA提氫技術(shù)，最初引進(jìn)的提氫裝置主要以烴類轉(zhuǎn)化氣為原料?，F(xiàn)在，石化系統(tǒng)所用原料氣已不局限于烴類轉(zhuǎn)化氣，許多煉廠廢氣都可作為PSA提氫原料氣。表2列舉了近年來國(guó)內(nèi)石化行業(yè)采用的部分PSA提氫裝置的簡(jiǎn)單情況。

表2 近年石化系統(tǒng)采用的部分PSA提氫裝置概況

        通過技術(shù)進(jìn)步和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，我國(guó)的PSA技術(shù)已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，在許多方面，如工藝、產(chǎn)品純度、H₂回收率、吸附劑、投資等，還處于國(guó)際領(lǐng)先水平。大型PSA提氫裝置由最初的外國(guó)公司壟斷，已發(fā)展到國(guó)內(nèi)國(guó)外競(jìng)爭(zhēng)，到1995年以后，國(guó)內(nèi)新建PSA提氫裝置幾乎都采用國(guó)產(chǎn)技術(shù)，國(guó)外公司近年在國(guó)內(nèi)基本沒有新的大型PSA提氫裝置投建。

3.2 變壓吸附制氧或制氮

        目前，制氧或制氮市場(chǎng)仍然為低溫法、PSA和膜分離技術(shù)激烈競(jìng)爭(zhēng)的局面?？辗盅b置主要占據(jù)大型制氮和制氧市場(chǎng)。中小型制氧或制氮裝置市場(chǎng)上，PSA和膜分離所占份額繼續(xù)擴(kuò)大。

        過去的幾年中，空分設(shè)備繼續(xù)向更大型和低能耗的方向發(fā)展，PSA和膜分離裝置在數(shù)量和規(guī)模上迅速增加，使PSA制氧(氟)量在總的氧(氮)產(chǎn)量中所占比例逐年上升。進(jìn)入90年代以來，PSA制氧(氮)量每年以30％左右的幅度遞增。預(yù)計(jì)在今后十年還會(huì)有更大的發(fā)展。據(jù)報(bào)道在美國(guó)PSA制氧能力的增長(zhǎng)速率是低溫法的4～6倍。

3.3  PSA提純CO技術(shù)

        一氧化碳是C1化學(xué)的基礎(chǔ)原料氣，但提純方法不多，以往國(guó)內(nèi)采用精餾法或Cosorb法提純CO，但這兩種方法的預(yù)處理系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備多，投資大，操作成本高，效果不理想。某公司開發(fā)的二段法PSA分離提純CO工藝，其投資僅為Cosorb法的65％，生產(chǎn)成本為Cosorb法的60％，能耗為Cosorb法的68％，使我國(guó)CO的分離技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

        采用固體吸附劑分離CO的PSA工藝有兩類：一類是采用化學(xué)吸附的CO專用銅系吸附劑的吸附工藝，混合氣可在PSA裝置內(nèi)一步實(shí)現(xiàn)CO和CO₂的分離，即所謂的一步法，該工藝流程簡(jiǎn)單，但目前還處于實(shí)驗(yàn)室研究和工業(yè)試運(yùn)轉(zhuǎn)階段。另一類分離CO工藝是采用常規(guī)吸附劑的物理吸附PSA工藝，即二段法工藝，第一步脫除吸附能力較強(qiáng)的組分，第二步再?gòu)氖Ｓ嗷旌蠚怏w中分離提純CO。該技術(shù)已推廣應(yīng)用PSA分離提純CO裝置16套，CO產(chǎn)量可達(dá)3000 Nm³／h。

        黃磷尾氣、轉(zhuǎn)爐氣、高爐氣等氣源中都含有大量的CO，是PSA提純CO的理想氣源，也可以采用PSA工藝將高爐氣熱值提高用作工業(yè)燃?xì)狻?/span>

3.4 二氧化碳的分離提純

        有關(guān)二氧化碳的分離提純工藝。當(dāng)前約有40多種。歸納起來?？煞譃樗拇箢愋停喝軇┪辗?、低溫蒸餾法、膜分離法和變壓吸附法，這些方法也可組合應(yīng)用。

        吸收工藝適用于氣體中CO₂含量較低的情況，CO₂濃度可達(dá)到99.99％。但該工藝投資費(fèi)用大，能耗較高，分離回收成本高。蒸餾工藝適用于高濃度的情況，如CO₂濃度為60％。該工藝的設(shè)備投資大，能耗高，分離效果差，成本也高。一般情況不太采用。

表3 常用CO₂氣源及含量

        膜分離法工藝較簡(jiǎn)單，操作方便，能耗低，經(jīng)濟(jì)合理，缺點(diǎn)是常常需要前級(jí)處理、脫水和過濾，且很難得到高純度的CO₂。但仍不失為一種較好的分離CO₂的方法。

        PSA分離提純CO₂技術(shù)于1986年實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，可以從多種含CO₂的氣源中分離提純CO₂，滿足CO₂的多種工業(yè)用途。表3列舉了可作為PSA提純CO₂的常用氣源及組成。四川天一科技股份有限公司推廣的PSA分離提純CO₂裝置已有20多套。

3.5 PSA技術(shù)在其它領(lǐng)域的應(yīng)用

        可用于天然氣的凈化。天然氣中常含有的O.5％~3％的烴類雜質(zhì)如乙烷、丙烷、丁烷等常常影響以天然氣為原料的化工產(chǎn)品的質(zhì)量。采用PSA凈化工藝，可以將烴類雜質(zhì)脫除到100×10^-6以下，是一種理想的凈化方法。

        可用于煤礦瓦斯氣濃縮，將煤礦瓦斯氣中甲烷濃縮，提高其熱值達(dá)到城市煤氣的水平，可使瓦斯氣變廢為寶。

        可用于脫除各種工業(yè)氣源和放空尾氣中的NOx、硫化氫等有害雜質(zhì)。

        可用于乙烯濃縮、尾氣凈化等各種領(lǐng)域。

        四川蜀泰化工科技有限公司作為中國(guó)領(lǐng)先的制氫產(chǎn)品和技術(shù)供應(yīng)商之一，其產(chǎn)品和技術(shù)已廣泛應(yīng)用于天然氣制氫裝置或制氫站、甲醇制氫裝置或制氫站、甲醇燃料電池、甲醇制氫機(jī)等領(lǐng)域。目前在世界范圍內(nèi)有600多個(gè)用戶，遍布中國(guó)31個(gè)省、市、自治區(qū)及歐洲、美洲、東南亞、獨(dú)聯(lián)體等14個(gè)國(guó)家和地區(qū)。蜀泰已獲國(guó)家專利授權(quán)21項(xiàng)，多個(gè)產(chǎn)品及技術(shù)通過了國(guó)家、省部級(jí)科技成果鑒定驗(yàn)收，并獲得了中國(guó)創(chuàng)新大賽總決賽“優(yōu)秀企業(yè)”獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)，擁有“四川省企業(yè)技術(shù)中心”、“院士專家工作站”、“醇?xì)渲攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”等科研創(chuàng)新平臺(tái)。四川蜀泰化工科技有限公司的制氫技術(shù)，可為用戶提供氫氣純度為99.9%～99.999%的不同規(guī)模的甲醇制氫站、天然氣制氫站。

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