CN107758618A - 低体积分数含氢排放尾气的回收系统及回收方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种低体积分数含氢排放气体的回收系统，包括第一压缩机、与第一压缩机连通的膜分离单元、与膜分离单元连通的第二压缩机、与第二压缩机连通的变压吸附系统以及与变压吸附系统连通的气柜，气柜与第一压缩机连通。本发明还提供一种低体积分数含氢排放气体的回收方法。上述低体积分数含氢排放气体的回收系统及回收方法，氢气回收率高、对原料氢组成要求较低且具有较好经济效益。

Description

低体积分数含氢排放尾气的回收系统及回收方法
技术领域
本发明涉及石油化工领域，特别是涉及低体积分数含氢排放尾气的回收系统及回收方法。
背景技术
氢气是石油化工企业极其重要的资源，是合成氨工艺的必须原料。随着能源化工的发展，制氢成本大幅上涨，导致合成氨的加工成本居高不下；另一方面，在合成氨的工艺生产过程中，装置为了平衡生产，要产生一定量的尾气排放，其中含有20%~40%的氢气，有的利用其中可燃的热值作为燃料气使用，用于火炬拌烧、物料加热，但是这种方式氢气利用率不高，且不符合清洁化工生产的要求和发展。因此，采用氢气回收技术对其中的氢气有效回收，可有效降低物耗，节约能源，减少碳排放，提高企业经济和社会效益。
氢气回收技术主要有变温吸附、变压吸附、深冷分离和膜分离。
变温吸附是利用吸附剂的平衡吸附量随温度变化而变化的特性，采用常温吸附、升温吸附的操作方法。但是该方法能耗高，吸附剂寿命短，且对于极性杂质含量较高的低体积分数含氢气体的回收作用较弱。
变压吸附是最早应用于纯化氢气，利用压力变化实现气体组分选择性吸附分离的方法。该方法对原料组成无要求，净化后的氢气体积分数较高，操作压降也较小，但是氢气的利用率不高。
深冷分离是利用相对挥发度的差异，通过气体膨胀制冷、精馏实现氢气提浓的方法。该方法对原料氢的组成要求严，工艺流程较复杂，分离条件苛刻，一般不单独使用。
膜分离是利用氢气与杂质在压力作用下通过渗透膜的不同传递速率，使高渗透性的氢富集于膜的渗透侧，低渗透性的杂质富集于非渗透侧以提浓氢气体积分数的方法。该方法操作方便，装置占地面积小，但是对原料氢的组成要求较严。
粉煤气化制氨（氢）工艺过程中产生较多低体积分数含氢气体，该低体积分数的含氢气体的组成对回收技术的选择影响较大，特别是其中含有硫化氢和一氧化碳等杂质时，回收单元的分离效果、装置的运行周期及安全生产需要预净化。
从保障工艺的经济性角度，变温吸附和深冷分离均对上述低体积分数的含氢气体的回收存在明显性缺陷，而变压吸附则要求原料氢气的体积分数一般大于50%，膜分离虽然对原料氢体积分数要求较低，但是膜容易受原料杂质的影响，寿命有限。
因此，寻找一种回收率高、对原料氢组成要求较低且具有较好经济效益的低体积分数含氢气体的回收方法成为人们研究的重点。
发明内容
基于此，有必要针对背景技术中存在的问题，提供一种回收率高、对原料氢组成要求较低且具有较好经济效益的低体积分数含氢排放尾气的回收系统。
此外，本发明还提供一种低体积分数含氢排放尾气的回收方法。
一种低体积分数含氢排放气体的回收系统，包括：
第一压缩机，用于将低体积分数含氢排放气体压缩至0.9MPa~1.8MPa，得到第一压缩气；
与所述第一压缩机连通的膜分离单元，用于将所述第一压缩气进行膜分离，得到渗透气和非渗透气；
与所述膜分离单元连通的第二压缩机，用于将所述渗透气压缩至2.8MPa~3.0MPa，得到第二压缩气；
与所述第二压缩机连通的变压吸附系统，用于将所述第二压缩气进行变压吸附，得到解析气和产品气；及
与所述第二压缩机连通的气柜，用于控制所述解析气的压力波动，得到稳定的解析气；
所述气柜与所述第一压缩机连通，用于将所述稳定的解析气送至所述第一压缩机进行循环压缩。
在其中一个实施例中，以摩尔百分含量计，所述低体积分数含氢排放气体中含有13%~38%的氢气、59%~83.5%的氮气、0.4%~1.55%的甲烷、0~0.8%的氩气、5ppm~18ppm的乙醇、0~3.5ppm的二氧化碳和1%~4%的一氧化碳；所述低体积分数含氢排放气体的压力为0.01MPa~0.02MPa，温度为20℃~32℃。
