CN105347304B - 一种双高带压解吸psa提氢方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双高带压解吸PSA提氢方法，涉及制氢和变压吸附气体分离技术领域,包括一段变压吸附阶段和二段变压吸附阶段，所述一段变压吸附阶段为氢气浓缩阶段，在一段变压吸附单元中进行，解吸时采用带压解吸；所述二段变压吸附阶段为氢气提纯阶段，在二段变压吸附单元中进行，解吸时采用常压解吸；带压解吸时，使得解吸尾气本身带压，不用压缩直接去管网作为燃烧气，克服了传统变压吸附工艺解吸尾气需增压以回收利用而带来的能耗高的缺点，取消了解吸尾气压缩机，增加了装置可靠性的同时大大降低了装置的投资和能耗；采用两段变压吸附单元吸附，在保证产品纯度99.9%以上的同时，也提高收率至90%以上，实现了“双高”即高纯度、高收率的提氢目标。

Description

一种双高带压解吸PSA提氢方法

技术领域

本发明涉及制氢和变压吸附气体分离技术领域，更具体的说是涉及一种双高带压解吸PSA提氢方法。

背景技术

随着不可再生能源储量的不断减少和轻质燃料需求的持续增长，氢气在能源化工业的重要性日益凸显，对不同组成、性质的低体积分数氢气进行净化、提浓供用氢单元再利用，可有效降低制氢单元负荷，减少制氢原料消耗，已成为企业解决氢源供应瓶颈，减少碳排放的有效方法；含氢的各种尾气、废气比如：变压吸附重整气制氢装置的解吸气、中变气制氢装置的解吸气、低分气、催化干气、火炬气等，这些气源中含有大量的氢气、二氧化碳以及各种烃类，有很高的利用价值。

这类气体通常采用变压吸附工艺，由于再生过程中有效气混在杂质气体中而无法回收利用，所以在此过程中的解吸尾气通常作为低热值的燃料气送往燃料气管网或送去火炬烧掉，解吸后的尾气通常为常压，需要加压到一定压力才能送往燃料气管网或火炬系统，由此压缩机带来的高能耗、高成本以及动力设备带来的装置故障率成为制约含氢尾气高值利用的瓶颈，尤其是一些量大的含氢尾气，还含有高烃类的物质容易对压缩机造成堵塞，导致装置无法运行。

例如一股50000Nm3/h的炼厂干气含氢约50%，一段变压吸附提氢后的解吸尾气就有大约14000Nm3/h，可见解吸尾气占了原料气约1/3，14000Nm3/h的解吸尾气从常压0.02Mpa(g)压缩到0.5Mpa(g),需要电耗800Kwh的压缩机一开一备，一台800Kwh的两级压缩机投资约为400~500万，这样总投资了近1000万，一年的电耗成本为470万。带压解吸变压吸附的工艺能使解吸尾气本身带压，不用压缩直接去管网作为燃烧气，这样省掉了近1000万的投资和一年470万的电耗。然而普通的一段带压解吸变压吸附工艺，保证产品高纯度的同时氢气收率非常低，大约只有60~70%。

发明内容

本发明提供一种双高带压解吸PSA提氢新方法，解决了压缩机带来的高能耗、高成本以及高装置故障率的问题，同时保证产品高纯度的同时提高了氢气收率。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种双高带压解吸PSA提氢方法，包括一段变压吸附阶段和二段变压吸附阶段，所述一段变压吸附阶段为氢气浓缩阶段，在一段变压吸附单元中进行，氢气被浓缩至90%以上，解吸时采用带压解吸，故而其解吸气带压，可将解吸气直接送入燃料气管网或火炬，无需增加压缩机，所以大大降低了制氢装置的能耗；所述二段变压吸附阶段为氢气提纯阶段，在二段变压吸附单元中进行，经一段变压吸附浓缩的氢气被提纯至99.9%以上，达到产品气要求，采用常压解吸以提高氢气纯度；所述二段变压吸附单元的顶部连接输出产品气的产品输出管道，还包括二段变压吸附单元的底部连接排放尾气的管道，由于在一段变压吸附单元氢气被浓缩，大量的无效杂质被解吸，故进入二段变压吸附单元的杂质量非常小，因此解吸的尾气量也非常小，且几乎没有有效气成分，此尾气为常压可直接放空排入大气。

