PSA制氫技術(shù)及其在煤制甲醇中的應(yīng)用

張亮

摘 要：由于受到我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的影響，煤化工行業(yè)在一定時(shí)期內(nèi)迅速發(fā)展。隨著氫氣需求量的大幅提升和煤氣化制氫技術(shù)工藝的日益成熟，低成本的大規(guī)模煤制甲醇?xì)錃馓峒兗夹g(shù)的需求更為迫切。為指導(dǎo)和推廣PSA制氫技術(shù)在煤制甲醇行業(yè)的工業(yè)化推廣應(yīng)用，本文主要對(duì)變壓吸附制氫的傳統(tǒng)工藝和PSA制氫技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及研究進(jìn)展進(jìn)行分析探討。介紹了變壓吸附制氫生產(chǎn)甲醇的基本原理，闡述變壓吸附生產(chǎn)流程。重點(diǎn)研究PSA技術(shù)在煤炭氣化制甲醇工藝中的應(yīng)用。探討了大型煤制甲醇行業(yè)變壓吸附技術(shù)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：變壓吸附;煤制甲醇;制氫技術(shù)

現(xiàn)階段我國(guó)能源資源現(xiàn)狀是貧油、少氣、多煤，目前中國(guó)對(duì)于煤炭利用的主要方式大多數(shù)為直接燃燒方式轉(zhuǎn)化為其他形式能量，然后再進(jìn)行加工利用，這樣的利用方式不可避免的造成了綜合能源利用效率較低和環(huán)境污染嚴(yán)重等許多問題[1]。為了更好的提高煤炭的綜合利用效率，減少生產(chǎn)過程中對(duì)環(huán)境造成的污染，中國(guó)自1960年開始大力提倡潔凈煤技術(shù)，其中以煤氣化為首要工序的煤制甲醇技術(shù)就是其中最為核心潔凈煤技術(shù)。煤氣化技術(shù)一般為經(jīng)過特定壓力和溫度下將固體煤轉(zhuǎn)化為氣體煤氣，煤氣可用作燃料或化工原料，因其具有運(yùn)輸方便和燃燒效率高以及污染排放低等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。目前人們生活中不可避免的需要一些煤化工產(chǎn)品，如聚乙烯和聚丙烯產(chǎn)品等。由于煤化工產(chǎn)業(yè)壯大的趨勢(shì)影響，氫氣需求量大幅提升，為低成本的大規(guī)模煤制氫帶來了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。我國(guó)大型煤氣化技術(shù)具有規(guī)模大、壓力高、煤種適應(yīng)性廣等特點(diǎn)，與此相適應(yīng)的大型煤制氫單元中變壓吸附制氫已成為提純氫氣的主流技術(shù)之一[2]。根據(jù)現(xiàn)有的變壓吸附制氫工藝、設(shè)備、規(guī)模等發(fā)展現(xiàn)狀，討論了大型煤制氫變壓吸附技術(shù)的發(fā)展方向。

與目前全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)狀相結(jié)合，氣體分離技術(shù)的應(yīng)用在煤制甲醇行業(yè)快速發(fā)展。變壓吸附（PSA）是一種物理吸附的分離技術(shù)，該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中因?yàn)闅怏w組分不同，其吸附能力也隨之不同[3]。隨著吸附容量的上升物質(zhì)吸附的過程中的設(shè)備分壓也相應(yīng)上升的同時(shí)吸附中的溫度逐步出現(xiàn)下降的現(xiàn)象。通過對(duì)吸附作業(yè)的特點(diǎn)進(jìn)行深入分析，PSA能夠?qū)崿F(xiàn)低溫--高壓吸附，低壓--高溫解析再生的循環(huán)模式。在實(shí)際應(yīng)用的過程中PSA技術(shù)通過壓差實(shí)現(xiàn)氣體的吸附和再生，該技術(shù)能耗低，分離效率高，應(yīng)用效果好。PSA技術(shù)是利用吸附劑選擇性吸附混合氣體中的雜質(zhì)組分，進(jìn)行H2的提純[4]。為指導(dǎo)和推廣變壓吸附（PSA）制氫技術(shù)在煤制甲醇行業(yè)的工業(yè)化推廣應(yīng)用[5]，本文將綜述大型煤制氫PSA技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，并討論未來的發(fā)展方向。

1 煤制甲醇制氫技術(shù)及其應(yīng)用現(xiàn)狀

工業(yè)制氫的方法主要有低溫精餾法、膜分離法和變壓吸附三種。三種方法優(yōu)劣各異，其具體比較如下表1所示。低溫精餾法制備氫氣是指將氣體進(jìn)行冷凍成為液體，而后利用精餾的方法進(jìn)行氣體分離，該方法制氫的氣體純度和回收率均很高，但其投資很高。膜分離法的占地面積較小并且操作簡(jiǎn)單、開工率非常高而功耗低，能夠大幅度節(jié)省投資，但是其氫氣提純率并不如其他兩種方法高，一級(jí)膜分離提純率只有百分之九十八，即使耳機(jī)膜分離提純率也僅能達(dá)到百分之九十九。變壓吸附法具有投資少、工藝簡(jiǎn)單、產(chǎn)氫成本低等優(yōu)勢(shì)，并且氫氣轉(zhuǎn)化率較高，此外PSA技術(shù)使用和操作均較為方便，具有很強(qiáng)的可靠性及靈活性，除自控閥門外沒有其他動(dòng)設(shè)備，動(dòng)力消耗非常低，不需要進(jìn)行特殊的管理以及維修，相對(duì)操作費(fèi)用低，其吸附劑的選擇性和分離效果均較好，該技術(shù)的制氫純度較高，基本可達(dá)到百分之九十九點(diǎn)九以上，用于加壓過程中可大幅度降低操作壓力的同時(shí)減少排放損失，所以在煤制甲醇行業(yè)得到了更為廣泛的應(yīng)用。

