制氫馳放氣優(yōu)化利用方案的研究

姚元宏, 韓文娟，孫立春，王黎明

（新疆寰球工程公司， 新疆 獨(dú)山子 833699）

制氫馳放氣優(yōu)化利用方案的研究

姚元宏, 韓文娟，孫立春，王黎明

（新疆寰球工程公司， 新疆 獨(dú)山子 833699）

制氫裝置PSA單元產(chǎn)生的馳放氣中含有高濃度的甲烷、氫氣、一氧化碳、二氧化碳。比較了變壓吸附法、溶劑吸收法和膜分離法分離馳放氣中的二氧化碳，從凈化氣指標(biāo)、總能耗、運(yùn)行費(fèi)用和裝置投資方面迚行比較，得出變壓吸附法分離優(yōu)于其它兩種方案。另外，變壓吸附法分離沒(méi)有涉及化學(xué)過(guò)程，相比操作運(yùn)行更簡(jiǎn)單方便，可實(shí)現(xiàn)在線切換吸附器，有利于裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行。

馳放氣；分離工藝；CO2脫除；節(jié)能

我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)，各項(xiàng)建設(shè)取得巨大成就，但也付出了巨大的資源和環(huán)境代價(jià)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源環(huán)境的矛盾也日趨尖銳。人們?cè)絹?lái)越多地關(guān)注環(huán)境污染問(wèn)題，越來(lái)越重視節(jié)能降耗、節(jié)能減排。通過(guò)各種新技術(shù)、新工藝、新舉措的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)資源的綜合利用、循環(huán)利用，減小能源的浪費(fèi)、減小環(huán)境的污染。本文重點(diǎn)闡述某石化廠制氫馳放氣的綜合利用，結(jié)合裝置的現(xiàn)狀，通過(guò)方案比較，找出切實(shí)可行的實(shí)施方案。

1 項(xiàng)目背景

某石化廠制氫馳放氣主要來(lái)源于氫提純單元中的變壓吸附（PSA）系統(tǒng)，PSA氫氣提純工藝在得到純度很高的氫氣同時(shí)，也伴隨著大量的馳放氣產(chǎn)生，這部分馳放氣中含有高濃度的甲烷、氫氣、一氧化碳、二氧化碳等組分，馳放氣的組成詳見(jiàn)表1。

表1 馳放氣組成表Table 1 The composition of the purge

如果這些氣體直接排入大氣，不僅造成燃料和能源的浪費(fèi)，還造成大氣環(huán)境的污染［1］。目前該石化廠主要將制氫馳放氣通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)送至轉(zhuǎn)化爐作為燃料，由于馳放氣中含有大量的CO2氣體，它本身不能燃燒，也不能助燃，因此在實(shí)際的燃燒過(guò)程中，比純?nèi)剂先紵裏崃繐p失更大。通過(guò)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，該石化廠年燃燒馳放氣0.9×108Nm3，其總熱量為7.95 ×108MJ，相當(dāng)于27 125 t標(biāo)煤。但因含有大量二氧化碳，其熱量損失0.84×108MJ，相當(dāng)于2 866 t標(biāo)煤。若將其中的二氧化碳分離去除80%以上，其熱量將多利用0.67×108MJ，相當(dāng)于2 286 t標(biāo)煤。因此將馳放氣中CO2脫除后再作為轉(zhuǎn)化爐燃料使用，具有很好的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益。

2 CO2分離方案對(duì)比

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于CO2分離的方法主要有變壓吸附法、溶劑吸收法和膜分離法［2］。

2.1 變壓吸附法分離

變壓吸附法是利用特定的吸附劑［3］在一定溫度和壓力下對(duì)不同的氣體組分存在不同的吸附能力，隨著壓力的變化其吸附量又有明顯變化的特性，通過(guò)加

壓吸附，減壓再生而迚行氣體分離。吸附和解吸過(guò)程是完全可逆的，整個(gè)過(guò)程不需要外部供熱，也無(wú)吸附劑消耗。在吸附階段，原料氣體在0.7 MPa（g）壓力條件下，從下至上通過(guò)一臺(tái)裝滿多種吸附劑的容器，這樣可將二氧化碳吸附在吸附劑床層內(nèi)，而脫除二氧化碳后的凈化氣體從容器上部離開(kāi)。吸附器的再生，是在系統(tǒng)中處于最低壓力條件下迚行，再生時(shí)脫附氣體主要為CO2。工藝流程圖詳見(jiàn)圖1。

圖1 變壓吸附法工藝流程圖Fig.1 Pressure swing adsorption method Process Chart

該方案吸附單元共設(shè)置8臺(tái)吸附器，8臺(tái)吸附器交替迚行吸附、再生操作，即可實(shí)現(xiàn)馳放氣的連續(xù)分離。該方案操作運(yùn)行的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)詳見(jiàn)表2。

表2 各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)表Table 2 Technical analysis indicators

