PSA吸附劑再生技術應用及總結

徐嚴偉 ， 郭秀紅 ， 王亞樂 ， 楊安成

(河南心連心化肥有限公司 ， 河南 新鄉(xiāng) 453731)

PSA吸附劑再生技術應用及總結

徐嚴偉 ， 郭秀紅 ， 王亞樂 ， 楊安成

(河南心連心化肥有限公司 ， 河南 新鄉(xiāng) 453731)

介紹了一種綜合的變壓吸附劑再生技術，該技術實現了降壓再生、抽空再生和沖洗再生的混合使用及自由轉換。應用后使變壓吸附二段電耗大幅降低，工藝得到優(yōu)化；實現了噸氨耗電降低14 kW·h，吸附時間增加30 s，吸附時間增加幅度為28.6%～31.9%，提升有效氣的回收量。

變壓吸附 ； 吸附劑再生 ； 節(jié)能 ； 優(yōu)化

變壓吸附技術(Pressure Swing Adsorption，PSA)是近幾十年來在工業(yè)上新崛起的氣體分離技術,是物理化學滲流理論在工業(yè)上的具體應用。

目前，變壓吸附技術已經形成一個重要產業(yè)，在氣體分離和凈化領域有廣泛的應用。吸附劑再生是變壓吸附技術的一個重要的過程，在再生方式上可采用降壓、抽空和沖洗等方式。降壓工藝吸附劑再生程度不高；抽空工藝再生徹底，但是能耗高；沖洗工藝能耗低，但是對沖洗介質純度和吸附性要求高且有部分殘留等問題給企業(yè)帶來很大困擾。在該種現狀下提出了PSA吸附劑再生關鍵技術以解決吸附劑再生過程中的難題。

1 應用前裝置概況

河南心連心化肥有限公司“24·40”項目(24萬t/a合成氨40萬t/a尿素)；PSA-CO2脫碳工段一段24個吸附塔，二段24個吸附塔，運行程序為一段有24-6-9/V5(即在線吸附塔為24臺，同時執(zhí)行吸附步驟的吸附塔為6臺，壓力均衡次數為9次，吸附塔再生方式：逆放、抽空)，二段24-6-10/V5(即

在線吸附塔為24臺，同時執(zhí)行吸附步驟的吸附塔為6臺，壓力均衡次數為10次，吸附塔再生方式：逆放、抽空)，處理氣量為200 000 Nm3/h，二段抽空抽空工藝為6臺160 kW真空泵運行以實現吸附劑的再生，產生廢氣送往吹風氣燃燒。

1.1 工藝方框圖

應用前工藝簡圖見圖1。

圖1 應用前工藝簡圖

1.2 工藝流程簡述

變脫氣在壓力1.9～2.1 MPa，溫度≤35 ℃進入系統(tǒng)，除去游離水后送入一段，一段系統(tǒng)采用24-6-9/V5工藝，由24個吸附塔組成，在一段中任一時刻總有6臺吸附塔處于吸附步驟，在吸附塔出口端獲得6%～9%的半產品氣。每臺吸附塔在不同時間依次經歷吸附(A)，一均降(1D)，二均降(2D)，三均降(3D)，四均降(4D)，五均降(5D)，六均降(6D)，七均降(7D)，八均降(8D)，九均降(9D)，順放(PP)，逆向放壓(D1、2、3)，抽空(V)，預升壓(R)，九均升(9R)，八均升(8R)七均升(7R)，六均升(6R)，五均升(5R)，四均升(4R)，三均升(3R)，二均升(2R)，一均升(1R)，預終充(Fr)和終充(FR)共27步。吸附塔所有的均降都用于其它吸附塔的均升以充分回收有效氣體(H2、N2及CO)，逆放步驟排出吸附塔中吸附的CO2，剩余的CO2通過抽真空步驟進一步解吸并作為產品CO2氣輸出。

