基于變壓吸附分離技術(shù)在氣體中的應(yīng)用研究

＊周歷科 楊中貴 胡旭 張勇

（西南化工研究設(shè)計(jì)院有限公司 四川 610225）

變壓吸附技術(shù)又名PSA，該技術(shù)是一種新型分離氣體的技術(shù)，同時(shí)還具有氣體凈化功能，在工業(yè)中產(chǎn)生的污染氣體使用變壓吸附氣體分離技術(shù)可以減輕空氣污染，在最近30多年的時(shí)間里變壓吸附氣體分離技術(shù)得到各行業(yè)的運(yùn)用以及認(rèn)可[1]。相關(guān)資料顯示，20世紀(jì)40年代在德國(guó)就有關(guān)于無(wú)熱吸附凈化空氣的書(shū)出版，美國(guó)是第一個(gè)成功利用該技術(shù)將含氫廢氣的中氫氣進(jìn)行提取。在國(guó)外很早就有關(guān)于氣體分離和凈化的技術(shù)出現(xiàn)。變壓吸附技術(shù)雖然是一種相對(duì)新型的技術(shù)，由于該技術(shù)投入資金少，使用過(guò)程簡(jiǎn)單易懂，污染環(huán)境小等優(yōu)點(diǎn)，如今被應(yīng)用于各大工業(yè)中，同時(shí)創(chuàng)造出的價(jià)值也是非常高的，在各國(guó)的化工行業(yè)、煤化工行業(yè)、環(huán)保等，都是可以利用變壓吸附技術(shù)[2-5]。

1.變壓吸附分離技術(shù)簡(jiǎn)介

20世紀(jì)40年代左右德國(guó)的Hkahle首次提出了關(guān)于變壓吸附一詞，同時(shí)德國(guó)有關(guān)于無(wú)熱吸附凈化空氣的專利。由于在當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)發(fā)展蕭條，變壓吸附分離技術(shù)所使用的吸附劑并沒(méi)有當(dāng)今的效果好，當(dāng)時(shí)比較常見(jiàn)的吸附劑有硅膠、活性炭等?？諝夂恐械难鯕夂偷?dú)馐呛茈y被吸附的，這主要原因是變壓吸附分離技術(shù)不夠成熟，導(dǎo)致在進(jìn)行氣體分離的時(shí)候吸附性弱，分離效果差，難以進(jìn)行氣體分離[6]。在1950年后變壓吸附分離技術(shù)開(kāi)始出現(xiàn)在人們的世界里，被工業(yè)領(lǐng)域重視，變壓吸附分離技術(shù)才得以發(fā)展起來(lái)。德國(guó)在氣體分離中實(shí)現(xiàn)了分離氫氣，在尾氣中分離出純凈的氫。目前各個(gè)國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始關(guān)注到變壓吸附技術(shù)給人們帶來(lái)的益處，開(kāi)始大量進(jìn)行變壓吸附技術(shù)的研究，現(xiàn)在變壓吸附技術(shù)基本商品化，變壓吸附技術(shù)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈。

目前，在我國(guó)工業(yè)中也逐漸重視變壓吸附技術(shù)的使用，并且在相關(guān)研究人員的不懈努力下，變壓吸附技術(shù)的發(fā)展也越來(lái)越成熟，變壓吸附技術(shù)被運(yùn)用到除工業(yè)外的其他行業(yè)中，其中包括電子、化工、醫(yī)療、環(huán)保等。變壓吸附技術(shù)在我國(guó)不斷的發(fā)展起來(lái)，我國(guó)在研究變壓吸附技術(shù)中也取得非常多的成績(jī)，尤其是中國(guó)西南化工研究設(shè)計(jì)院獲得了最高的成就，與林德公司、UOP公司并列為全球變壓吸附三大專業(yè)研究設(shè)計(jì)院。在變壓吸附領(lǐng)域有我國(guó)的一席之地離不開(kāi)研究人員的努力，在中國(guó)西南化工研究設(shè)計(jì)院中為研究變壓吸附技術(shù)進(jìn)行無(wú)數(shù)的實(shí)驗(yàn)，才研究出來(lái)，同時(shí)還對(duì)變壓吸附技術(shù)不斷的融入新技術(shù)，不斷的進(jìn)行創(chuàng)新。變壓吸附技術(shù)現(xiàn)在節(jié)約成本的基礎(chǔ)上，還簡(jiǎn)化了操作流程，在一定程度上提高了氣體分離技術(shù)。我國(guó)應(yīng)用比較傳統(tǒng)的低溫、電解等方法，已經(jīng)逐漸淡出人們的視線中，取而代之的是變壓吸附技術(shù)。

