小PSA技術(shù)回收廢氣中氫的研究

趙惠蓉

(潞安化工集團(tuán)太原化工新材料有限公司，山西 太原 030400)

引 言

我公司合成氨裝置是由氣化、變換、低溫甲醇洗3個裝置將煤燃燒、轉(zhuǎn)換反應(yīng)、脫硫脫碳，最終處理出98%以上的氫氣，成為生產(chǎn)液氨、雙氧水、己二酸、己內(nèi)酰胺、尼龍六等的重要原料之一。

低溫甲醇洗、液氮洗再生系統(tǒng)所產(chǎn)廢氣中均含有部分氫氣，低溫甲醇洗二氧化碳閃蒸塔Ⅰ段、硫化氫濃縮塔Ⅰ段排放廢氣氫體積分?jǐn)?shù)69.87%，氣體流量594.2 m3/h；液氮洗裝置的循環(huán)氫廢氣氫體積分?jǐn)?shù)88.78%，氣體流量208 m3/h?？偱艢淞?99.83 m3/h，年損失氫量5 182 530.68 m3/h，折合人民幣519萬元。這些都造成了氫的浪費，且不符合環(huán)境保護(hù)要求[1]。

1 廢氣中氫的來源

我公司園區(qū)低溫甲醇洗工段可處理27萬m3/h的原料氣，產(chǎn)出14萬m3/h的氫氣。低溫甲醇洗在-60 ℃～-30 ℃，用甲醇洗滌原料氣中的硫化物及CO2等。整個工藝分為吸收部分和再生部分，吸收部分是用低溫甲醇對原料氣進(jìn)行脫硫脫碳，使產(chǎn)品氫氣純度≥98%，再生部分是對甲醇液中的H2、總硫、CO2用減壓、閃蒸、加熱、氣提的方法進(jìn)行提取，凈化甲醇，甲醇可以循環(huán)使用。生產(chǎn)出副產(chǎn)品CO2、硫、排放氣等[2-3]。

液氮洗工段可處理10萬m3/h純度98%的H2，液氮洗是利用液氮在-197 ℃下深冷洗滌CO的物理原理，脫除由低溫甲醇洗供給原料氣中的物質(zhì)，使φ(H2)≥99.9%，同時配有N2供后續(xù)工段使用，洗滌氮氣中含有微量H2、CO等。

2020年低溫甲醇洗、液氮洗工段洗滌液再生后，全年產(chǎn)含氫廢氣7 387 656 m3，氫氣含量平均在68%；為減小氫損耗，回收殘存H2，增加小PSA變壓吸附裝置，提純使φ(H2)≥99.9%。

2 廢氣中氫的處理方式

增加處理氣量1 000 m3/h小PSA項目：小PSA變壓吸附是本裝置采用一段5-1-3 PSA提氫。由5臺吸附塔、1臺氣液分離器、1臺產(chǎn)品氣罐、1臺解吸氣罐組成，其工作過程包括吸附、均壓、逆放、升壓、沖洗等過程。

2.1 工藝流程框圖(見圖1)

圖1 工藝流程框圖

2.2 入口原料氣要求(見表1)

表1 原料氣要求 (φ，%)

2.3 小PSA產(chǎn)品要求(見第62頁表2)

表2 產(chǎn)品氣要求 (φ，%)

2.4 工藝流程說明

a)吸附過程

來自凈化系統(tǒng)的壓力為1.09 MPa低溫甲醇洗閃蒸氣和來自液氮洗壓力為0.96 MPa馳放氣經(jīng)降壓調(diào)壓后首先進(jìn)入氣液分離器中進(jìn)行混合并分離其中夾帶的液滴，然后自吸附塔塔底進(jìn)入正處于吸附狀態(tài)的吸附塔(同時有1個吸附塔處于吸附狀態(tài))內(nèi)。

在多種吸附劑的依次選擇吸附下，其中的H2O、CH3OH、C1～C4等雜質(zhì)和部分N2、Ar被吸附下來，未被吸附的氫氣作為產(chǎn)品從吸附塔塔頂流出并進(jìn)入氫氣緩沖罐，再經(jīng)壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)壓后送出界區(qū)去后工段。

