變壓吸附分離二氧化碳技術(shù)的研究進展及其在煉廠氣分離上的應(yīng)用

李 燃

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變壓吸附分離二氧化碳技術(shù)的研究進展及其在煉廠氣分離上的應(yīng)用

李 燃

（中國檢驗檢疫科學(xué)研究院，北京100176）

在充分調(diào)研國內(nèi)外關(guān)于變壓吸附分離CO2技術(shù)資料的基礎(chǔ)上，對變壓吸附工藝、吸附劑等的發(fā)展現(xiàn)狀進行了概述，并比較了各種方法、材料的優(yōu)缺點，并對國內(nèi)變壓吸附技術(shù)做了簡單的介紹。分析了變壓吸附技術(shù)在煉廠氣回收上的應(yīng)用前景，并對煉廠應(yīng)用，大規(guī)模建設(shè)時可能遇到的問題做了簡要分析。

變壓吸附；CO2

自從工業(yè)革命開始，化石燃料的使用量逐年遞增?；剂系娜紵欧懦龃罅康亩趸迹瑥亩鴮?dǎo)致了愈發(fā)嚴重的環(huán)境污染問題。目前，每年全球大氣中的二氧化碳量大約增加60億t噸。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致全球范圍內(nèi)溫度升高的各種因素中，有55%的貢獻是來自于二氧化碳排放。一份來自IEA（國際能源機構(gòu)）報告的結(jié)果表明，煉油工業(yè)產(chǎn)生的CO2約占主要企業(yè)總排放量的5%。隨著我國能源消費量的增加，同時我國煉油能力不斷提高，據(jù)估算，2010年我國煉油行業(yè)二氧化碳排放總量約為1.53億t，約占我國總排放量的1.5%~2.0%。最近幾年，我國原油消費呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢，而日益增長的需求背后是國內(nèi)生產(chǎn)已無法滿足，而由煉油和石油化工產(chǎn)生的二氧化碳排放在整個石油工業(yè)中所占的比例有在逐年快速的增加，目前所占比重已超60%。因此，在環(huán)境保護的大背景下，如何有效的捕集回收二氧化碳，減少尾氣中二氧化碳的排放成為解決目前溫室問題的關(guān)鍵。

1 變壓吸附技術(shù)

20世紀60年代一種新型的氣體分離技術(shù)發(fā)展起來，即PSA（變壓吸附）技術(shù)。最早，在從含氫氣的氣體中提純氫氣的工業(yè)應(yīng)用中，變壓吸附技術(shù)被首次采用，應(yīng)用這一技術(shù)的是美國聯(lián)合碳化物公司(UCC)。70年代，PSA技術(shù)開始在我國起步發(fā)展，以西南化工研究設(shè)計院為代表的一些單位進行了大量的研究工作?？諝獾母稍锖蜌錃獾膬艋荘SA技術(shù)最早主要應(yīng)用的領(lǐng)域，而隨著該技術(shù)的不斷完善，醫(yī)藥、食品、電子、冶金、化工等行業(yè)也對該技術(shù)進行了大量而快速的應(yīng)用和推廣。2001年以來，PSA在很多大型工業(yè)脫碳裝置中大顯身手，這些全部得益于我國在變壓吸附技術(shù)領(lǐng)域做出的突出性的研究成果。如，自動控制技術(shù)、選擇性吸附劑、吸附塔結(jié)構(gòu)等的研究。

2 二氧化碳變壓吸附分離技術(shù)進展

2.1 二氧化碳變壓吸附分離工藝

基于吸附原理的CO2分離和捕集技術(shù)主要包括變溫吸附(TSA)和變壓吸附(PSA)兩種技術(shù)。這兩種循環(huán)吸附技術(shù)目前已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于各種商業(yè)性的氣體分離和純化過程。其中，吸附劑的性能、價格以及可靠性是該吸附技術(shù)是否可以進行成功商業(yè)化應(yīng)用的前提。另一個非常重要的因素是吸附劑需要與循環(huán)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造相匹配。

20世紀70年代早期，隨著四塔，多床層PSA技術(shù)的發(fā)展，PSA技術(shù)在H2純化并脫出CO2的大型裝置上有了較大的突破。通過增加塔數(shù)（一般是7-10塔，最多16塔）和儲罐數(shù)來提高分離效率，儲罐數(shù)的增加有利于儲存兩個循環(huán)周期之間的中間半成品氣。在相同或更少的吸附劑體積下獲得更高的產(chǎn)量，增加更多的塔和儲罐是循環(huán)順序也變得非常復(fù)雜。

