CN107804826A - 一种炼厂气中氢气回收系统、方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种炼厂气中氢气回收系统、方法，属于混合气体提纯领域。所述系统包括：膜分离装置(2)，与所述膜分离装置(2)相连的变压吸附分离装置(3)，以及与所述膜分离装置(2)和所述变压吸附分离装置(3)相连的真空喷射器(4)。所述方法包括：第一次提纯，第二次提纯和吸附剂解吸三步。本发明用真空喷射器(4)取代真空泵，通过真空喷射器(4)高速喷出所述膜分离装置产生的尾气，产生真空状态，为与所述真空喷射器(4)相连的所述变压吸附分离装置(3)中的吸附剂创造解吸条件，实现所述变压吸附分离装置(3)的正常运作，从而节约了设备投资和设备用电。

Description

一种炼厂气中氢气回收系统、方法
技术领域
本发明涉及混合气体提纯领域，特别涉及一种炼厂气中氢气的回收系统、方法。
背景技术
为了保证成品油的燃烧清洁性，各国对成品油中硫含量的要求日益严苛，因此需要对开采出来的原油进行脱硫、轻质化处理，其中加氢精制是原油深度脱硫、轻质化的重要手段。然而在加氢精制的过程中，大量的氢气被投入生产，致使部分氢气随着炼厂气排出。因此为了避免资源浪费，对炼厂气中的氢气进行回收十分重要。
现有技术中对炼厂气中氢气的回收工艺主要有膜分离、变压吸附分离(PSA)以及膜分离与变压吸附分离组合的方法。其中膜分离方法是以氢气的分压差为推动力的分离技术，将高压含氢气体分离为低压的提纯氢气和高压贫氢尾气，该方法特点在于占地少、氢气回收率高，但氢气纯度低、能耗大。
变压吸附分离方法则利用PSA吸附剂吸附杂质气体来实现炼厂气中氢气的分离，通过PSA解吸过程保持所述PSA吸附剂的吸附活性。所述PSA吸附剂的解吸过程可改变PSA吸附剂所处的压力来实现：当PSA吸附剂处于加压条件下时，对混合气体中的杂质进行吸附，分离氢气，而当PSA吸附剂处于降压条件下时，对所吸附的杂质气体进行解吸，恢复PSA吸附剂的吸附活性；所述PSA吸附剂解吸过程还可用氢气(通常是提纯的产品气)在低压下冲洗PSA吸附剂的方式去除被吸附的杂质，这种解吸方式需要耗用提纯的产品气，降低氢气收率。在实际分离过程中，通常会选择降压解吸和氢气冲洗联合的解吸方式。因此变压吸附分离需要采用真空泵为PSA吸附剂创造降压条件来实现解吸过程。综合来看变压吸附分离方法的特点在于所回收的氢气纯度高、能耗低但投资占地大、氢气回收率低。
通常在实际操作中，出于优势互补的考虑，会采用膜分离和变压吸附分离的组合方法，既保证了所回收的氢气的纯度又提高了氢气回收率。例如CN104495752A公开了一种膜分离和变压吸附的组合式方法，采用了吸附分离解吸尾气循环的方式，保证了最终氢气回收率和纯度。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
现有技术中采用的膜分离和变压吸附分离的组合式氢气回收方法设备复杂投资大，并且设备能源消耗过高。
发明内容
为了解决现有技术中膜分离和变压吸附分离组合式方法设备投资大，能耗过高的问题，本发明实施例提供了一种炼厂气中氢气的回收系统和方法。所述技术方案如下：
一种炼厂气中氢气回收系统，所述系统包括：
膜分离装置，所述膜分离装置具有高压炼厂气入口，第一尾气出口以及第一次提纯氢气出口；
与所述膜分离装置相连的变压吸附分离装置，所述变压吸附分离装置具有与所述膜分离装置的第一次提纯氢气出口相连的氢气入口，第二尾气出口，第二次提纯氢气出口以及第三尾气出口；