當(dāng)被吸附雜質(zhì)的傳質(zhì)區(qū)前沿(稱為吸附前沿)到達(dá)床層出口預(yù)留段某一位置時，關(guān)閉該吸附塔的原料氣進(jìn)料閥和產(chǎn)品氣出口閥，停止吸附。吸附床開始轉(zhuǎn)入再生過程。

b)均壓降壓過程

在吸附過程結(jié)束后，順著吸附方向?qū)⑺?nèi)的較高壓力的氫氣放入其他已完成再生的較低壓力吸附塔的過程，該過程不僅是降壓過程，更是回收床層封閉死空間氫氣的過程，本流程共包括了4次連續(xù)的均壓降壓過程，因而可保證氫氣的充分回收。

c)順放過程

在均壓過程結(jié)束后，接著進(jìn)行順放，使吸附前沿達(dá)到床層出口。這時，順放出來的富氫氣用作吸附塔后沖洗時的再生氣源。

d)逆放過程

在順放過程結(jié)束后，隨著壓力的下降CO、CO2等組分也開始解吸出來，此時逆著吸附方向?qū)⑽剿毫抵两咏?，使被吸附的CO、CO2等雜質(zhì)從吸附劑中大量解吸出來，逆放解吸氣作為廢氣排空。

e)沖洗過程

逆放結(jié)束后，為使吸附劑得到徹底的再生。用來自另一臺吸附塔的2次順放氣逆著吸附方向繼續(xù)對吸附床層進(jìn)行沖洗，進(jìn)一步降低雜質(zhì)組分的分壓，使被吸附的雜質(zhì)完全解吸，吸附劑得以徹底再生。

f)均壓升壓過程

在沖洗再生過程完成后，用來自其他吸附塔的較高壓力氫氣依次對該吸附塔進(jìn)行升壓，這一過程與均壓降壓過程相對應(yīng)，不僅是升壓過程，而且更是回收其他塔的床層封閉氫氣的過程，本流程共包括了連續(xù)3次均壓升壓過程。

g)產(chǎn)品氣升壓過程

在3次均壓升壓過程完成后，為了使吸附塔可以平穩(wěn)地切換至下一次吸附并保證產(chǎn)品純度在這一過程中不發(fā)生波動，需要通過升壓調(diào)節(jié)閥緩慢而平穩(wěn)地用產(chǎn)品氫氣將吸附塔壓力升至吸附壓力。

經(jīng)這一過程后吸附塔便完成了一個完整的“吸附-再生”循環(huán)，又為下一次吸附做好了準(zhǔn)備。

5個吸附塔交替進(jìn)行以上的吸附、再生操作(始終有1個吸附塔處于吸附狀態(tài))即可實現(xiàn)氣體的連續(xù)分離與提純。

2.5 儀表自動控制

小PSA裝置的特點是：全自動化控制、程序控制閥門多，程控閥門切換時間短，動作頻繁，順序控制結(jié)合常規(guī)模擬控制。為滿足裝置長期、穩(wěn)定、安全運行，在PSA裝置的控制軟件中，不僅能實現(xiàn)系統(tǒng)的常規(guī)控制要求，還配置了自適應(yīng)優(yōu)化控制系統(tǒng)。

3 回收氫應(yīng)用情況及效益

經(jīng)濟(jì)效應(yīng)：2020年1月成功應(yīng)用。全年小PSA變壓吸附處理低溫甲醇洗排放氣4 804 056 m3；液氮洗排放氣2 583 600 m3?；厥諝錃夤? 023 606 m3，折合人民幣519萬元，其余2 364 050 m3廢氣回收至變換入口，循環(huán)處理，實現(xiàn)廢氣零排放，見表3。節(jié)約廢氣處理費用10萬元。

表3 2020年低溫甲醇洗、液氮洗含氫排放氣量及小PSA處理氣量匯總表

環(huán)保效果：小PSA吸附低溫甲醇洗閃蒸氣、液氮洗循環(huán)氫氣中的氮氣、一氧化碳、二氧化碳、甲醇、硫化氫、氧、甲烷，將氫氣提純?yōu)?9%以上，供給后續(xù)系統(tǒng)使用。小PSA各吸附塔再生所產(chǎn)的廢氣，經(jīng)過解析氣加壓機，送回到變換系統(tǒng)入口工藝氣中，二次循環(huán)處理。使得廢氣零外排，符合環(huán)境保護(hù)要求，廢氣節(jié)約環(huán)保處理費用10萬元。

綜上所述，本項目創(chuàng)造了更高經(jīng)濟(jì)效益的同時，有效控制了氫損耗；廢氣循環(huán)處理，零排放，符合環(huán)境保護(hù)要求。全年增加收益529萬元。為同行業(yè)提供了借鑒。

4 結(jié)語

實踐證明，利用變壓吸附等小型設(shè)備回收尾氣中的氫氣，是節(jié)約氫能源的有效手段，適用于各類化工尾氣的回收處理，便于操作、投入少、占地面積小，回收廢氣利用率高。且達(dá)到很好的環(huán)境保護(hù)效果，為節(jié)能降耗起到很好的作用。