2.變壓吸附分離技術(shù)基本原理

變壓吸附的基本原理與壓力變化有很大的關(guān)系，主要是采用氣體組分在固體材料上的吸附特性的差異進(jìn)行的，同時(shí)還利用變壓吸附分離技術(shù)氣體中吸附量隨壓力進(jìn)行不斷變化的特性，進(jìn)行氣體的分離[7]。氫的提取在工業(yè)中是比較常見(jiàn)的，也是不可缺少的，所以工業(yè)中利用變壓吸附分離技術(shù)進(jìn)行。傳統(tǒng)分離氣體技術(shù)中，變壓吸附分離技術(shù)之所以脫穎而出，在于成本花費(fèi)低，氣體分離技術(shù)高效等特點(diǎn)，變壓吸附分離技術(shù)不斷代替?zhèn)鹘y(tǒng)分離提取氣體技術(shù)，在各大行業(yè)不斷冒尖，不斷發(fā)展。變壓吸附分離技術(shù)在20世紀(jì)實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模的制氫，變壓吸附分離技術(shù)制氫的效果得到人們重視，于是不斷有研究人員開(kāi)始關(guān)注變壓吸附分離技術(shù)，也是這樣變壓吸附分離技術(shù)獲得了迅速的發(fā)展。該技術(shù)在我國(guó)的工業(yè)得到不斷的發(fā)展，在進(jìn)行氫氣的分離提純操作中，我國(guó)基本都是采用PSA分離技術(shù)，在我國(guó)原來(lái)傳統(tǒng)的低溫法、電解法等，由于使用耗能，操作過(guò)程復(fù)雜，投入資金大等缺點(diǎn)，這些技術(shù)已經(jīng)很少在使用。變壓吸附分離技術(shù)可以得到在二氧化碳?xì)怏w，主要是在合成氨變換氣中脫除二氧化碳，這個(gè)過(guò)程所得的產(chǎn)物能夠讓小型的合成氨廠的液氨產(chǎn)量得到相應(yīng)的提高，能夠節(jié)約一定的成本。變壓吸附分離技術(shù)提純二氧化碳，能夠在工業(yè)廢氣制取食品級(jí)二氧化碳。變壓吸附分離技術(shù)還能夠進(jìn)行氣體中NOx的脫除、硫化物的脫除等，對(duì)于保護(hù)環(huán)境方面是有很大的應(yīng)用價(jià)值，發(fā)展前景也是可觀的[8-9]。

3.變壓吸附氣體分離技術(shù)特點(diǎn)

變壓吸附技術(shù)的發(fā)展也越來(lái)越成熟，變壓吸附技術(shù)被運(yùn)用到除工業(yè)外的其他行業(yè)中，其中包括電子、醫(yī)療、環(huán)保等，變壓吸附技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)[10]：

（1）變壓吸附技術(shù)使用過(guò)程中消耗能源比較低，變壓吸附技術(shù)在壓力方面適應(yīng)比較廣，對(duì)于部分有壓力的氣體可以很好的展示變壓吸附技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，省去二次加壓的能耗，在一定程度上變壓吸附技術(shù)滿足低能耗的特點(diǎn)，而且變壓吸附技術(shù)還可以在常溫下進(jìn)行使用，這樣就節(jié)約了加熱和冷卻過(guò)程，同時(shí)節(jié)約能耗。所以變壓吸附技術(shù)能耗低是其最重要的優(yōu)點(diǎn)。

（2）變壓吸附技術(shù)在制取氣體的過(guò)程中所提出的產(chǎn)物在純度方面也是非常高的，而且在操作的過(guò)程中還可以進(jìn)行高靈活調(diào)節(jié)。變壓吸附技術(shù)制取氫的過(guò)程中，其氫的純度可達(dá)99.999%，還能根據(jù)所需要的氫的純度自行進(jìn)行調(diào)節(jié)，這很大程度上滿足個(gè)行業(yè)對(duì)氣體純度要求。