PSA裝置中的每個塔都需要經(jīng)歷吸附和再生的循環(huán)步驟。這些步驟包括：1.升壓；2.高壓進氣；3.正向降壓；4.逆向降壓；5.逆向清洗；6.平衡過程。

不僅僅是PSA-H2凈化裝置，PSA-CO2提濃回收裝置，均可通過以下方法進行改進：1.循環(huán)過程深度精制；2.增加新的循環(huán)過程；3.研究高效率的循環(huán)順序。

PSA-H2凈化技術(shù)的改進顯示出，對于循環(huán)過程做簡單修改即可貴吸附過程產(chǎn)生很大的影響。Whysall[1]等指出，凈化步驟的時間不一定等于或小于吸附步驟的時間。通過延長凈化步驟的時間，16塔的PSA-H2凈化裝置的的H2產(chǎn)量可以增加到110Nm3/hr。Baksh[2]通過利用儲罐來收集和重復(fù)利用原料氣的方式，減少了PSA裝置的塔數(shù)同時增加了單位吸附劑的H2產(chǎn)量。他們進一步發(fā)現(xiàn)，通過初始對原料氣進行脫氮氣處理，可顯著提高后續(xù)PSA裝置的整體吸附性能。

Sircar和Golden[3]針對H2凈化和H2-CO2同時凈化技術(shù)，提出了幾種新的方法來制定PSA各步的循環(huán)規(guī)則。Waldron和Sircar[4]對PSA-H2凈化技術(shù)的不同循環(huán)步驟進行了系統(tǒng)的研究。目前，PSA-CO2回收裝置主要是利用先前研究已取得的成果建造的。

另一個改進PSA處理能力的關(guān)鍵手段是減少循環(huán)時間。這樣可以使用更少的吸附劑來處理更多的原料氣。這就涉及到另一個概念，即快速PSA循環(huán)技術(shù)。例如，QuestAir利用一個旋轉(zhuǎn)閥來改進了PSA-H2凈化技術(shù)中的快速循環(huán)步驟。該項技術(shù)將在日本的一套大型的H2凈化裝置上進行安裝并使用?？焖貾SA循環(huán)技術(shù)并不是一個新的概念；但是，在該技術(shù)商業(yè)化運行前，仍需要對其進行大量的創(chuàng)新改進。

Ritter[6]等對從煙道氣中脫除/提濃CO2的相關(guān)研究進行了詳細調(diào)查發(fā)現(xiàn)，PSA制H2裝置，設(shè)計的初衷僅為生產(chǎn)輕組分，因此該裝置只包含輕組分回流步驟。由于經(jīng)濟性的考量，為數(shù)不多的PSA裝置中才設(shè)置了重組分回流步驟，也就是所謂的高壓沖洗步驟。Sircar和Golden[3]利用兩套串聯(lián)的PSA系統(tǒng)來對CO2和H2分別進行分離，并產(chǎn)生高純度的產(chǎn)品氣。其中，重組分回流步驟用來提濃生產(chǎn)CO2；輕組分回流步驟用來生產(chǎn)H2。

另外，以上所有PSA脫除/提濃CO2技術(shù)都利用了：(1)真空壓力轉(zhuǎn)換循環(huán)系統(tǒng)，高壓略高于大氣壓力，低壓在某一真空度范圍內(nèi)；或者(2)在傳統(tǒng)的壓力轉(zhuǎn)換循環(huán)系統(tǒng)中，沖洗裝置的壓力設(shè)置為大氣壓力，原料氣進氣壓力設(shè)置為高壓；

為了從煙道氣中回收/提濃CO2，大部分PSA裝置都會采用在常溫常壓下，使用一種或多種經(jīng)濟型的CO2選擇吸附性強的吸附劑（活性炭、碳分子篩、X和Y型硅鋁酸鹽型沸石）的條件下進行操作。同時，還有一些PSA操作會采用新型的吸附劑（HTlc），此時的操作條件為高溫(300~500 ℃)常壓。

目前，PSA技術(shù)在天然氣脫CO2、煙道氣脫CO2以及煤層甲烷氣脫CO2中都得到了廣泛的應(yīng)用。例如，Engelhard公司開發(fā)了一種新的PSA工藝，即利用Molecular GateTM吸附劑來脫除甲烷中的水、CO2以及更高沸點的烴類化合物。該吸附劑由硅酸鈦分子篩構(gòu)成，通常被用作吸附脫除天然氣中的N2。這種吸附劑后來被證實對CO2和水具有很高的選擇吸附性，其性能超過了人造沸石。標準的PSA裝置通過使用Molecular GateTM吸附劑，吸附脫除甲烷富氣中的CO2，可將產(chǎn)品氣中甲烷的體積分數(shù)提濃到90%以上（操作壓力為100~800 psia）。該工藝可以處理含有30% CO2的原料氣，并可得到非常好的經(jīng)濟效益。