以及，与所述膜分离装置相连的真空喷射器，所述真空喷射器具有与所述膜分离装置的第一尾气出口相连的气体入口，与所述变压吸附分离装置的所述第三尾气出口相连的真空管口，以及第四尾气排出口；
且所述真空喷射器为文丘里型真空喷射器。
优选地，所述系统还包括与所述膜分离装置的高压炼厂气入口连接的所述低压炼厂气压缩机。
一种利用所述炼厂气中氢气回收系统的氢气回收方法，所述方法包括：
步骤1.第一次提纯，高压炼厂气进入所述膜分离装置提纯得到第一次提纯氢气，排出第一尾气；
步骤2.第二次提纯，所述第一次提纯氢气进入所述变压吸附分离装置再次提纯得到第二次提纯氢气，排出第二尾气；
步骤3.吸附剂解吸，所述第一尾气进入所述真空喷射器，并被高压喷射，产生真空状态，并且通过所述真空管口为与所述真空喷射器相连的所述变压吸附分离装置提供降压条件，实现所述变压吸附分离装置中吸附剂的解吸过程；所述真空解吸过程产生第三尾气，所述第三尾气通过所述真空管口被吸入所述真空喷射器，与在所述真空喷射器内部的所述第一尾气混合，作为第四尾气排出所述真空喷射器。
优选地，所述高压炼厂气的压力大于等于1.5MPa，所述高压炼厂气的氢气浓度为55％～65％。
优选地，所述第一次提纯氢气的压力小于等于0.5MPa，所述第一次提纯氢气的氢气浓度为80％～90％。
优选地，所述第一尾气、所述第二尾气、所述第三尾气以及所述第四尾气均为贫氢尾气，所述贫氢尾气的氢气浓度小于30％，并且其中所述第一尾气为高压尾气，所述第一尾气的压力为1.5MPa～2.0MPa。
优选地，所述真空喷射器的所述尾气入口处的压力为1.5MPa～4.0MPa。
优选地，所述真空喷射器的所述真空管口处的压力小于等于0.05MPa。
优选地，所述真空喷射器的所述第四尾气排出口处的压力为0.5MPa～1.0MPa。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过将膜分离装置的第一尾气出口与真空喷射器的气体入口相连接，将变压吸附分离装置的第三尾气出口与真空喷射器的真空管口相连，使得在真空喷射器高速喷出气体时所产生的真空状态为变压吸附分离装置中的吸附剂创造解吸条件，实现吸附剂解吸来维持所述变压吸附分离装置的持续工作。且膜分离装置所产生的第一尾气气量足、压力大，通过真空喷射器喷射第一尾气可以为变压吸附分离装置中的吸附剂解吸过程创造有效的降压条件，使得吸附剂解吸完全。因此本发明实施例不需要为了保证变压吸附分离装置的正常运行提供额外的解吸用真空泵，节约了设备投资和设备用电。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种炼厂气中氢气回收方法的流程图；
附图中各个标记分别为：
Ⅰ低压炼厂气；Ⅱ高压炼厂气；Ⅲ第一尾气；Ⅳ第一次提纯氢气；Ⅴ第三尾气；Ⅵ第二次提纯氢气；Ⅶ第四尾气；Ⅷ第二尾气；
1低压炼厂气压缩机；2膜分离装置；2a高压炼厂气入口；2b第一尾气出口；2c第一次提纯氢气出口；3变压吸附分离装置；3a氢气入口；3b第二尾气出口；3c第二次提纯氢气出口；3d第三尾气出口；4文丘里真空喷射器；4a气体入口；4b真空管口；4c第四尾气排出口。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
如图1所示，一种炼厂气中氢气回收系统，所述系统包括：
膜分离装置2，膜分离装置具有高压炼厂气入口2a，第一尾气出口2b以及第一次提纯氢气出口2c；