（3）變壓吸附技術(shù)在使用過(guò)程中其操作也是非常簡(jiǎn)單，不需要太復(fù)雜的步驟，在一定程度上可以方便人們的使用。由于變壓吸附技術(shù)對(duì)水、硫化物、烴類等有較強(qiáng)的承受能力，在進(jìn)行變壓吸附操作時(shí)減少傳統(tǒng)技術(shù)中預(yù)處理工序，使操作流程簡(jiǎn)單。

（4）變壓吸附技術(shù)自動(dòng)化程度高，在如今機(jī)器高智能發(fā)展時(shí)代，機(jī)器的自動(dòng)化功能是非常重要的，變壓吸附技術(shù)也不例外。變壓吸附技術(shù)裝置是由計(jì)算機(jī)控制，在進(jìn)行氣體制取的時(shí)候，操作過(guò)程全自動(dòng)化，只需要有工人稍加巡視即可，變壓吸附技術(shù)這個(gè)過(guò)程全自動(dòng)進(jìn)行。一般在30min就能得到合格的產(chǎn)物。

（5）變壓吸附技術(shù)的資金投資比較小，在我國(guó)小型的企業(yè)就可以使用變壓吸附技術(shù)，維護(hù)簡(jiǎn)單，檢修時(shí)間少，開(kāi)工率高。

（6）變壓吸附技術(shù)的吸附劑與傳統(tǒng)的吸附劑不同，變壓吸附技術(shù)的使用時(shí)間變長(zhǎng)，一般一臺(tái)變壓吸附機(jī)器能用上10年左右，而且吸附效果也好。

（7）變壓吸附技術(shù)裝置對(duì)環(huán)境是沒(méi)有污染的，對(duì)保護(hù)環(huán)境方面有重要的價(jià)值，工業(yè)中使用變壓吸附技術(shù)裝置可以減少污染氣體的排放，達(dá)到保護(hù)環(huán)境的目的。

4.變壓吸附氣體分離技術(shù)應(yīng)用研究

(1)在二氧化碳中應(yīng)用

變壓吸附回收二氧化碳即合成氨生產(chǎn)過(guò)程中脫碳工序。變壓吸附氣體分離技術(shù)就可以運(yùn)用在這個(gè)過(guò)程中。變壓吸附氣體分離技術(shù)之所以脫穎而出在于成本花費(fèi)低、凈化程度高、氣體分離技術(shù)高效等，變壓吸附分離技術(shù)不斷代替?zhèn)鹘y(tǒng)分離提取氣體技術(shù)。美國(guó)開(kāi)始把變壓吸附氣體分離技術(shù)用于合成氨變換氣脫碳研究：先將烴類轉(zhuǎn)化為變換氣，再將變換氣中的二氧化碳提純至99.4%，再將氫氣提純至99.999%，99.999%的高純氫氣與來(lái)自空分的高純氮?dú)獍大w積比3:1混合，經(jīng)壓縮后去生產(chǎn)氨。變壓吸附氣體分離技術(shù)在這個(gè)過(guò)程中減少合成氨的步驟，簡(jiǎn)化操作流程，在變壓吸附氣體分離技術(shù)合成氨的過(guò)程中省去銅洗與甲烷化工段，在一定程度上節(jié)約整個(gè)操作的成本。變壓吸附氣體分離技術(shù)吸附尿素脫碳的整個(gè)過(guò)程中，氫氣回收率可達(dá)95%，二氧化碳回收率可達(dá)94%。如今合成氨工藝中一般都是選擇變壓吸附氣體分離技術(shù)進(jìn)行脫碳[11]。