在其中一个实施例中，以摩尔百分含量计，所述产品气中含有99.5%~99.99%的氢气、0~0.5%的氮气、0~0.2%的氩气、0~50ppm的乙醇、0~5ppm的二氧化碳和0~5ppm的一氧化碳；所述产品气的压力为2.6MPa~2.8MPa，温度为20℃~32℃。
在其中一个实施例中，以摩尔百分含量计，所述非渗透气中含有3%~5%的氢气、90%~90.5%的氮气、0.5%~1.6%的甲烷、0.2%~1.2%的氩气、0.01%~0.05%的乙醇、0.0005%~0.05%的二氧化碳和3.5%~5%的一氧化碳；所述非渗透气的压力为0.9MPa~1.8MPa，温度为50℃~60℃。
一种低体积分数含氢排放气体的回收方法，包括以下步骤：
将低体积分数含氢排放气体压缩至0.9MPa~1.8MPa，得到第一压缩气；
将所述第一压缩气进行膜分离，得到渗透气和非渗透气；
将所述渗透气压缩至2.8MPa~3.0MPa，得到第二压缩气；
将所述第二压缩气进行变压吸附，得到解析气和产品气；
控制所述解析气的压力波动，得到稳定的解析气；
将所述稳定的解析气进行循环压缩。
在其中一个实施例中，将所述第一压缩气进行膜分离，得到渗透气和非渗透气的步骤具体为：将所述第一压缩气进行膜分离，使所述第一压缩气中的氢气富集在膜分离单元的渗透侧，得到渗透气，使所述第一压缩气中的杂质气富集在膜分离单元的非渗透侧，得到非渗透气。
在其中一个实施例中，将所述第二压缩气进行变压吸附，得到解析气和产品气的步骤具体为：
将所述第二压缩气进行变压吸附，进一步吸附所述第二压缩气中的烃类气体，得到解析气和产品气。
在其中一个实施例中，以摩尔百分含量计，所述低体积分数含氢排放气体中含有13%~38%的氢气、59%~83.5%的氮气、0.4%~1.55%的甲烷、0~0.8%的氩气、5ppm~18ppm的乙醇、0~3.5ppm的二氧化碳和1%~4%的一氧化碳；所述体积分数含氢排放气体的压力为0.01MPa~0.02MPa，温度为20℃~32℃。
在其中一个实施例中，以摩尔百分含量计，所述产品气中含有99.5%~99.99%的氢气、0~0.5%的氮气、0~0.2%的氩气、0~50ppm的二氧化碳和0~5ppm的一氧化碳；所述产品气的压力为2.6MPa~2.8MPa，温度为20℃~32℃。
在其中一个实施例中，以摩尔百分含量计，所述非渗透气中含有3%~5%的氢气、90%~90.5%的氮气、0.5%~1.6%的甲烷、0.2%~1.2%的氩气、0.01%~0.05%的乙醇、0.0005%~0.05%的二氧化碳和3.5%~5%的一氧化碳；所述非渗透气的压力为0.9MPa~1.8MPa，温度为50℃~60℃。
上述低体积分数含氢排放气体的回收系统及回收方法，氢气回收率高、对原料氢组成要求较低且具有较好经济效益。
附图说明
图1为一实施方式的低体积分数含氢排放气体的回收系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
请参阅图1，一实施方式的低体积分数含氢排放气体的回收系统，包括第一压缩机10、膜分离单元20、第二压缩机30、变压吸附系统40和气柜50。
其中，第一压缩机10用于将低体积分数含氢排放气体压缩至0.9MPa~1.8MPa，得到第一压缩气。
在本实施方式中，上述低体积分数含氢排放气体中含有13%~38%摩尔百分含量的氢气、59%~83.5%摩尔百分含量的氮气、0.4%~1.55%摩尔百分含量的甲烷、0~0.8%摩尔百分含量的氩气、5ppm~18ppm摩尔百分含量的乙醇、0~3.5ppm摩尔百分含量的二氧化碳和1%~4%摩尔百分含量的一氧化碳。
上述低体积分数含氢排放气体的压力为0.01MPa~0.02MPa，温度为20℃~32℃。
膜分离单元20与第一压缩机10连通。膜分离单元20用于将上述第一压缩气进行膜分离，得到渗透气和非渗透气。
具体的，上述第一压缩气中的氢气富集在膜分离单元20的渗透侧，得到渗透气；第一压缩气中的杂质气富集在膜分离单元20的非渗透侧，得到非渗透气。
其中，非渗透气中含有3%~5%摩尔百分含量的氢气、90%~95%摩尔百分含量的氮气、0.55~1.6%摩尔百分含量的甲烷、0.2%~1.2%摩尔百分含量的氩气、0.01%~0.05%摩尔百分含量的乙醇、0.0005%~0.05%摩尔百分含量的二氧化碳和3.5%~5%摩尔百分含量的一氧化碳。
