小PSA技術回收廢氣中氫的研究

趙惠蓉

(潞安化工集團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、轉換反應、脫硫脫碳，最終處理出98%以上的氫氣，成為生產液氨、雙氧水、己二酸、己內酰胺、尼龍六等的重要原料之一。

低溫甲醇洗、液氮洗再生系統所產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數69.87%，氣體流量594.2 m3/h；液氮洗裝置的循環氫廢氣氫體積分數88.78%，氣體流量208 m3/h。總排氫量599.83 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，且不符合環境保護要求[1]。

1 廢氣中氫的來源

我公司園區低溫甲醇洗工段可處理27萬m3/h的原料氣，產出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行脫硫脫碳，使產品氫氣純度≥98%，再生部分是對甲醇液中的H2、總硫、CO2用減壓、閃蒸、加熱、氣提的方法進行提取，凈化甲醇，甲醇可以循環使用。生產出副產品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，使φ(H2)≥99.9%，同時配有N2供后續工段使用，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產品要求(見第62頁表2)

表2 產品氣要求 (φ，%)

2.4 工藝流程說明

a)吸附過程

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

在多種吸附劑的依次選擇吸附下，其中的H2O、CH3OH、C1～C4等雜質和部分N2、Ar被吸附下來，未被吸附的氫氣作為產品從吸附塔塔頂流出并進入氫氣緩沖罐，再經壓力調節系統穩壓后送出界區去后工段。

當被吸附雜質的傳質區前沿(稱為吸附前沿)到達床層出口預留段某一位置時，關閉該吸附塔的原料氣進料閥和產品氣出口閥，停止吸附。吸附床開始轉入再生過程。

b)均壓降壓過程

在吸附過程結束后，順著吸附方向將塔內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

在均壓過程結束后，接著進行順放，使吸附前沿達到床層出口。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，此時逆著吸附方向將吸附塔壓力降至接近常壓，使被吸附的CO、CO2等雜質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對吸附床層進行沖洗，進一步降低雜質組分的分壓，使被吸附的雜質完全解吸，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行升壓，這一過程與均壓降壓過程相對應，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3次均壓升壓過程。

g)產品氣升壓過程

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

經這一過程后吸附塔便完成了一個完整的“吸附-再生”循環，又為下一次吸附做好了準備。

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

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，順序控制結合常規模擬控制。為滿足裝置長期、穩定、安全運行，在PSA裝置的控制軟件中，不僅能實現系統的常規控制要求，還配置了自適應優化控制系統。

3 回收氫應用情況及效益

經濟效應：2020年1月成功應用。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。回收氫氣共5 023 606 m3，折合人民幣519萬元，其余2 364 050 m3廢氣回收至變換入口，循環處理，實現廢氣零排放，見表3。節約廢氣處理費用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

環保效果：小PSA吸附低溫甲醇洗閃蒸氣、液氮洗循環氫氣中的氮氣、一氧化碳、二氧化碳、甲醇、硫化氫、氧、甲烷，將氫氣提純為99%以上，供給后續系統使用。小PSA各吸附塔再生所產的廢氣，經過解析氣加壓機，送回到變換系統入口工藝氣中，二次循環處理。使得廢氣零外排，符合環境保護要求，廢氣節約環保處理費用10萬元。

綜上所述，本項目創造了更高經濟效益的同時，有效控制了氫損耗；廢氣循環處理，零排放，符合環境保護要求。全年增加收益529萬元。為同行業提供了借鑒。

4 結語

實踐證明，利用變壓吸附等小型設備回收尾氣中的氫氣，是節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。且達到很好的環境保護效果，為節能降耗起到很好的作用。