提高变压吸附装置氢气回收率优化工艺研究

提高变压吸附装置氢气回收率优化工艺研究

马金丽

黑龙江省大庆市让胡路区马鞍山大庆炼化公司培训中心163411

摘要：采用变压吸附装置提纯含氢气并回用至加氢过程，可以缓解炼油厂氢气亏缺的现状。本文研究了变压吸附装置制氢的基本原理，介绍了变压吸附制氢工艺的发展现状，提出了通过提高吸附压力与解吸压力的相对比值的方式来提高氢气回收率的工艺改进思路。

关键词：氢气提纯；缓解氢气亏缺；变压吸附制氢工艺

1变压吸附装置概况

在十九大报告中，强调了践行绿水青山就是金山银山的理念，坚持节约资源和保护环境的基本国策，这对能源和石化企业提出了更高的要求，其中清洁油品的含硫量和加氢效率就是一个重要指标。氢气是炼油炼气企业的宝贵资源，氢气的制造一般采用天然气重制的方法，但由于该过程的耗能量巨大，为了节约成本炼油炼气企业都要有厂气的回收利用措施来保证制氢装置的较低负荷。目前氢气回收的主要方法之一就是采用变压吸附装置提纯氢气流股的方法，变压吸附（pressureswingadsorption，PSA）技术就是利用不同材质的吸附剂来实现混合气体分离的一种工艺。在高气压环境下，不同的吸附剂可以对混合气体中的吸附值进行定向吸附，在低气压环境下，不同的吸附剂又可以解吸已经吸附的吸附质，从而实现定向回收利用气体的效果。吸附剂解吸过程可以实现吸附剂的再生，当气压升高后又可以进行进一步的混合气体吸附质定向吸附和解析，因此工业上会采用几种不同吸附剂配合使用的方式来保证产品气体回收的连续性。变压吸附分离一方面提高了氢气回收利用率，另一方面吸附剂的选择不同可以实现混合气体分离，在没有液体和粉尘的情况下可以有效分离出氧气作为转化炉燃料气体使用，这就大大降低了天然气提纯的能耗。

影响变压吸附装置对氢气回收利用效率的主要性能参数包括吸附质材料、吸附质物性指标、操作环境温度、气压、氢气浓度、装置核心算法、提纯产品类别、尾气纯度等。尽管已经明确上述指标对氢气回收率的影响范围，但各个指标的关联性考量研究尚不完善，这也是制约变压吸附装置吸附质选择和氢气回收效率提升的一个主要因素。

2变压吸附制氢工艺发展现状

作为炼油炼气企业技术研究和新工艺发展的重要组成部分，变压吸附工艺特别是新型吸附剂选择使用是优化生产产品工艺改进的主要方向，可以为企业节能减排、成本降低创造良好的经济效益。目前国内主要的变压吸附制氢工艺可以概括为多床变压吸附工艺和多种吸附剂的同塔分段装填两类。

（1）多床变压吸附工艺

传统的四塔变压吸附装置的吸附塔尺寸较小，垂直高度不足，这会导致吸附剂的填充量较小，不足以满足四床变压吸附工艺的吸附剂处理量要求，吸附剂颗粒制造强度的下降就会降低工业生产中对氢气制造回收的效率。目前解决上述问题的主要思路是采用多塔塔变压吸附工艺，来满足处理大规模氧气的需求。尽管增加吸附塔数量能够满足装置处理能力需求，生产过程中的压力均衡处理过程也会增加，这可以降低氧气的消耗量从而实现提高氧气回收率的目的，但与之相伴的是压力均衡设备连接管件和程控阀门的数量增多，整个生产装置的设备投资成本增大，也对程控程序的复杂度提出了更高的要求。因此在多床变压吸附工艺实施过程中，要对吸附塔数量、设备投资成本、吸附剂性能、装置分离任务程序开发、原料气组成等因素进行综合考虑，这样才能保证变压吸附装置的高效低成本运行。

（2）多种吸附剂的同塔分段装填

吸附剂的选择和放置方法也是有效提高变压吸附装置氢气回收率的主要工艺之一。目前工业上对混合气体分离过程中吸附剂的选择是吸附性能强、再生能力强和物理颗粒较大的吸附剂放置在吸附塔的入口处，然后依次按照上述指标由大到小的顺序来放置吸附剂。这种做法的好处是可以按照混合气体亲和力强弱的顺序来划分回收气体，使得单个吸附塔的混合气体吸附分离容量增大，也能降低单个吸附塔的轴向压力。

多种吸附剂的同塔分段装填是为了实现含氢混合气的高效分离，这是由含氢气源杂质含量和分离性能决定的。含氢气体变压吸附工艺中，混合气的成分一般为水、烃、二氧化碳等大分子物质，这就需要有针对性的选择吸附剂来实现混合气体分离。在单吸附剂塔装填吸附剂新选择上一般为活性氧化铝、硅胶、活性炭和分子筛等，其中活性氧化铝、硅胶的大分子气体亲和力较低，能够有效实现混合气体中氢元素的吸附和脱附，这两种吸附剂就要装填至吸附塔底部，然后在它们之上放置活性炭，最后装填分子筛，这样的分段装填是按照混合气体分子结构和亲和力排序的，使得单个吸附塔的吸附性能有显著加强，可以降低吸附塔尺寸来降低成本，也能提高氢气的回收效率。

3变压吸附装置提高氢气回收率改进思路

变压吸附装置的氢气回收率，是由入口气体纯度、产品气体纯度、吸附剂材质、操作环境温度压力等因素决定的，为了研究这些性能参数之间的关系，这里通过构建变压吸附简化模型的方式来进行研究，通过严谨的数学建模和数据分析，可以预测回收率与其他因素之间的关系，为变压吸附装置关联性优化提供改进思路，可以用公式（1）来表示变压吸附简化模型：

公式（1）中的RPSA代表氢气回收率，yinp,c代表入口氢气纯度，PH代表高压情况下变压吸附压力（绝对压力），PL代表低压情况下变压吸附的解吸压力（绝对压力），θ是吸附剂的选择性（0到1之间，由吸附材料的类别、物理性质和操作温度决定）。从上述公式可以看出，当吸附压力和解吸压力的比值增高时，氢气的回收效率也会增加，当入口氢气纯度增加时，氢气的回收效率也会增加，吸附选择性数值越小，氢气的回收效率也会增加。

经过大量的实际测量和数据分析，最终根据公式（1）得出如下结论：

（1）入口氢气纯度在70%和80%之间时，氢气回收率缓慢增长并达到最高值，氢气回收成本也逐步降低至最低值；

（2）吸附压力和解析压力的比值在5到30之间时，氢气回收率变化不大，但氢气回收成本有显著降低；

（3）吸附选择性数值在0.8至0.02之间时，氢气回收率显著提高，氢气回收成本也有显著降低。

综上所述，可以通过调节入口氢气纯度、吸附压力和解析压力的比值以及吸附选择性系数的方式来提高氢气回收率和降低氢气回收成本。

参考文献：

[1]邓春．耦合变压吸附简化模型的提纯回用氢网络协调优化[J]．清华大学学报(自然科学版)，2016（07）：735-742．

[2]李旭亮．变压吸附装置氢气损失的调查分析与处理[J]．中氮肥，2016（01）：19-22．