2.2 溶劑吸收法分離

溶劑吸收法主要通過(guò)化學(xué)溶劑對(duì)原料氣中 CO2的選擇性吸收與解吸來(lái)實(shí)現(xiàn)分離。目前工業(yè)使用以醇胺溶劑為主，本方案采用新型三元胺吸收劑，通過(guò)一段吸收和加熱汽提解吸再生實(shí)現(xiàn)CO2的高效分離。馳放氣由鼓風(fēng)機(jī)送至醇胺溶劑吸收塔［4］，脫除CO2后的凈化氣經(jīng)冷凝氣液分離后送至轉(zhuǎn)化爐作為燃料。吸收了CO2的富液經(jīng)預(yù)熱后迚入再生塔，在再生塔中除去CO2的貧液經(jīng)過(guò)濾、冷卻后再返回吸收塔，CO2富集氣通過(guò)塔頂收集。工藝流程圖詳見(jiàn)圖 2。該方案主要設(shè)置吸收塔、解吸塔以及配套的換熱器、冷凝冷卻器、機(jī)泵等設(shè)備。該方案氣源壓力要求小，為常壓吸收，技術(shù)成熟可靠。

但溶劑再生能耗大、工藝相對(duì)較為復(fù)雜，吸收劑具有腐蝕性。該方案操作運(yùn)行的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)詳見(jiàn)表3。

2.3 膜分離法分離

氣體膜分離是利用氣體各組分在高分子中的溶解、擴(kuò)散速率不同，在膜兩側(cè)分壓差的作用下，氣體通過(guò)膜的滲透速率不同而分離的過(guò)程。

圖2 溶劑吸收法工藝流程圖Fig.2 Solvent absorption method Process Chart

表3 各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)表Table 3 Technical analysis indicators

膜分離法［5］應(yīng)用于馳放氣CO2的分離，需要將馳放氣增壓至3.5 MPa左右，運(yùn)行費(fèi)用高達(dá)210.48元/tCO2，運(yùn)行成本較高。另外膜分離法較適宜的CO2濃度為20%～60%，其產(chǎn)品凈化氣的純度也有限，只能在一定程度上提濃，要使凈化氣純度提高，需和其他方法聯(lián)合使用。制氫馳放氣優(yōu)化利用方案的研究通過(guò)上述三種分離方案的綜合比較，變壓吸附法分離無(wú)論從凈化氣指標(biāo)、總能耗、運(yùn)行費(fèi)用和裝置投資方面，均優(yōu)于其它兩種方案。另外變壓吸附法分離沒(méi)有涉及化學(xué)過(guò)程，相比操作運(yùn)行更簡(jiǎn)單方便，可實(shí)現(xiàn)在線切換吸附器，對(duì)于裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行更有利。通過(guò)對(duì)項(xiàng)目實(shí)施運(yùn)行后經(jīng)濟(jì)效益迚行測(cè)算分析，稅后靜態(tài)投資回收期(含建設(shè)期）為3 a。

3 結(jié) 論

通過(guò)以上方案的比選和論述，該石化廠制氫馳放氣脫除CO2的方案確定為變壓吸附法分離，脫除CO2后的凈化氣作為轉(zhuǎn)化爐的燃料，既提高了燃料的綜合利用率，又達(dá)到了節(jié)能減排的效果，滿足了裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行的要求。從項(xiàng)目實(shí)施運(yùn)行后來(lái)看，具有很好的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益。

［1］鄺生魯.化學(xué)工程師技術(shù)全書(shū)[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009.

［2］郭慶杰.溫室氣體 CO2捕集和利用技術(shù)迚展[M]. 化學(xué)工業(yè)出版社,2010-10.

［3］李小森.二氧化碳分離技術(shù)在煙氣分離中的發(fā)展現(xiàn)狀[J].現(xiàn)代化工,2009,29(4)：25-30.

［4］徐凱.回收煙氣中二氧化碳的技術(shù)研究[J]. 化工設(shè)計(jì), 2009,19(2)：11-13; 50.

［5］朱寶庫(kù).膜接觸器分離混合氣中二氧化碳的研究[J].環(huán)境科學(xué),2003(5)：34-38.

Study on the Optimization Method of the Purge Gases Use in Hydrogen Production Devices

YAO Yuan-hong，HAN Wen-juan，SUN Li-chun，WANG Li-ming
（HQC(Xinjiang) Company, Xinjiang Dushanzi 833699，China）

Hydrogen production device PSA Unit produces purge gases which contain high concentration of methane, hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide and so on. Compared with solvent absorption method and membrane separation method, pressure swing adsorption method (PSA) has obvious advantages in the purity of the purified gas, total energy consumption, running cost and investment; and its operation is simple and convenient since there is no chemical reaction.

Purge gases; Separation process; Carbon dioxide desorption; Energy saving

TQ 028

A

1671-0460（2014）09-1735-02

2014-08-27

姚元宏（1978-），陜西商洛人，工程師，2002年畢業(yè)于西安石油學(xué)院，研究方向：從事石油及化工設(shè)計(jì)工作。E-mail：xjyaoyuanhong@hqcec.com。