更优的，所述一段变压吸附阶段中，解吸时的气压略大于气体通过燃料管网或者火炬系统需要的最低压力，解吸时，压力越小，解吸越彻底；压力越大，解吸越不完全，因此，若解析压力过大，将牺牲掉过多的有效气，造成不必要的浪费，影响整体经济效益，根据气体通过燃料管网或者火炬系统需要的最低压力来设置解吸时压力，可获得最大程度的经济效益。

更优的，解吸时的气压为0.05~1.0Mpa；通常燃料管网或者火炬系统的压力为0.05~1.0Mpa，所以解吸气压力设置为0.05~1.0Mpa；而在现有技术中，常压或负压解吸时，解吸气不带压力，也往往需使用压缩机将解吸气加压到0.05~1.0Mpa才送往燃料气管网或火炬系统。

更优的，所述变压吸附单元包括两个及以上的吸附塔，确保吸附、解吸过程的同时进行，保证连续性生产；所述吸附塔包括一个或多个复合装填床层的吸附材料。

更优的，所述一段变压吸附阶段包括如下步骤：

a、 一段吸附：将含有氢气、甲烷以及其他烃类的原料气经一段进气管、一段进气支管送入一段变压吸附单元的任意1个或多个一段吸附塔内，一段吸附塔内装填氢气浓缩吸附剂，将原料气中的甲烷和其他烃类吸附，有效气成分氢气及其它杂质气体作为中间气则从相应的一段吸附塔顶部的一段出气管输出；

b、 一段一级均压降：气体在一段吸附塔内经过吸附完成后，上述步骤参与吸附的一段吸附塔的一段出气管经一段一级均压管与其他任意1个或多个一段吸附塔的进料端相连，减压排出气体，直至其两个或多个相应的塔压力相等；

c、 一段二级均压降：上述步骤参与吸附的一段吸附塔的一段出气管经一段二级均压管继续与上述步骤相应的其他一段吸附塔的进料端相连，按照预设定的时间和压力，减压排出气体直至压力降为设定的值；

d、 一段逆放：均压降完成后，此时上述步骤参与吸附的一段吸附塔内部带有压力，接着经一段逆放管逆向减压排出气体，从而完成整个再生过程；排出的逆放气作为解吸尾气经一段解吸尾气总管引入到解吸气缓冲罐，稳定压力后解吸尾气作为燃料气被直接送去燃料管网或者火炬系统；

e、 一段一级均压升：逆放完成后，从上述步骤参与吸附的一段吸附塔的一段出气管经一段一级均压管逆向引入相应的均压塔排出的气体直至两塔或其余两两塔的床层压力相等；

f、 一段二级均压升：从上述步骤参与吸附的一段吸附塔的一段出气管经一段二级均压管继续逆向引入与其他相应的均压塔排出的气体，按照预设定的时间和压力，升压直至压力升为设定的值；

g、 终充：从上述步骤参与吸附的一段吸附塔的一段出气管经一段终充管逆向引入部分产品气体以升高床层压力到吸附压力。

更优的，所述二段变压吸附阶段包括如下步骤：

a、 二段吸附：从一段吸附塔顶部输出的中间气按一定的时间间隔，分不同的时段，逐次按顺序经二段进气管、二段进气支管进入任意1个或多个二段吸附塔内，二段吸附塔内装填氢气提纯吸附剂，将中间气中剩余甲烷等杂质吸附，产品氢气则经二段吸附塔顶部的二段出气管输出，经产品气管将产品氢气送出装置；

b、 二段一级均压降：中间气在二段吸附塔内经过附完成后，从上述参与吸附的二段吸附塔的二段出气管经二段一级均压管与其他任意二段吸附塔的进料端相连，减压排出气体，直至其两个或多个相应的塔压力相等；

c、 二段二级均压降：从上述参与吸附的二段吸附塔的二段出气管经二段二级均压管继续与其他相应的二段吸附塔的进料端相连，按照预设定的时间和压力，减压排出气体直至压力降为设定的值；