上述非渗透气的压力为0.9MPa~1.8MPa。
可以理解，非渗透气可以与煤气化的其他可燃气体整合后送往动力锅炉回收热能。
第二压缩机30与膜分离单元20连通。第二压缩机30用于将上述渗透气压缩至2.8MPa~3.0MPa，得到第二压缩气。
变压吸附系统40与第二压缩机30连通。变压吸附系统40用于将上述第二压缩气进行变压吸附，得到解析气和产品气。
具体的，上述第二压缩气经变压吸附系统进一步吸附其中的烃类气体，得到解析气和产品气。
其中，产品气中含有99.5%~99.99%的氢气、0~0.5%的氮气、0~0.2%的氩气、0~50ppm的乙醇、0~5ppm的二氧化碳和0~5ppm的一氧化碳；所述产品气的压力为2.6MPa~2.8MPa，温度为20℃~32℃。
气柜50与变压吸附系统40连通。气柜50用于控制上述解析气的压力波动，得到稳定的解析气。
由于上述低体积分数含氢排放气体是间歇排放，压力是脉动的，因此采用气柜50来控制上述解析气的压力波动，得到稳定的解析气。
进一步的，气柜50与第一压缩机10连通，用于将上述稳定解析气送至第一压缩机10进行循环压缩。
上述低体积分数含氢排放气体的回收系统，低体积分数含氢排放气体增压后进入膜分离单元，通过膜分离组件将惰性组分分离外排，减少了原料气中惰性组分体积分数，分离难度降低，氢气体积分数得以提高，吸附压力有所降低，氢气回收率高。同时通过膜分离对氢气的初级提浓，又为变压吸附系统分离提浓低体积分数氢源提供了可能。
一种低体积分数含氢排放气体的回收方法，包括以下步骤：
S110、将低体积分数含氢排放气体压缩至0.9MPa~1.8MPa，得到第一压缩气。
其中，上述低体积分数含氢排放气体中含有13%~38%摩尔百分含量的氢气、59%~83.5%摩尔百分含量的氮气、0.4%~1.55%摩尔百分含量的甲烷、0~0.8%摩尔百分含量的氩气、5ppm~18ppm摩尔百分含量的乙醇、0~3.5ppm摩尔百分含量的二氧化碳和1%~4%摩尔百分含量的一氧化碳。
该低体积分数含氢排放气体的压力为0.01MPa~0.02MPa，温度为20℃~32℃。
S120、将上述第一压缩气进行膜分离，得到渗透气和非渗透气。
其中，非渗透气中含有3%~5%摩尔百分含量的氢气、90%~95%摩尔百分含量的氮气、0.55~1.6%摩尔百分含量的甲烷、0.2%~1.2%摩尔百分含量的氩气、0.01%~0.05%摩尔百分含量的乙醇、0.0005%~0.05%摩尔百分含量的二氧化碳和3.5%~5%摩尔百分含量的一氧化碳。
该非渗透气的压力为0.9MPa~1.8MPa。
具体的，将上述第一压缩气进行膜分离，得到渗透气和非渗透气的步骤为：将上述第一压缩气进行膜分离，使第一压缩气中的氢气富集在膜分离单元的渗透侧，得到渗透气，使第一压缩气中的杂质气富集在膜分离单元的非渗透侧，得到非渗透气。
S130、将上述渗透气压缩至2.8MPa~3.0MPa，得到第二压缩气。
S140、将上述第二压缩气进行变压吸附，得到解析气和产品气。
其中，产品气中含有99.5%~99.99%的氢气、0~0.5%的氮气、0~0.2%的氩气、0~50ppm的乙醇、0~5ppm的二氧化碳和0~5ppm的一氧化碳；所述产品气的压力为2.6MPa~2.8MPa，温度为20℃~32℃。
具体的，将上述第二压缩气进行变压吸附，得到解析气和产品气的步骤为：将第二压缩气进行变压吸附，进一步吸附第二压缩气中的烃类气体，得到解析气和产品气。
在本实施方式中，采用变压吸附系统来对第二压缩气进行变压吸附。
S150、控制上述解析气的压力波动，得到稳定的解析气。
在本实施方式中，采用气柜来控制上述解析气的压力波动，得到稳定的解析气。
S160、将上述稳定的解析气进行循环压缩。
上述低体积分数含氢排放气体的回收方法，工艺稳定、氢气体积分数、回收率等方面均优于简单的提浓工艺，具有广泛的适应性和灵活性，可用于大多数含氢气体的提浓。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种低体积分数含氢排放气体的回收系统，其特征在于，包括：
第一压缩机，用于将低体积分数含氢排放气体压缩至0.9MPa~1.8MPa，得到第一压缩气；