与膜分离装置2相连的变压吸附分离装置3，变压吸附分离装置3具有与膜分离装置2的第一次提纯氢气出口2c相连的氢气入口3a，第二尾气出口3b，第二次提纯氢气出口3c以及第三尾气出口3d；
以及，与膜分离装置2相连的真空喷射器4，真空喷射器4具有与膜分离装置2的第一尾气出口2b相连的气体入口4a，与变压吸附分离装置3的第三尾气出口3d相连的真空管口4b，以及第四尾气排出口4c；且真空喷射器4为文丘里型真空喷射器。
具体地，氢气回收系统还包括与膜分离装置2的高压炼厂气入口2a连接的低压炼厂气压缩机1。
具体地，氢气回收系统还可以包括串接在膜分离装置2和变压吸附分离装置3之间的压缩机，用于对第一次提纯氢气Ⅳ升压，以满足变压吸附分离装置3的压力要求。
文丘里真空喷射器，为一种公知公用的真空发生装置，其原理为：文丘里真空喷射器中气流由粗变细的流动过程，使得气流加速，气体喷出后在文丘里真空喷射器出口的后侧形成一个真空区。当这个真空区靠近工件时会产生一定的吸附作用。本发明以文丘里喷射器作为真空发生装置，利用膜分离装置2第一次提纯时产生的第一尾气Ⅲ作为正压气源高速通过文丘里喷射器产生负压，为变压吸附分离装置中PSA吸附剂的解吸过程创造条件。
通过在膜分离装置前设置低压炼厂气压缩机1，可以允许所述炼厂气氢气回收装置处理多股不同压力的炼厂气。更具体地，通过炼厂气压缩机1将低压炼厂气Ⅰ升压至与高压炼厂气Ⅱ相近压力值，之后与所述高压炼厂气Ⅱ一起通入所述膜分离装置。
一种利用所述炼厂气中氢气回收系统的氢气回收方法，所述方法包括：
步骤1.第一次提纯，高压炼厂气Ⅱ进入膜分离装置2提纯得到第一次提纯氢气Ⅳ，排出第一尾气Ⅲ；
步骤2.第二次提纯，一次提纯氢气Ⅳ进入变压吸附分离装置3再次提纯得到第二次提纯氢气Ⅵ，排出第二尾气Ⅷ；
步骤3.吸附剂解吸，第一尾气Ⅲ进入真空喷射器4，并被高压喷射，产生真空状态，并且通过真空管口4b，为与真空喷射器4相连的变压吸附分离装置3创造降压条件，实现变压吸附分离装置3中吸附剂的解吸过程；在吸附剂解吸过程中产生第三尾气Ⅴ，第三尾气Ⅴ通过真空管口4b被吸入真空喷射器4中，与在真空喷射器4内部的第一尾气Ⅲ混合，作为第四尾气Ⅶ排出真空喷射器4。
具体地，在高压炼厂气Ⅱ进入膜分离装置2提纯之前，若是对低压炼厂气Ⅰ进行氢气回收处理，需要采用低压炼厂气压缩机1对低压炼厂气Ⅰ进行加压处理。
具体地，高压炼厂气Ⅱ的压力大于等于1.5MPa，高压炼厂气Ⅱ的氢气浓度为55％～65％。
具体地，第一次提纯氢气Ⅳ的压力小于等于0.5MPa，第一次提纯氢气Ⅳ的氢气浓度为80％～90％。
具体地，第一尾气Ⅲ、第二尾气Ⅷ、第三尾气Ⅴ以及第四尾气Ⅶ均为贫氢尾气，贫氢尾气的氢气浓度小于30％。更具体地，其中第一尾气Ⅲ为高压贫氢尾气，第一尾气Ⅲ的压力为1.5MPa～2.0MPa。第二尾气Ⅷ为变压吸附分离装置3中均压处理等过程所产生的贫氢尾气。第三尾气Ⅴ为变压吸附分离装置3中吸附剂在真空喷射器4的作用下进行解吸时所产生的解析气。
具体地，真空喷射器4的尾气入口4a处的气体压力为1.5MPa～4.0MPa。
具体地，真空喷射器4的真空管口4b的压力小于等于0.05MPa。
具体地，真空喷射器4的第四尾气排出口4c处的气体压力为0.5MPa～1.0MPa。
本发明实施例所提供的氢气回收方法将膜分离装置、变压吸附分离装置以及真空喷射器组合在一起，用于回收炼厂气中氢气，在保证产品收率和纯度的同时，实现节能的效果：
(1)膜分离装置和变压吸附分离装置串联组合，提纯氢气，同时利用两种技术的特点，可以在保证氢气纯度和回收率的同时，降低能耗；