(2)在氫氣的回收提純中應(yīng)用

以前由于傳統(tǒng)的電解法提取氫氣，會(huì)造成電能的消耗，一般是電解水得到氫氣和氧氣，但是這個(gè)技術(shù)的使用每有1Nm3氫氣產(chǎn)生，就會(huì)消耗電6-7kW·h，這導(dǎo)致了電能的損耗以及損耗。目前的工業(yè)化生產(chǎn)中有大部分的含氫氣源，如鋼廠焦?fàn)t煤氣、煉油廠含氫尾氣等，如果可以在不損耗電能的前提下，又能提煉出所需要的氫氣，這就需要變壓吸附氣體分離技術(shù)的運(yùn)用，降低生產(chǎn)成本。

采用變壓吸附法提純氫氣耗電不足0.5kW·h/Nm3。我國(guó)在1990年武漢鋼鐵公司首次建成提煉氫氣的變壓吸附裝置，變壓吸附氣體分離裝置的使用讓生產(chǎn)氫氣的能力提高到1000Nm3/h，而且該裝置在焦?fàn)t中所提煉出的氫氣純度在99.999%。武漢鋼鐵公司運(yùn)用變壓吸附氣體分離裝置提取氫氣后，我國(guó)其他鋼鐵企業(yè)也開(kāi)始運(yùn)用該技術(shù)對(duì)氫氣進(jìn)行提煉。變壓吸附制氫操作過(guò)程中，其吸附壓力一般在0.8-2.5MPa范圍內(nèi)，初期由于變壓吸附氣體分離技術(shù)不夠成熟，在操作過(guò)程中由于吸附床內(nèi)死空間的氣體無(wú)法收集，造成浪費(fèi)。這個(gè)難題現(xiàn)在終于得到解決，部分工業(yè)現(xiàn)在會(huì)采用多床變壓吸附技術(shù)進(jìn)行操作，在經(jīng)過(guò)均壓和順向放壓這兩種不同的方式進(jìn)行吸附床死空間中的氣體進(jìn)行回收。在多床變壓吸附技術(shù)中四床流程所得到的產(chǎn)物其純度在99%以上，純度是非常之高的，而且四床變壓吸附技術(shù)所得的氫回收率在75%-80%之間。在多床變壓吸附技術(shù)中還有除了四床流程以外，還有五床、八床流程等。

在全世界最大的變壓吸附氣體分離制氫裝置已經(jīng)在我國(guó)神華集團(tuán)煤制油項(xiàng)目中出現(xiàn)，而且試車也是成功的，在一定程度上也代表我國(guó)變壓吸附氣體分離技術(shù)的進(jìn)步，已經(jīng)達(dá)世界先進(jìn)水平。該裝置是采用4分組流程進(jìn)行的。其中該裝置的處理氣量約為每小時(shí)34×104Nm3，而且該裝置產(chǎn)生的氫能力約是每小時(shí)有28×104Nm3，并且產(chǎn)生的氫純度可以達(dá)到99.9%，氫的回收率也是幾乎大于90%的。

(3)在精餾尾氣的回收中應(yīng)用

變壓吸附氣體分離技術(shù)中使用的是特殊的吸附劑，可以在高壓狀態(tài)環(huán)境中選擇性吸附尾氣中的氯乙烯和乙炔，在沒(méi)有被吸附的氣體中就可以得到滿足排放標(biāo)準(zhǔn)的凈化氣體，達(dá)到不污染空氣的目的。運(yùn)用真空泵降低壓力抽空吸附床，讓吸附劑上的氯乙烯與乙炔脫附，再回氯乙烯生產(chǎn)裝置回收利用，這樣在整個(gè)過(guò)程中吸附劑還能進(jìn)行重新使用。工業(yè)中所生產(chǎn)的氯乙烯精餾尾氣，在進(jìn)行排放時(shí)需要達(dá)到相應(yīng)的排放標(biāo)準(zhǔn)才能夠排放到空氣中，變壓吸附氣體分離技術(shù)就可以達(dá)到這個(gè)效果。由此在工業(yè)化行業(yè)中處理尾氣就可以利用變壓吸附氣體分離技術(shù)，該技術(shù)對(duì)于解決尾氣中的污染氣體是有社會(huì)效益[13]。