与所述第一压缩机连通的膜分离单元，用于将所述第一压缩气进行膜分离，得到渗透气和非渗透气；
与所述膜分离单元连通的第二压缩机，用于将所述渗透气压缩至2.8MPa~3.0MPa，得到第二压缩气；
与所述第二压缩机连通的变压吸附系统，用于将所述第二压缩气进行变压吸附，得到解析气和产品气；及
与所述变压吸附系统连通的气柜，用于控制所述解析气的压力波动，得到稳定的解析气；
所述气柜与所述第一压缩机连通，用于将所述稳定的解析气送至所述第一压缩机进行循环压缩。
2.根据权利要求1所述的低体积分数含氢排放气体的回收系统，其特征在于，以摩尔百分含量计，所述低体积分数含氢排放气体中含有13%~38%的氢气、59%~83.5%的氮气、0.4%~1.55%的甲烷、0~0.8%的氩气、5ppm~18ppm的乙醇、0~3.5ppm的二氧化碳和1%~4%的一氧化碳；所述低体积分数含氢排放气体的压力为0.01MPa~0.02MPa，温度为20℃~32℃。
3.根据权利要求1所述的低体积分数含氢排放气体的回收系统，其特征在于，以摩尔百分含量计，所述产品气中含有99.5%~99.99%的氢气、0~0.5%的氮气、0~0.2%的氩气、0~50ppm的乙醇、0~5ppm的二氧化碳和0~5ppm的一氧化碳；所述产品气的压力为2.6MPa~2.8MPa，温度为20℃~32℃。
4.根据权利要求1所述的低体积分数含氢排放气体的回收系统，其特征在于，以摩尔百分含量计，所述非渗透气中含有3%~5%的氢气、90%~90.5%的氮气、0.5%~1.6%的甲烷、0.2%~1.2%的氩气、0.01%~0.05%的乙醇、0.0005%~0.05%的二氧化碳和3.5%~5%的一氧化碳；所述非渗透气的压力为0.9MPa~1.8MPa，温度为50℃~60℃。
5.一种低体积分数含氢排放气体的回收方法，其特征在于，包括以下步骤：
将低体积分数含氢排放气体压缩至0.9MPa~1.8MPa，得到第一压缩气；
将所述第一压缩气进行膜分离，得到渗透气和非渗透气；
将所述渗透气压缩至2.8MPa~3.0MPa，得到第二压缩气；
将所述第二压缩气进行变压吸附，得到解析气和产品气；
控制所述解析气的压力波动，得到稳定的解析气；
将所述稳定的解析气进行循环压缩。
6.根据权利要求5所述的低体积分数含氢排放气体的回收方法，其特征在于，将所述第一压缩气进行膜分离，得到渗透气和非渗透气的步骤具体为：将所述第一压缩气进行膜分离，使所述第一压缩气中的氢气富集在膜分离单元的渗透侧，得到渗透气，使所述第一压缩气中的杂质气富集在膜分离单元的非渗透侧，得到非渗透气。
7.根据权利要求5所述的低体积分数含氢排放气体的回收方法，其特征在于，将所述第二压缩气进行变压吸附，得到解析气和产品气的步骤具体为：
将所述第二压缩气进行变压吸附，进一步吸附所述第二压缩气中的烃类气体，得到解析气和产品气。
8.根据权利要求5所述的低体积分数含氢排放气体的回收方法，其特征在于，以摩尔百分含量计，所述低体积分数含氢排放气体中含有13%~38%的氢气、59%~83.5%的氮气、0.4%~1.55%的甲烷、0~0.8%的氩气、5ppm~18ppm的乙醇、0~3.5ppm的二氧化碳和1%~4%的一氧化碳；所述低体积分数含氢排放气体的压力为0.01MPa~0.02MPa，温度为20℃~32℃。
9.根据权利要求5所述的低体积分数含氢排放气体的回收系统，其特征在于，以摩尔百分含量计，所述产品气中含有99.5%~99.99%的氢气、0~0.5%的氮气、0~0.2%的氩气、0~50ppm的乙醇、0~5ppm的二氧化碳和0~5ppm的一氧化碳；所述产品气的压力为2.6MPa~2.8MPa，温度为20℃~32℃。
10.根据权利要求5所述的低体积分数含氢排放气体的回收方法，其特征在于，以摩尔百分含量计，所述非渗透气中含有3%~5%的氢气、90%~90.5%的氮气、0.5%~1.6%的甲烷、0.2%~1.2%的氩气、0.01%~0.05%的乙醇、0.0005%~0.05%的二氧化碳和3.5%~5%的一氧化碳；所述非渗透气的压力为0.9MPa~1.8MPa，温度为50℃~60℃。
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