(2)由于真空喷射器的使用，减少了变压吸附分离方法中解吸过程需要采用的真空泵，有效利用膜分离所产生的第一尾气的动能，不仅减少设备投资，还可以减少装置运行过程中的能耗，有效节能。且膜分离装置所产生的第一尾气气量足、压力大，通过真空喷射器喷射第一尾气能够保证为变压吸附分离装置中的吸附剂解吸过程创造有效的降压条件，使得吸附剂解吸完全；
(3)由于文丘里喷射器的使用，保证了变压吸附分离方法中吸附剂的解吸效果，同时减少了变压吸附分离方法中用于冲洗PSA解吸剂的冲洗氢气的用量，提高了氢气回收率。
实施例一
某35000Nm3/h/年的炼厂气氢气回收装置，采用如图1所示的氢气回收工艺。
首先通过低压炼厂气压缩机1将低压炼厂气Ⅰ升压至1.5MPa，之后与压力1.5MPa的高压炼厂气Ⅱ混合得到原料气体。所述原料气体的氢气浓度为58％。
将原料气体通过高压炼厂气入口2a进入膜分离装置2进行第一次氢气提纯，提纯后得到第一次提纯氢气Ⅳ和第一尾气Ⅲ。具体地，第一次提纯氢气Ⅳ的氢气浓度为87％，压力0.2MPa，第一尾气Ⅲ为高压贫氢尾气，压力1.5MPa。
第一次提纯氢气Ⅳ经升压进入变压吸附分离装置3，进行第二次提纯，得到第二次提纯氢气Ⅵ和第二尾气Ⅷ，第二次提纯氢气Ⅵ的氢气浓度99.5％，第二尾气Ⅷ由第二尾气排出口3b排出。
第一尾气Ⅲ通过气体入口4a进入文丘里真空喷射器4被高速喷出，通过真空管口4b，为与变压吸附分离装置3中的PSA吸附剂的解吸过程创造降压条件，使PSA吸附剂恢复吸附活力。在PSA吸附剂解吸的过程中产生第三尾气Ⅴ，第三尾气Ⅴ通过真空管口4b进入文丘里真空喷射器并与第一尾气Ⅲ一起作为第四尾气Ⅶ从尾气出口4c排出，第四尾气Ⅶ的压力为0.5MPa。
炼厂气氢气回收系统最终回收的氢气即第二次提纯氢气Ⅵ的氢气浓度为99.5％，整体氢气回收率为90％。本发明实施例一所提供的氢气回收方法可以同时保证较高的氢气纯度和回收率，同时由于本系统采用文丘里真空喷射器，有效利用了膜分离装置2产生的第一尾气Ⅲ的动能，减少了解吸用真空泵2台，节约投资600万元，整体装置用电减少150kw。
实施例二
某14000Nm3/h/年的炼厂气氢气回收装置，采用如图1所示的氢气回收工艺。原料气平均氢气浓度为62％，压力1.6MPa。
将原料气体通过高压炼厂气入口2a进入膜分离装置进行第一次氢气提纯，提纯后得到第一次提纯氢气Ⅳ和第一尾气Ⅲ。具体地，第一次提纯氢气Ⅳ的氢气浓度为88％，压力0.2MPa，第一尾气Ⅲ为高压贫氢尾气，压力1.6MPa。
第一次提纯氢气Ⅳ经升压进入变压吸附分离装置3，进行第二次提纯，得到第二次提纯氢气Ⅵ和第二尾气Ⅷ，第二次提纯氢气Ⅵ的氢气浓度99.6％，第二尾气Ⅷ由第二尾气排出口3b排出。
第一尾气Ⅲ通过气体入口4a进入文丘里真空喷射器4被高速喷出，通过真空管口4b，为与变压吸附分离装置3中的PSA吸附剂的解吸过程创造降压条件，使PSA吸附剂恢复吸附活力。在PSA吸附剂解吸的过程中产生第三尾气Ⅴ，第三尾气Ⅳ通过真空管口4b进入文丘里真空喷射器并与第一尾气Ⅲ一起作为第四尾气Ⅶ从尾气出口4c排出，第四尾气Ⅶ的压力为0.5MPa。
炼厂气氢气回收系统最终回收的氢气即第二次提纯氢气Ⅵ的氢气浓度为99.6％，整体氢气回收率为92％。本发明实施例二所提供的氢气回收方法可以同时保证较高的氢气纯度和回收率，同时由于本系统采用文丘里真空喷射器，有效利用了膜分离装置2产生的第一尾气Ⅲ的动能，减少了解吸用真空泵2台，节约投资400万元，整体装置用电减少75kw。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种炼厂气中氢气回收系统，其特征在于，所述系统包括：