d、 二段逆放：均压降完成后，通过二段逆放管进行逆向减压排出气体，直至压力达到100kpa~500kpa的放空压力；

e、 二段一级均压升：逆放完成后，从上述参与吸附的二段吸附塔的二段出气管经二段一级均压管逆向引入相应的均压塔排出的气体直至吸附塔床层压力相等；

f、 二段二级均压升：从上述参与吸附的二段吸附塔的二段出气管经二段二级均压管继续逆向引入与其他相应的均压塔排出的气体，按照预设定的时间和压力，升压直至压力升为设定的值；

g、 终充：从上述参与吸附的二段吸附塔的二段出气管经二段终充管逆向引入部分产品气体以升高床层压力到吸附压力。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）解吸气不用压缩直接去管网作为燃烧气，克服了传统变压吸附工艺解吸尾气需增压以回收利用而带来的能耗高的缺点，取消了解吸尾气压缩机，增加了装置可靠性的同时大大降低了装置的投资和能耗；

（2）通过两段法变压吸附技术可进行分段分离回收，在保证产品纯度达99.9%以上的同时，将收率提升至90%以上，实现了“双高”即高纯度、高收率的提氢目标。

附图说明

图1为一段吸附装置示意图；

图2为二段吸附装置示意图；

图中标记分别为：1、一段进气管；2、一段吸附塔；3、一段进气支管；4、一段逆放管；5、一段出气管；6、一段终充管；7、一段一级均压管；8、一段二级均压管；9、一段解吸尾气总管；10、解吸气缓冲罐；11、二段进气管；12、二段吸附塔；13、二段进气支管；14、二段逆放管；15、二段出气管；16、二段终充管；17、二段一级均压管；18、二段二级均压管；19、二段解吸尾气总管；20、产品气管。

具体实施方式

本发明的应用原理、作用与功效，通过如下实施方式予以说明。

实施例1

如图1、图2所示，一种双高带压解吸变压吸附提氢方法，包括一段变压吸附单元、二段变压吸附单元，所述一段变压吸附单元中由6个吸附塔组成，所述二段变压吸附单元由4个吸附塔组成，通过阀门控制吸附塔进行吸附、解吸步骤，两个变压吸附单元均进行包括以下的连续循环的工艺步骤：

a吸附、b一级均压降、c二级均压降、d逆放、e一级均压升、f二级均升压、g终充等步骤；

分段描述具体如下：

（一）第一段变压吸附

a、一段吸附：将成分为氢气含量为61%、甲烷含量为25%、其他烃类含量为14%、压力为1.2Mpa的原料气经一段进气管1、一段进气支管3送入一段变压吸附单元的任意2个一段吸附塔2内，一段吸附塔2内装填氢气浓缩吸附剂，利用对不同组分的不同吸附容量，将原料气中的甲烷和其他烃类吸附，有效气成分氢气及其它杂质气体作为中间气则从2个相应的一段吸附塔2顶部的一段出气管5输出，此时氢气的含量为90%以上；

b、一段一级均压降：气体在上述步骤参与吸附的一段吸附塔2内经过240秒吸附完成后，从一段吸附塔2的一段出气管5经一段一级均压管7与其他任意1个或多个一段吸附塔2的进料端相连，减压排出气体，直至其两个或多个相应的塔压力相等；

c、一段二级均压降：上述步骤参与吸附的一段吸附塔2的一段出气管5经一段二级均压管8继续与上述步骤相应的其他2个一段吸附塔的进料端相连，按照预设定的时间和压力，减压排出气体直至压力降为设定的值；

d、一段逆放：均压降完成后，此时上述步骤参与吸附的一段吸附塔2内部的压力约为0.05~0.2 Mpa，接着经一段逆放管4逆向减压排出气体，此时逆放气中氢气含量约5%，从而完成整个再生过程；排出的逆放气作为解吸尾气经一段解吸尾气总管9引入到解吸气缓冲罐10，稳定压力至0.05~1 Mpa后解吸尾气作为燃料气被直接送去燃料管网或者火炬系统；

e、一段一级均压升：逆放完成后，从上述步骤参与吸附的一段吸附塔2的一段出气管5经一段一级均压管7逆向引入相应的均压塔排出的气体直至两塔或其余两两塔的床层压力相等。

f、一段二级均压升：从上述步骤参与吸附的一段吸附塔2的一段出气管5经一段二级均压管8继续逆向引入与其他相应的均压塔排出的气体，按照预设定的时间和压力，升压直至压力升为设定的值。