在過去的數(shù)十年里，科研工作者們立志于開發(fā)和優(yōu)化新的氣體分離和凈化的PSA循環(huán)工藝。例如，Biegler等[5]為多塔PSA工藝開發(fā)了非常重要的優(yōu)化工藝，尤其是準對H2凈化和CO2回收。工藝流程設(shè)計和程序微調(diào)為PSA工藝的改進，提供了廣泛的發(fā)展空間。

Ritter等[6]利用數(shù)值模擬和實驗室規(guī)模的實驗研究了多層吸附床層的設(shè)計工藝。多床層吸附塔是按照工業(yè)標準設(shè)計的；但是，在設(shè)計和優(yōu)化多層吸附塔的PSA工藝的設(shè)計和優(yōu)化上，目前還鮮有文章進行報導(dǎo)。大部分針對H2凈化的PSA裝置的研究僅限于單層吸附塔的情況；并沒有對吸附層數(shù)及厚度、吸附劑的關(guān)系進行優(yōu)化研究。PSA領(lǐng)域的研究和開發(fā)仍然任重而道遠，尤其是吸附回收重組分（如CO2）方面的研究工作。

日本的Hirose[7]等，先后對一些PSA新工藝進行了研究，尤其針對回收提濃像CO2一樣的重組分進行了研究。在現(xiàn)有PSA裝置中，原料氣以低壓的形式進料，而在吸附塔降壓的過程中對氣相中的重組分進行富集。

以上基于“富集”原理的PSA工藝與通常基于“脫除”原理的PSA工藝形成了鮮明的對比。這里的“脫除”表示：高壓進料，利用吸附劑的選擇吸附性對重組分進行脫除處理；而“富集”則表示：低壓進料，利用解吸原理對重組分進行提濃處理。因此，這種濃縮富集型PSA工藝和經(jīng)典的脫除型PSA工藝的原理剛好相反。目前，絕大部分文獻都是針對脫除原理的PSA工藝進行研究展開的，而對于富集濃縮型PSA工藝的研究還非常少，況且這種方法對于像CO2這種重組分的回收提濃是非常有效的。

2.2 吸附劑材料簡介

近年來，越來越多的研究和關(guān)注點被投向用來捕獲CO2的吸附劑，而PSA的可行性在很大程度上是由吸附劑的選擇性來決定的。新型選擇性吸附劑在CO2的分離中起到了至關(guān)重要的作用。Yong等[10]調(diào)查研究很多種具有可逆性質(zhì)的吸附劑，如，活性炭、沸石、金屬氧化物、水滑石等。結(jié)果表明，在常溫下，活性炭、沸石的吸附性能要優(yōu)于金屬氧化物和水滑石；但在高溫下，結(jié)果剛好相反。

Engelhard公司研制出了一種針對天然氣脫CO2工藝的新型吸附劑。Molecular GateTM技術(shù)的設(shè)計初衷是為了脫除天然氣中的N2。但是隨著后期研究的進行發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)對天然氣中的CO2和H2O有著特有的選擇吸附性。Molecular GateTM工藝是基于硅酸鈦分子篩，利用該材料具有可精細調(diào)節(jié)孔隙尺寸大?。ň仍?.1埃米）的優(yōu)點，將孔隙尺寸設(shè)定在3.7埃米；在該孔隙尺寸下，CH4分子無法通過孔隙，而N2或其他更小尺寸的分子，如CO2、H2O可以輕松進入孔隙，從而實現(xiàn)氣體的分離。

對于選擇吸附劑來講，在蒸汽甲烷轉(zhuǎn)化工藝、水煤氣反應(yīng)以及水煤氣逆反應(yīng)工藝中，像HTlc一類的材料在適宜的溫度下，對CO2表現(xiàn)出了非常高的可逆選擇吸附性。

一些研究人員[8]對氧化鋁在高溫高壓下對CO2的PSA吸附性能做了系統(tǒng)的研究。在400 ℃，500 torr下，純凈氧化鋁對CO2的吸附量為0.06 mol/kg；而摻雜了其他金屬氧化物或碳酸鹽時，吸附劑對CO2的吸附量為0.52 mol/kg（9% Li2O）。

鋯酸鋰和氧化鈣在高溫下，對CO2同樣表現(xiàn)出了很強的可逆吸附性。Lin等[9]對鋯酸鹽類吸附劑進行了系統(tǒng)研究。在500 ℃，760 torr下，鋯酸鹽類吸附劑對CO2的吸附量可達到3.4~-4.5 mol/kg，同時吸附劑再生能力較強。