膜分离装置(2)，所述膜分离装置具有高压炼厂气入口(2a)，第一尾气出口(2b)以及第一次提纯氢气出口(2c)；
与所述膜分离装置(2)相连的变压吸附分离装置(3)，所述变压吸附分离装置(3)具有与所述膜分离装置(2)的第一次提纯氢气出口(2c)相连的氢气入口(3a)，第二尾气出口(3b)，第二次提纯氢气出口(3c)以及第三尾气出口(3d)；
以及，与所述膜分离装置(2)相连的真空喷射器(4)，所述真空喷射器(4)具有与所述膜分离装置(2)的第一尾气出口(2b)相连的气体入口(4a)，与所述变压吸附分离装置(3)的所述第三尾气出口(3d)相连的真空管口(4b)，以及第四尾气排出口(4c)；
且所述真空喷射器(4)为文丘里型真空喷射器。
2.根据权利要求1所述的炼厂气氢气回收系统，其特征在于，所述系统还包括与所述膜分离装置(2)的高压炼厂气入口(2a)连接的所述低压炼厂气压缩机(1)。
3.一种利用权利要求1或2中所述炼厂气中氢气回收系统的氢气回收方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1.第一次提纯，高压炼厂气(Ⅱ)进入所述膜分离装置(2)提纯得到第一次提纯氢气(Ⅳ)，排出第一尾气(Ⅲ)；
步骤2.第二次提纯，所述第一次提纯氢气(Ⅳ)进入所述变压吸附分离装置(3)再次提纯得到第二次提纯氢气(Ⅵ)，排出第二尾气(Ⅷ)；
步骤3.吸附剂解吸，所述第一尾气(Ⅲ)进入所述真空喷射器(4)，并被高压喷射，产生真空状态，并且通过所述真空管口(4b)为与所述真空喷射器(4)相连的所述变压吸附分离装置(3)提供降压条件，实现所述变压吸附分离装置(3)中吸附剂的解吸过程；所述吸附剂解吸过程产生第三尾气(Ⅴ)，所述第三尾气(Ⅴ)通过所述真空管口(4b)被吸入所述真空喷射器(4)，与在所述真空喷射器(4)内部的所述第一尾气(Ⅲ)混合，作为第四尾气(Ⅶ)排出所述真空喷射器(4)。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述高压炼厂气(Ⅱ)的压力大于等于1.5MPa，所述高压炼厂气的氢气浓度为55％～65％。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一次提纯氢气(Ⅳ)的压力小于等于0.5MPa，所述第一次提纯氢气Ⅳ的氢气浓度为80％～90％。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一尾气(Ⅲ)、所述第二尾气(Ⅷ)、所述第三尾气(Ⅴ)以及所述第四尾气(Ⅶ)均为贫氢尾气，所述贫氢尾气的氢气浓度小于30％，并且其中所述第一尾气(Ⅲ)的压力为1.5MPa～2.0MPa。
7.根据权利要求3所述的氢气回收方法，其特征在于，所述真空喷射器(4)的所述尾气入口(4a)处的压力为1.5MPa～4.0MPa。
8.根据权利要求3所述的氢气回收方法，其特征在于，所述真空喷射器(4)的真空管口(4b)处的压力小于等于0.05MPa。
9.根据权利要求3所述的氢气回收方法，其特征在于，所述真空喷射器(4)的所述第四尾气排出口(4c)处的压力为0.5MPa～1.0MPa。
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