半產品氣經半產品氣罐緩沖后以穩(wěn)定的壓力1.9～2.1 MPa直接進入二段系統(tǒng)。采用24-6-10/V5工藝，在二段中任一時刻總是有6臺吸附塔處于吸附步驟，由入口端通入半產品氣，在出口端獲得CO2含量≤1.5%的凈化氣。每臺吸附塔在不同時間依次經歷吸附(A)，順放(PP1)，一均降(1D)，二均降(2D)，三均降(3D)，四均降(4D)，五均降(5D)，六均降(6D)，七均降(7D)，八均降(8D)，九均降(9D)，十均降(10D)，順放(PP2)，逆向放壓1(D1)，逆向放壓2(D2)，抽真空(V)，十均升(10R)，九均升(9R)，八均升(8R)，七均升(7R)，六均升(6R)，五均升(5 R)，四均升(4 R)，三均升(3 R)，二均升(2R)，一均升(1R)和最終升壓(FR)，所有的均降都用于其它吸附器壓力均升，以充分回收再生成吸附塔中有效氣體H2、N2及CO；順放1氣進入升壓氣緩沖作為一段預終充用，順放2氣和逆放氣進入順放氣緩沖罐作為一段預升壓用，剩余的CO2通過抽真空步驟進一步解吸，作為解吸氣輸出。

2 PSA吸附劑再生技術的應用

PSA吸附劑關鍵技術是將二段24-6-10/V5工藝改變?yōu)?4-6-10/4P1V(即在線吸附塔為24臺，同時執(zhí)行吸附步驟的吸附塔為6臺，壓力均衡次數為10次，吸附塔再生方式：逆放、沖洗、抽空)工藝，應用后二段電耗大幅降低、二段工藝得到優(yōu)化，吸附時間增加，有效氣回收量顯著提升。

2.1 工藝方框圖

圖2 應用后工藝簡圖

2.2 二段工藝簡述

半產品氣經半產品氣罐緩沖后以穩(wěn)定的壓力1.9～2.1 MPa直接進入二段系統(tǒng)。采用24-6-10/4P1V工藝，在二段中任一時刻總是有6臺吸附塔處于吸附步驟，由入口端通入半產品氣，在出口端獲得CO2含量為≤1.5%的凈化氣。每臺吸附塔在不同時間依次經歷吸附(A)，順放(PP1)，一均降(1D)，二均降(2D)，三均降(3D)，四均降(4D)，五均降(5D)，六均降(6D)，七均降(7D)，八均降(8D)，九均降(9D)，十均降(10D)，順放(PP2)，逆向放壓1(D1)，逆向放壓2(D2)，沖洗(P)，抽真空(V)，十均升(10R)，九均升(9R)，八均升(8R)，七均升(7R)，六均升(6R)，五均升(5R)，四均升(4R)，三均升(3R)，二均升(2R)，一均升(1R)和最終升壓(FR)，所有的均降都用于其它吸附器的壓力均升，以充分回收再生成吸附塔中的有效氣體H2，N2及CO；順放1氣進入升壓氣緩沖作為一段預終充用，順放2氣和逆放氣進入順放氣緩沖罐作為一段預升壓用，剩余的CO2通過沖洗、抽真空步驟進一步解吸，作為解吸氣輸出。

2.3 PSA吸附劑再生技術裝置的組成

該再生控制裝置包括多介質進氣裝置、沖洗裝置、排空裝置和控制系統(tǒng)。多介質進氣裝置由儲氣裝置、調節(jié)閥組等組成；沖洗裝置依附于原有吸附塔及配套相關程控閥；排空系統(tǒng)依附于原有放空系統(tǒng)及配套相關程控閥；控制系統(tǒng)主要為控制步驟的相關編制，由計算機中控系統(tǒng)進行有序執(zhí)行。

2.4 再生方法

沖洗介質包括：氮氣、氫氣及合格凈化氣，再生方法包括以下幾種：沖洗再生法、沖洗抽空再生法、抽空再生法等方法。

2.5 主要工藝步驟

2.5.1 沖洗再生工藝步驟

壓力在0.2～0.4 MPa的沖洗介質在緩沖罐中穩(wěn)壓后，經調節(jié)閥控制流量為1 500～4 200 Nm3/h，在進入吸附劑再生時序后程控閥打開，沖洗介質進入吸附塔，進行沖洗步驟完成吸附劑再生，沖洗氣經排空管道放空。