Fan[10]等對氧化鈣CaO吸附劑進行了大量的研究工作。結(jié)果表明，氧化鈣吸附劑在高溫下對CO2的吸附能力也非常強，同樣具有較強的再生能力。例如，在500 ℃，150 torr下，吸附劑對CO2的吸附量為4~8 mol/kg。不過，氧化鈣吸附劑對于硫化物非常敏感。以上吸附劑的操作溫度對于一些工藝來講可能有些高了。

United Technologies在90年代中期開發(fā)出了一種新型固態(tài)胺類吸附劑。其中一個變化就是，這種吸附劑由液態(tài)胺。舉例來說，聚乙烯亞胺、聚甲基丙烯酸甲酯等構(gòu)成，用以增加其質(zhì)量傳遞性能。實驗證明，在25 ℃，15.2 torr下，該吸附對CO2的吸附量為0.9 mol/kg，并且在真空度為1 torr下即可再生。

Song等[11]對固態(tài)胺類吸附劑進行了大量的研究，他使用MCM-41作為骨架，PEI作為活化胺。隨著MCM-41中Si/Al比的變化以及PEI質(zhì)量分數(shù)的變化（30%~75%），該吸附對CO2的吸附量為1.5~3.0 mol/kg（75 ℃，1 atm CO2），不過此時吸附劑的再生能力會變的比較差。所以，固態(tài)胺類吸附劑的應(yīng)用也有一定的局限性。

2 國內(nèi)外PSA吸附分離CO2的工業(yè)應(yīng)用進展

在最初的幾年里，能源消耗大、回收效率低、成本投資高等缺點成為了制約變壓吸附CO2技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵，國際能源署更是指出，該技術(shù)沒有應(yīng)用前景[12]。然而，此后的研究者們?yōu)榇俗隽舜罅抗ぷ?，使運行成本及操作能耗得以降低，變壓吸附捕獲CO2技術(shù)才得以被廣泛的接受和應(yīng)用，這些工作包括，改進吸附塔、循環(huán)規(guī)則、吸附劑性質(zhì)等。

英國的ICI公司在一套中型合成氨生產(chǎn)設(shè)備中應(yīng)用了變壓吸附技術(shù)，在產(chǎn)品氣中，CO2含量占到總氣含量的20%～35%。其中CO2的產(chǎn)量為1.2～1.4 t/t氨[13]。Mitsubishi重工業(yè)與東京大學(xué)合作，設(shè)計了一種新式的變壓吸附技術(shù)，即活塞驅(qū)動式超快速變壓吸附（URPSA），以回收廢氣中的CO2。Chue等人[14]開發(fā)出一套新型的PSA工藝，該工藝采用三回收塔工藝，通過該工藝對煙道氣中的CO2進行回收，25%的煙道氣，（其中煙道氣中CO2體積分數(shù)為53%），而得到的產(chǎn)品CO2的純度更是均達到了99％。

80年代中期，西南化工研究設(shè)計院成果開發(fā)了用PSA技術(shù)捕集混合氣中CO2的工藝。四川眉山縣氮肥廠于1987年運行了首套石灰窯氣提純CO2的PSA工業(yè)裝置；廣東江門氮肥廠于1989年運行了首套合成氨變換氣中提純CO2的PSA裝置[15]。1997年首套液體CO2-PSA生產(chǎn)裝置在云南省峨山化肥廠建成并投產(chǎn)使用，此套裝置可生產(chǎn)純度大于99.99%的液體CO2，而作為產(chǎn)品的CO2在玉溪卷煙廠得到了進一步的應(yīng)用[16]。由于在氧化鋁的生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的CO2，西南化工設(shè)計研究院與中州鋁廠[17]共同開發(fā)了PSA選擇吸附CO2工藝，該工藝采用選擇性吸附劑，對CO2有特殊的選擇吸附性，此工藝產(chǎn)生得到的產(chǎn)品中，CO2的濃度大于等于35%。

3 煉廠氣回收技術(shù)簡述

水合物分離技術(shù)、膜分離技術(shù)、深冷分離技術(shù)、金屬絡(luò)合分離技術(shù)、PSA等被廣泛的應(yīng)用于煉廠干氣的回收利用中。然而，F(xiàn)CC裝置比較集中的地區(qū)以及煉廠能力相當大的地區(qū)，深冷分離法更加適用；膜分離法在乙烯提取方面還處在研究階段；中冷油吸收法工藝能耗高、產(chǎn)品損失大；目前，PSA法分離技術(shù)被國內(nèi)大部分煉廠所接受采用，該工藝適用于各種規(guī)模，比其他工藝具有操作彈性大的優(yōu)點，對原料不要求預(yù)處理。最重要的是，該工藝能耗非常低，操作簡單易上手，具有非常高的自動化程度。