g、终充：从上述步骤参与吸附的一段吸附塔2的一段出气管5经一段终充管6逆向引入部分产品气体以升高床层压力到吸附压力。

（二）第二段变压吸附

a、二段吸附：从一段吸附塔2顶部输出的中间气按一定的时间间隔，分不同的时段，逐次按顺序经二段进气管11、二段进气支管13进入任意1个二段吸附塔12内，吸附塔内装填氢气提纯吸附剂，利用对不同组分的不同吸附容量，将中间气中剩余甲烷等杂质吸附，产品氢气则经二段吸附塔12顶部的二段出气管15输出，经产品气管20将产品氢气送出装置，此时氢气的含量为99.9%以上；

b、二段一级均压降：中间气在二段吸附塔12内经过240秒吸附完成后，从上述参与吸附的二段吸附塔12的二段出气管15经二段一级均压管17与其他任意1个二段吸附塔12的进料端相连，减压排出气体，直至其两个或多个相应的塔压力相等；

c、二段二级均压降：从上述参与吸附的二段吸附塔12的二段出气管15经二段二级均压管18继续与其他相应的二段吸附塔12的进料端相连，按照预设定的时间和压力，减压排出气体直至压力降为设定的值；

d、 二段逆放：均压降完成后，通过二段逆放管14进行逆向减压排出气体，直至压力达到100kpa~500kpa的放空压力，解吸尾气经二段解吸尾气总管19放空；

e、二段一级均压升：逆放完成后，从上述参与吸附的二段吸附塔12的二段出气管15经二段一级均压管17逆向引入相应的均压塔排出的气体直至吸附塔床层压力相等。

f、二段二级均压升：从上述参与吸附的二段吸附塔12的二段出气管15经二段二级均压管18继续逆向引入与其他相应的均压塔排出的气体，按照预设定的时间和压力，升压直至压力升为设定的值。

g、终充：从上述参与吸附的二段吸附塔12的二段出气管15经二段终充管16逆向引入部分产品气体以升高床层压力到吸附压力。

本实施例能满足燃料管网或者火炬系统压力较小的情况，一段变压吸附的收率达98%以上，总收率达90%以上。

实施例2

在实施例1所述的一种双高带压解吸变压吸附提氢方法的基础上进一步优化，所述一段逆放步骤中，均压降完成后，此时参与吸附的一段吸附塔2内部的压力约为0.3~0.6Mpa，接着经一段逆放管4逆向减压排出气体，此时逆放气中氢气含量约10%，从而完成整个再生过程；排出的逆放气作为解吸尾气经一段解吸尾气总管9引入到解吸气缓冲罐10，稳定压力至0.3~0.5 Mpa后，开启相应阀门，解吸尾气作为燃料气被直接送去燃料管网或者火炬系统，本实施例能满足燃料管网或者火炬系统压力较大的情况，一段变压吸附的收率达96%以上，总收率达90%以上。

实施例3

在实施例1所述的一种双高带压解吸变压吸附提氢方法的基础上进一步优化，所述一段逆放步骤中，均压降完成后，此时参与吸附的一段吸附塔2内部的压力约为0.8~1.0Mpa，接着经一段逆放管4逆向减压排出气体，此时逆放气中氢气含量约15%，从而完成整个再生过程；排出的逆放气作为解吸尾气经一段解吸尾气总管9引入到解吸气缓冲罐10，稳定压力至0.8~1.0Mpa后，开启相应阀门，解吸尾气作为燃料气被直接送去燃料管网或者火炬系统，本实施例能满足燃料管网或者火炬系统压力最大的情况，一段变压吸附的收率达93%以上，总收率达90%以上。

