大型煤制氫變壓吸附技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展

李發(fā)宏

摘要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)在快速發(fā)展，社會(huì)在不斷進(jìn)步，當(dāng)今世界正經(jīng)歷著資源轉(zhuǎn)型，由原始的煤炭向清潔、可再生能源過渡，氫氣作為一種新型能源，需求量大大增加，其制造技術(shù)備受科研學(xué)者的關(guān)注。我國(guó)大型煤化工企業(yè)規(guī)模大、適應(yīng)性廣，依靠大型煤化工的變壓吸附技術(shù)來提純氫氣已經(jīng)成為工業(yè)的主流工藝之一。本文主要根據(jù)當(dāng)今煤化工企業(yè)變壓吸附制氫的生產(chǎn)現(xiàn)狀，探究未來煤變壓吸附制氫技術(shù)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：煤制氫;變壓吸附;現(xiàn)狀;未來發(fā)展

引言

變壓吸附（PressureSwingAdsorption簡(jiǎn)稱PSA）制氫技術(shù)是以吸附劑（多孔固體物質(zhì)）內(nèi)部表面對(duì)氣體分子的物理吸附為基礎(chǔ)，利用吸附劑在相同壓力下易吸附高沸點(diǎn)組分、不易吸附低沸點(diǎn)組分和高壓下吸附量增加、減壓下吸附量減小的特性，將原料氣在壓力下通過吸附劑床層，相對(duì)于氫的高沸點(diǎn)雜質(zhì)組分被選擇性吸附，低沸點(diǎn)組分的氫不易吸附而通過吸附劑床層，達(dá)到氫和雜質(zhì)組分的分離，然后在減壓下解吸被吸附的雜質(zhì)組分使吸附劑獲得再生，以利于再次進(jìn)行雜質(zhì)的吸附分離。這種壓力下吸附雜質(zhì)提純氫氣、減壓下解吸雜質(zhì)使吸附劑再生的循環(huán)過程稱為變壓吸附過程。變壓吸附技術(shù)因其具有適用氣源廣、產(chǎn)品純度高、工藝簡(jiǎn)單、節(jié)能效果顯著等特點(diǎn)得到越來越廣泛地運(yùn)用。隨著變壓吸附裝置愈來愈大型化，氫氣回收率的提高不但可以減少原料氣的浪費(fèi)，降低工業(yè)制氫的成本，也可以為工廠帶來更高的經(jīng)濟(jì)效益。所以，如何提高氫氣的回收率成為變壓吸附技術(shù)研究的熱點(diǎn)。

1吸附分離氣體的基本原理

吸附是指用多孔性的固體吸附劑處理流體混合物，使其中所含的一種或數(shù)種組分被吸附在固體表面上以達(dá)到分離的操作。具有吸附作用的、密度相對(duì)較大的多孔固體被稱為吸附劑;被吸附的、密度相對(duì)較小的氣體或液體稱為吸附質(zhì)。吸附按性質(zhì)不同可分二大類：化學(xué)吸附和物理吸附。變壓吸附主要為物理吸附。物理吸附是指依靠吸附劑與吸附質(zhì)分子間的分子力（包括范德華力和電磁力）進(jìn)行的吸附，其特點(diǎn)是：吸附過程中沒有化學(xué)反應(yīng)，吸附過程進(jìn)行得極快，參與吸附的各相物質(zhì)間的動(dòng)態(tài)平衡在瞬時(shí)即可完成，并且這種吸附是完全可逆的。變壓吸附制氫工藝過程之所以得以實(shí)現(xiàn)是由于吸附劑在這種物理吸附中所具有的兩個(gè)性質(zhì)：1）對(duì)不同組分的吸附能力不同;2）吸附質(zhì)在吸附劑上的吸附容量隨吸附質(zhì)的分壓上升而增加，隨吸附溫度上升而下降。利用吸附劑的第一個(gè)性質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)含氫氣源中雜質(zhì)組分的優(yōu)先吸附而使氫氣得以提純;利用吸附劑的第二個(gè)性質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)吸附劑在低溫、高壓下吸附而在高溫、低壓下脫附再生，從而構(gòu)成吸附劑的吸附與再生循環(huán)，達(dá)到連續(xù)分離提純氫氣的目的。

2大型煤制氫變壓吸附技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展

2.1提高原料氣進(jìn)氣品質(zhì)