原油的二次加工產(chǎn)生了大量的煉廠干氣，加工過程主要包括CD、FCC、CCR、DC、HCR、CR等過程。其中催化裂化的干氣量最大，主要成分包括小分子的烷/烯烴（C4以下）以及H2和N2、CO2等氣體。

一個國家工業(yè)發(fā)展水平會在乙烯工業(yè)的發(fā)展中得到很好的體現(xiàn)，而作為重要綠色能源的氫氣，在減輕環(huán)境污染方面的貢獻是不言而喻的。由于我國油品等方面的原因，催化裂化在我國的煉油過程中有著舉足輕重的作用，而其副產(chǎn)品的干氣也在逐年劇增。而在目前我國工業(yè)轉(zhuǎn)型的大背景下，不僅僅需要是煉廠的效益得到顯著的提高，而且在社會各個方面的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益上也要下足功夫，為此高效地回收和利用煉廠干氣中的氫氣和乙烯也顯得日益重要。

同時，煉廠干氣中含有大量的CO2，對煉廠氣中的CO2進行捕集并進行地質(zhì)封存，不僅可以降低CO2排放，助力企業(yè)減排；而且捕集得到的CO2也可以作為油田三次采油提供價格低廉、來源穩(wěn)定的氣源，可以進一步創(chuàng)造經(jīng)濟效益。因此，同樣從經(jīng)濟效益和環(huán)境效益兩個方面來講，對煉廠氣中的CO2氣體進行有效的回收，是非常關(guān)鍵的。

2011年中國石化煉廠干氣產(chǎn)量約700萬t噸?；诤芏嘁蛩?，如煉廠不同、油品不同、加工能力不同等，目前，來自煉廠的干氣產(chǎn)量一般從十幾萬t到幾十萬t噸不等。目前存在的主要矛盾是，干氣產(chǎn)量不大、由干氣產(chǎn)生的產(chǎn)品規(guī)模較小、煉廠地理分布的原因?qū)е聼o法規(guī)模化利用等?；谝陨显?，目前仍無法做到規(guī)模化利用、大規(guī)模生產(chǎn)以降低回收利用成本的效果。

a. 為了達到連續(xù)制取產(chǎn)品氣的目的，我們必須采取多吸附器循環(huán)操作的方式代替單吸附器的方式。因此，當裝置規(guī)模擴大時，需要加入更多的吸附塔，只有優(yōu)化工藝流程，才可能使連續(xù)操作成為可能，且效率最高（獲得較高的吸附率、較好的吸附劑再生率）；

b. 擴大產(chǎn)能需要增加不同規(guī)格的程控閥數(shù)量，以及優(yōu)化對程控閥的控制；

c. 擴大產(chǎn)能后，管線中氣體流量增加，因此與配置合適的管線管徑，保證氣體在管線中保持合適的氣速。

4 結(jié) 論

“溫室效應(yīng)”的概念，人類對其的研究越來越深入，來自全世界范圍的要求減少二氧化碳排放量的呼聲也越來越多。目前，既成熟又可靠的變壓吸附脫CO2技術(shù)，被越來越多的行業(yè)所接納采用。研究者們對循環(huán)設(shè)計、吸附塔結(jié)構(gòu)、吸附劑改進等方面越來越深入的研究，PSA技術(shù)由于具有能源消耗小、回收效率高、成本投資低等優(yōu)點，在CO2捕集領(lǐng)域日益得到越來越廣泛的關(guān)注與應(yīng)用。

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Research Progress in Carbon Dioxide Capture by Pressure Swing Adsorption and Its Application in Refinery Gas Separation

LI Ran

（Chinese Academy of Inspection and Quarantine, Beijing, 100176，China）

Based on investigation of comprehensive literatures about separation of CO2by pressure swing adsorption, progress status of pressure swing adsorption technology and sorbents was summarized. Advantages and disadvantages of all kinds of methods and adsorbent materials were compared. Domestic PSA technology was introduced. Application prospect of PSA technology in recycling refinery gas was analyzed as well as some problems that might be met at large-scale construction.

PSA; CO2

TE 624

A

1671-0460（2016）06-1304-05

2016-04-01

李燃（1989-），男，北京市人，碩士學(xué)位，2013年2月英國約克大學(xué)畢業(yè)，研究方向：綠色化學(xué)與可持續(xù)工業(yè)。E-mail：lr_zhijian@163.com。