2.5.2 沖洗抽空再生工藝步驟

為了提高吸附劑再生效果減少吸附劑中沖洗介質及非產品氣的殘余量，利用沖洗抽空再生法：壓力在0.2～0.4 MPa的沖洗介質在緩沖罐中穩(wěn)壓后，經調節(jié)閥控制流量為1 500～3 800 Nm3/h，在進入吸附劑再生時序后程控閥打開，沖洗介質進入吸附塔，進行沖洗步驟完成吸附劑再生，沖洗氣經排空管道放空；完成沖洗步驟后，進入抽空時序，此時程控閥打開，真空泵投入運行，進行抽真空再生，抽空氣經排空管道外排。

3 工藝情況對比

(以N2為沖洗介質)

3.1 各種再生方式的工藝對比

再生方式工藝對比見表1。

表1 各種再生方式的工藝對比表

3.2 運行情況及對比

設計的時序有V5(24-6-10/V5)、4V1P(24-6-10/4V1P)、2V2P(24-6-10/2V2P)、3P1V(24-6-10/3P1V)、4P1V(24-6-10/4P1V)、4P(24-6-10/4P)等。其中4V1P、2V2P、3P1V，為過渡時序，以V5、4P1V、4P三種時序為主時序進行對比分析。

主時序V5運行，10次均壓，6臺真空泵抽空，10均降壓力80 kPa，順放壓力30 kPa，逆放二壓力5 kPa。抽空壓力-70 kPa，以凈化氣控制在1.2%為標準，吸附時間控制94～105 s。

主時序4P+V運行，9次均壓，4次沖洗，1臺真空泵(160 kW)抽空，沖洗氮氣總流量3 800 Nm3/h，9均降壓力90 kPa，順放壓力65 kPa，逆放二壓力38 kPa。以凈化氣控制在1.2﹪為標準，吸附時間控制130～135 s。噸氨電耗相對于V5降低14 kW·h。

主時序4P運行，12次均壓，4次沖洗，真空泵全停，沖洗氮氣總流量4 200 Nm3/h，9均降壓力100 kPa，順放壓力76 kPa，逆放二壓力47 kPa。以凈化氣控制在1.2%為標準，吸附時間控制123～128 s。噸氨電耗相對于V5降低16 kW·h。

經過主時序運行對比后，主時序4P1V和4P各有優(yōu)缺點，4P1V節(jié)能效果較為明顯，噸氨耗電下降14度，吸附時間相比V5增加30 s(原為94 s～105 s)，增加幅度為28.6%～31.9%。4P節(jié)能效果最為顯著，噸氨耗電下降16 kW·h，吸附時間相比V5增加23 s，增加幅度為21.9%～24.5%。另外，在沖洗介質不充分或者無沖洗介質的情況下可以及時切換為V5時序，保持生產穩(wěn)定長周期運行。

4 效益分析

(N2為沖洗介質4P1V)

4.1 優(yōu)化工藝

主時序4P1V運行吸附時間在130～135 s，吸附時間總體增加30 s(原為94～105 s)，增加幅度為28.6%～31.9%，回收氣量增加，總氨產量相應增加；凈化氣中CO2可以降低至0.9 %以下，工藝優(yōu)化效果明顯。

4.2 經濟效益分析

主程序4P+V運行時，停止運行真空泵4臺(160 kW三臺、250 kW一臺)。經濟核算：按照主程序4P1V停5臺真空泵，全年生產330 d計算，年節(jié)電279.63萬元。

5 結論

經技術應用后，PSA吸附劑再生技術在節(jié)能降耗及優(yōu)化工藝方面有著明顯的優(yōu)勢，在PSA變壓吸附領域有著良好的推廣意義。

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B

1003-3467(2015)09-0043-03

2015-06-28

徐嚴偉(1984-)，男，助理工程師，從事化工設計及合成氨工藝的研究工作，電話：13598698756。