確保原料氣的純度，在原料氣進(jìn)入PSA制氫系統(tǒng)前，盡可能過濾掉能使吸附劑失活的雜質(zhì)。此外原料氣的組成、壓力、流量要穩(wěn)定，相應(yīng)的措施是增加原料氣氫含量在線分析儀、壓力表、流量計(jì)，這樣可及時(shí)根據(jù)原料氣數(shù)據(jù)的波動(dòng)對(duì)操作參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使PSA制氫系統(tǒng)運(yùn)行處于最佳狀態(tài)。通過優(yōu)化脫硫罐和預(yù)處理罐的填料結(jié)構(gòu)，解決了PSA制氫系統(tǒng)因煤氣雜物過多而引發(fā)故障頻繁的問題。針對(duì)邯鄲鋼鐵股份有限公司動(dòng)力廠焦?fàn)t煤氣PSA制氫系統(tǒng)氫氣回收率低的問題，調(diào)整了吸附劑的裝填比例，使得氫氣回收率大幅提高。通過增加緩沖罐、更新系統(tǒng)運(yùn)行控制程序和控制模式，解決了PSA單元尾氫流量波動(dòng)過大而導(dǎo)致氫回收率低的問題。

2.2大型變壓吸附制氫技術(shù)未來發(fā)展

大型煤氣化技術(shù)的發(fā)展和工程化實(shí)踐，對(duì)大型PSA制氫裝置提出了新要求。在保證氫氣產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，用戶對(duì)氫氣回收率、裝置投資、占地、解吸氣利用等要求越來越苛刻，傳統(tǒng)的PSA工藝已經(jīng)無法滿足裝置大型化后的諸多要求，所以PSA工藝必須不斷進(jìn)步，以適應(yīng)大型化煤氣化裝置的要求。針對(duì)大型煤氣化技術(shù)的進(jìn)步，大型PSA制氫的規(guī)模和操作壓力也不斷提高。以神華煤制油等大型PSA制氫裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)為參考依據(jù)，產(chǎn)氫規(guī)模Qn=30萬～50萬m3/h的PSA制氫裝置已在開發(fā)中。操作壓力為5.0MPa的PSA制氫裝置已正常運(yùn)行了4年。經(jīng)過幾年的攻關(guān)，在吸附劑、工藝、管道、設(shè)備、自控、數(shù)學(xué)模擬和整體集成等方面取得突破，6.0MPa壓力等級(jí)的PSA制氫工業(yè)裝置正在建設(shè)中。未來可能開發(fā)出8.0MPa操作壓力的PSA制氫技術(shù)。

2.3大型煤制氫變壓吸附技術(shù)的發(fā)展前景

大型煤氣化技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步給變壓吸附制氫帶來了挑戰(zhàn)，在保證氫氣制備產(chǎn)量的基礎(chǔ)上，企業(yè)對(duì)過程中原料的回收率、利用效率和環(huán)保程度都有了更高的要求，傳統(tǒng)的變壓吸附技術(shù)已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)的需求，需要結(jié)合企業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，不斷進(jìn)行創(chuàng)新，來適應(yīng)大型煤變壓吸附制備氫氣的要求。隨著大規(guī)模煤化工企業(yè)的發(fā)展，變壓吸附制氫的規(guī)模和技術(shù)也在不斷提高，經(jīng)過近些年在吸附劑、工藝、設(shè)備和智能操控等方面取得的突破，更高壓力等級(jí)的變壓吸附裝置有望建設(shè)成功。吸附劑性能的優(yōu)化也提高了裝置的運(yùn)行效率。吸附劑的解吸性能，吸附容量在日漸強(qiáng)大，逐漸克服了內(nèi)部吸附劑顆粒擴(kuò)散的阻力，增加了床層的利用空間，從而提高了氫氣的吸收速率。工藝上各模塊都不斷優(yōu)化配置，從實(shí)驗(yàn)和理論綜合分析，探究氫氣提純的具體措施，從氫氣的制備純度和回收的效率來看，未來勢(shì)必會(huì)有更大的突破。

結(jié)語(yǔ)

變壓吸附制氫技術(shù)是一項(xiàng)成熟可靠的技術(shù)，它已在工業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用，甚至早在1985年就獲得了我國(guó)的國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。但是，變壓吸附制氫技術(shù)也是一項(xiàng)不斷發(fā)展進(jìn)步的技術(shù)，它仍然有很多潛力可挖。如何進(jìn)一步提高變壓吸附制氫的回收率，如何減小設(shè)備，降低投資，節(jié)省能耗，減少占地面積，仍然值得我們繼續(xù)研究和探索。

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