如上所述即为本发明的实施例。本发明不局限于上述实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种双高带压解吸PSA提氢方法，包括一段变压吸附阶段和二段变压吸附阶段，其特征在于，所述一段变压吸附阶段为氢气浓缩阶段，在一段变压吸附单元中进行，解吸时采用带压解吸，一段变压吸附阶段具体包括如下步骤：

a.一段吸附：将含有氢气、甲烷以及其他烃类的原料气经一段进气管、一段进气支管送入一段变压吸附单元的任意1个或多个一段吸附塔内，一段吸附塔内装填氢气浓缩吸附剂，将原料气中的甲烷和其他烃类吸附，有效气成分氢气及其它杂质气体作为中间气则从相应的一段吸附塔顶部的一段出气管输出；

b.一段一级均压降：气体在一段吸附塔内经过吸附完成后，上述步骤参与吸附的一段吸附塔的一段出气管经一段一级均压管与其他任意1个或多个一段吸附塔的进料端相连，减压排出气体，直至其两个或多个相应的塔压力相等；

c.一段二级均压降：上述步骤参与吸附的一段吸附塔的一段出气管经一段二级均压管继续与上述步骤相应的其他一段吸附塔的进料端相连，按照预设定的时间和压力，减压排出气体直至压力降为设定的值；

d.一段逆放：均压降完成后，此时上述步骤参与吸附的一段吸附塔内部带有压力，接着经一段逆放管逆向减压排出气体，从而完成整个再生过程；排出的逆放气作为解吸尾气经一段解吸尾气总管引入到解吸气缓冲罐，稳定压力后解吸尾气作为燃料气被直接送去燃料管网或者火炬系统；

e.一段一级均压升：逆放完成后，从上述步骤参与吸附的一段吸附塔的一段出气管经一段一级均压管逆向引入相应的均压塔排出的气体直至其两个或多个相应的塔压力相等；

f.一段二级均压升：从上述步骤参与吸附的一段吸附塔的一段出气管经一段二级均压管继续逆向引入与其他相应的均压塔排出的气体，按照预设定的时间和压力，升压直至压力升为设定的值；

g.终充：从上述步骤参与吸附的一段吸附塔的一段出气管经一段终充管逆向引入部分产品气体以升高床层压力到吸附压力；

所述二段变压吸附阶段为氢气提纯阶段，在二段变压吸附单元中进行，解吸时采用常压解吸。

2.如权利要求1所述的一种双高带压解吸PSA提氢方法，其特征在于，所述一段变压吸附阶段中，解吸时的气压略大于气体通过燃料管网或者火炬系统需要的最低压力。

3.如权利要求1所述的一种双高带压解吸PSA提氢方法，其特征在于，所述一段变压吸附阶段中，解吸时的气压为0.05~1Mpa。

4.如权利要求1所述的一种双高带压解吸PSA提氢方法，其特征在于，所述变压吸附单元包括两个及以上的吸附塔，所述吸附塔包括一个或多个复合装填床层的吸附材料。

5.如权利要求1所述的一种双高带压解吸PSA提氢方法，其特征在于，所述二段变压吸附阶段包括如下步骤：

a.二段吸附：从一段吸附塔顶部输出的中间气按一定的时间间隔，分不同的时段，逐次按顺序经二段进气管、二段进气支管进入任意1个或多个二段吸附塔内，二段吸附塔内装填氢气提纯吸附剂，将中间气中剩余甲烷等杂质吸附，产品氢气则经二段吸附塔顶部的二段出气管输出，经产品气管将产品氢气送出装置；

b.二段一级均压降：中间气在二段吸附塔内经过附完成后，从上述参与吸附的二段吸附塔的二段出气管经二段一级均压管与其他任意二段吸附塔的进料端相连，减压排出气体，直至其两个或多个相应的塔压力相等；

c.二段二级均压降：从上述参与吸附的二段吸附塔的二段出气管经二段二级均压管继续与其他相应的二段吸附塔的进料端相连，按照预设定的时间和压力，减压排出气体直至压力降为设定的值；

d.二段逆放：均压降完成后，通过二段逆放管进行逆向减压排出气体，直至压力达到100kpa~500kpa的放空压力；

e.二段一级均压升：逆放完成后，从上述参与吸附的二段吸附塔的二段出气管经二段一级均压管逆向引入相应的均压塔排出的气体直至吸附塔床层压力相等；

f.二段二级均压升：从上述参与吸附的二段吸附塔的二段出气管经二段二级均压管继续逆向引入与其他相应的均压塔排出的气体，按照预设定的时间和压力，升压直至压力升为设定的值；

g.终充：从上述参与吸附的二段吸附塔的二段出气管经二段终充管逆向引入部分产品气体以升高床层压力到吸附压力。