2 PSA工藝簡(jiǎn)介

PSA工藝技術(shù)是氣體分離回收的主要技術(shù)之一。PSA技術(shù)主要包括制氫、脫除二氧化碳、二氧化碳提濃、一氧化碳提濃、空分制氧、空分制氮、甲烷提濃、回收氯乙烯乙炔等等。PSA制氫技術(shù)只是PSA工藝技術(shù)之中的一種，同時(shí)也是PSA工藝裝置中氣體處理量合計(jì)中總量最大的一種。

3 PSA系統(tǒng)吸附劑的選擇

不同的氣體組分因?yàn)榉肿拥拇笮　⒔Y(jié)構(gòu)、極性等性質(zhì)的差異，吸附劑對(duì)其吸附的能力和吸附容量也存在較大差異，PSA制氫裝置所利用的就是吸附劑的此特性。由于氣體吸附分離成功與否，極大程度上依賴于吸附劑的性能，因此選擇吸附劑是確定吸附操作的首要問題。比較普遍的PSA吸附劑主要有活性氧化鋁、活性炭、分子篩三種。活性氧化鋁一般裝填在吸附塔底部，用于脫除水分。活性炭主要裝填在吸附塔中部，用于脫除原料氣中的萘和硫、重?zé)N和各類烴類。分子篩裝填于吸附塔的上部，用于脫除甲烷、乙烷、氮?dú)獾取７肿雍Y是吸附量較高同時(shí)吸附選擇性極佳。

4 PSA制氫在煤制甲醇行業(yè)的發(fā)展前景

PSA氣體分離技術(shù)是依靠壓力的變化來實(shí)現(xiàn)吸附與再生的，因而再生速度快、能耗低，屬節(jié)能型氣體分離技術(shù)。該工藝過程簡(jiǎn)單、操作穩(wěn)定、對(duì)于含多種雜質(zhì)的混合氣體可將雜質(zhì)一次脫除得到高純度產(chǎn)品。煤氣化方式產(chǎn)生的H2含量低且雜質(zhì)多，需通過分離提純后方可供下游用戶使用。變壓吸附技術(shù)提純氫氣技術(shù)的原料氣源適應(yīng)性廣，制氫的過程清潔節(jié)能，自動(dòng)化程度高、可靠性和靈活性好、開停車方便、氫氣純度高，這些優(yōu)點(diǎn)使其成為了被廣泛應(yīng)用的氫氣提純主流技術(shù)之一。變壓吸附工藝制氫技術(shù)在煤制甲醇行業(yè)中日益成熟，應(yīng)用廣泛。此外，氫已經(jīng)逐漸變成當(dāng)前社會(huì)的一種非常主要的潔凈能源，我國(guó)更是需要大力發(fā)展?jié)崈舻臍淠芟到y(tǒng)。綜合考慮裝置可調(diào)性、技術(shù)水平、氫氣純度、能耗以及經(jīng)濟(jì)實(shí)力等多種因素，煤制甲醇行業(yè)在解決氫氣提純問題時(shí)，應(yīng)將PSA制氫技術(shù)作為首選方案。此外，PSA制氫技術(shù)在我國(guó)雖然已有較好的應(yīng)用基礎(chǔ)，但目前存在的氫氣回收率較低、操作壓力范圍小等問題急需解決。綜合我國(guó)目前國(guó)慶，在解決目前生產(chǎn)工藝的同時(shí)，應(yīng)該積極研究探索PSA技術(shù)的劣勢(shì)，以降低其對(duì)生產(chǎn)工藝的影響。

5 結(jié)論

經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)踐表明，煤制甲醇工藝當(dāng)中選擇變壓吸附制氫工藝，即優(yōu)化了原有的煤氣化制氫工藝，又使氫氣轉(zhuǎn)化率得到了有效的提高，其技術(shù)先進(jìn)，完全能夠滿足大型煤化工企業(yè)生產(chǎn)工藝需求，具有良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐世洋，張敏，朱亞軍.變壓吸附技術(shù)在焦?fàn)t煤氣制氫中的應(yīng)用[J].遼寧化工，2006（07）：41-43.

[2]徐世洋，張敏，朱亞軍.淺談變壓吸附技術(shù)在焦?fàn)t煤氣制氫中的應(yīng)用[C].全國(guó)天然氣化工信息站變壓吸附網(wǎng)全網(wǎng)大會(huì)暨變壓吸附分離技術(shù)交流會(huì).2007.

[3]劉洋.變壓吸附原理在工業(yè)制氫中的運(yùn)用[J].化工設(shè)計(jì)通訊，2017.

[4]焦玉雪，吳峰.利用變壓吸附（PSA）技術(shù)從焦?fàn)t煤氣中制取氫氣的工藝探討[C].蘇、魯、皖、贛、冀五省金屬學(xué)會(huì)第十五屆焦化學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（上冊(cè)），2010.

[5]制氫技術(shù)現(xiàn)狀分析及發(fā)展[J].化工設(shè)計(jì)通訊，2018，44 （11）：195-196.