(4)在甲烷的提純中應(yīng)用

天然氣成分中自然是少不了各種烴類物質(zhì)，其中天然氣最重要的成分是甲烷，但是天然氣成分中有部分是其甲烷的同系物，包括各類烴類雜質(zhì)。對(duì)于部分工業(yè)而言想要得到以天然氣為原料的化工產(chǎn)品，其主要需要解決的是天然氣中甲烷的同系物，只有減少各類烴類雜質(zhì)，才能得到純度比較高的天然氣產(chǎn)物。變壓吸附氣體分離技術(shù)就可以進(jìn)行天然氣凈化，讓天然氣中的甲烷同系物雜質(zhì)減少不到0.0001的范圍內(nèi)，從而提高天然氣的純度。到目前為止我國(guó)現(xiàn)存變壓吸附氣體分離技術(shù)天然氣凈化裝置逐漸得到運(yùn)用，在各大行業(yè)中投入使用。

我國(guó)擁有的煤是比較多的，所以在煤炭生產(chǎn)方面我國(guó)是大國(guó)，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)幾乎年年采煤，在采煤的過(guò)程中所排放出的瓦斯多達(dá)1.2×1010m3，煤礦開(kāi)采向大氣排放甲烷總量排名在前。利用率僅占總排放量的5%-7%，采煤過(guò)程中產(chǎn)生的甲烷大部分跑到空氣中，這無(wú)疑造成甲烷的浪費(fèi)，而且在一定程度上會(huì)造成空氣污染，不利于我國(guó)的發(fā)展。相關(guān)規(guī)定可以知道對(duì)于瓦斯?jié)舛仍?0%以下的是無(wú)法使用的，所有在采煤的過(guò)程中，把排在大氣中的瓦斯含量提升在80%以上，就可以作為高能燃料和化工原料；達(dá)到95%就并入天然氣管道輸送，在各大工業(yè)中得到再次利用，同時(shí)一定程度上減少大氣環(huán)境污染，解決我國(guó)能源短缺。瓦斯不僅僅只是含甲烷，而且還包括部分二氧化碳，氮?dú)?，氧氣。想要分離這些氣體需要變壓吸附氣體分離技術(shù)的參與，根據(jù)二氧化碳和甲烷的各自性質(zhì)可以知道兩者之間的物理性質(zhì)是非常大的，這就表明二氧化碳和甲烷比較易于分離的，目前瓦斯提純含氮煤層氣提純是分離氣體的重點(diǎn)。甲烷以及氮?dú)獾姆蛛x在變壓吸附氣體分離技術(shù)中目前基本實(shí)現(xiàn)，并且氣體凈化也已經(jīng)基本上實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，其中著名的UOP公司就有關(guān)于氮天然氣凈化的技術(shù)，也就是五床變壓吸附凈化技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)將含天然氣中把30%氮提純到甲烷含量96.4%，同時(shí)達(dá)到甲烷利用率80%以上。在Nitrotec公司也有與UOP公司類似的技術(shù)，并且兩個(gè)公司都分別申請(qǐng)了屬于自己的專利，Nitrotec公司利用三塔變壓吸附流程，將天然氣中含30%的氮進(jìn)行提純后，可以得到純度98%以上的甲烷，烴類回收率70%以上。這兩個(gè)公司在氣體提純方面取得的巨大成就。在我國(guó)相關(guān)技術(shù)人員也開(kāi)始重視采煤過(guò)程中氣體的提純研究，在未來(lái)幾年里，我國(guó)在煤氣層甲烷提純方面也會(huì)有戰(zhàn)績(jī)，我國(guó)也會(huì)利用好變壓吸附氣體分離技術(shù)，將其發(fā)揮出更大的作用。

5.結(jié)論

變壓吸附技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)在未來(lái)有很大的發(fā)展空間，各國(guó)的研究人員不斷的研究開(kāi)發(fā)變壓吸附技術(shù)，相信不久的將來(lái)變壓吸附技術(shù)在工業(yè)中還有更大的貢獻(xiàn)。變壓吸附技術(shù)不僅會(huì)運(yùn)用在各工業(yè)中，還會(huì)運(yùn)用在各產(chǎn)生廢氣的行業(yè)中，對(duì)污染空氣的氣體進(jìn)行凈化，達(dá)到保護(hù)環(huán)境的作用。相信變壓吸附氣體分離技術(shù)不斷發(fā)展創(chuàng)新，會(huì)有新的領(lǐng)域和空間。