CN217887458U - 一种用于回收部分制氢解吸气的变压吸附系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的一种用于回收部分制氢解吸气的变压吸附系统，包括天然气转化单元、变压吸附脱碳单元、变压吸附一氧化碳单元以及制氢单元。天然气转化单元用于生产原料气，变压吸附脱碳单元用于脱除原料气中的CO₂、H₂O等杂质组分，变压吸附一氧化碳单元用于进一步脱除变压吸附脱碳单元中脱附后气体的CO，制氢单元用于制取生产所需要的H₂产品气。通过把部分制氢解吸气回收到变压吸附二氧化碳的入口，回收其中的一氧化碳和氢气，当作变压吸附二氧化碳的原料气，在通过变压吸附制一氧化碳和变压吸附制氢后得到合格的一氧化碳和氢气，为后续提供合格的产品气，从而达到减少天然气的消耗、节省天然气的目的。

Description

一种用于回收部分制氢解吸气的变压吸附系统

技术领域

本实用新型属于气体回收设备技术领域，特别涉及一种用于回收部分制氢解吸气的变压吸附系统。

背景技术

变压吸附气体分离技术作为化工操作单元，正在迅速发展成为一门独立的学科，称为吸附分离工程，它在石油、化工、冶金、电子、国防、轻工、农业、医药、食品及环境保护方面得到了越来越广泛的应用。实践已经证明，变压吸附技术是一种有效的气体分离提纯方法。

某装置采用天然气、氧气、蒸汽经天然气非催化部分氧化后，生产的转化气约40℃，0.50Mpa(G)进变压吸附界区，变压吸附脱碳工序作用是脱除原料气中的CO₂、H₂O等杂质组分。变压吸附脱碳装置中10台吸附塔交替工作，从而达到连续分离去除CO₂的目的。在一个周期中，每台吸附塔依次经历：吸附、均压降压、逆向放压、抽真空和冲洗、均压升压、终充压等步骤，H₂解吸气作为变压吸附脱碳工序的再生冲洗气。

脱碳后的原料气经加热后从底部进入变压吸附一氧化碳工序吸附塔，吸附尾气从吸附塔顶部排出送到制氢工序。经过一定循环步骤后，吸附塔内合格的CO通过逆向放压和抽真空方式排出吸附塔，进入产品气缓冲罐。一部分CO作为产品气经压缩后送入后工序，另一部分CO经置换气压缩机后用于变压吸附一氧化碳吸附剂的置换。变压吸附一氧化碳装置中12台吸附塔交替工作，从而达到连续分离提纯CO的目的。在一个周期中，每台吸附塔依次经历：吸附、均压降压、置换、逆向放压、抽真空、均压升压、预吸附、均压升压、终充压等工艺过程。

变压吸附氢气工序作用是制取聚氨酯生产所需要的H₂产品气。变压吸附一氧化碳的尾气被压缩到1.55MPaG后，送到变压吸附氢气工序。H₂组分与其它组分分离得到合格的H₂产品气。变压吸附氢气工序采用9台吸附塔，在一个周期中，每台吸附塔依次经历：吸附、均压降压、顺放、逆放、冲洗、均压升压、终充压等步骤。

制氢的逆放气和冲洗废气混合后去变压吸附脱碳系统作为冲洗气，以下是制氢解吸气的分析结果：

表1：制氢解吸气的成分和气量(设计值)

组分	H<sub>2</sub>	CO	CO<sub>2</sub>	N<sub>2</sub>+AR	CH<sub>4</sub>	O<sub>2</sub>	H<sub>2</sub>O	总和
									％	67.74	26.71	0.19	4.78	0.57	0	0	100
Nm<sup>3</sup>/h	4727.24	1863.84	13.39	333.64	39.99			6978

从以上的分析结果可以看出一氧化碳和氢气含量加起来94％左右，惰性气体二氧化碳、氮气和甲烷占比在6％左右，目前上述解吸气全部去脱碳冲洗，造成了很大的浪费。

因此，如何节约资源，减少天然气的消耗，是本领域技术人员亟待解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种用于回收部分制氢解吸气的变压吸附系统，可有效回收部分制氢解吸气，在保证了产品的质量同时又达到了节能的目的。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种用于回收部分制氢解吸气的变压吸附系统，包括：天然气转化单元、变压吸附脱碳单元、变压吸附一氧化碳单元以及制氢单元；

所述天然气转化单元用于将天然气、氧气和蒸汽经天然气非催化部分氧化后生成原料气，所述变压吸附脱碳单元用于脱除原料气中的CO₂、H₂O，所述变压吸附一氧化碳单元用于进一步脱除所述变压吸附脱碳单元中脱附后气体的CO，所述制氢单元用于制取生产所需要的H₂产品气；

所述天然气转化单元包括气化炉和水洗塔；

所述变压吸附脱碳单元包括二氧化碳吸附塔和脱碳解吸气罐，所述变压吸附一氧化碳单元包括一氧化碳吸附塔和一氧化碳缓冲罐，所述制氢单元包括制氢吸附塔、氢气缓冲罐以及制氢解吸气罐；

所述气化炉上分别设置有用于通入天然气、氧气和蒸汽的进气口，所述气化炉的出气口与所述水洗塔的进气口连通，所述水洗塔的原料气出口与所述二氧化碳吸附塔的进气口连通，所述二氧化碳吸附塔的脱附出口与所述脱碳解吸气罐的进气口连通，所述二氧化碳吸附塔的吸附出口与所述一氧化碳吸附塔的进气口连通，所述一氧化碳吸附塔的脱附出口与所述一氧化碳缓冲罐的进气口连通，所述一氧化碳吸附塔的吸附出口与所述制氢吸附塔的进气口连通，所述制氢吸附塔的吸附出口与所述氢气缓冲罐(又称氢气产品气罐)的进气口连通，所述制氢吸附塔的脱附出口与所述制氢解吸气罐的进气口连通；

还包括回收气缓冲罐，所述回收气缓冲罐的进气口与所述制氢解吸气罐的出气口连通，所述回收气缓冲罐的出气口通过回收气压缩机与所述二氧化碳吸附塔的进气口连通。

可选的，在上述用于回收部分制氢解吸气的变压吸附系统中，所述二氧化碳吸附塔与所述脱碳解吸气罐之间设置有第一气泵；

和/或，所述一氧化碳吸附塔与所述一氧化碳缓冲罐之间设置有第二气泵；

和/或，所述一氧化碳吸附塔与所述制氢吸附塔之间设置制氢压缩机。

可选的，在上述用于回收部分制氢解吸气的变压吸附系统中，所述第一气泵为水环泵，所述第二气泵为活塞式真空泵。

可选的，在上述用于回收部分制氢解吸气的变压吸附系统中，所述二氧化碳吸附塔和所述一氧化碳吸附塔的数量均为多个。

可选的，在上述用于回收部分制氢解吸气的变压吸附系统中，所述二氧化碳吸附塔和所述一氧化碳吸附塔的进气口均位于各吸附塔的底部，所述二氧化碳吸附塔和所述一氧化碳吸附塔的吸附出口均位于各吸附塔的顶部。

可选的，在上述用于回收部分制氢解吸气的变压吸附系统中，所述制氢解吸气罐的出气口还与脱碳冲洗装置的入口连通。

可选的，在上述用于回收部分制氢解吸气的变压吸附系统中，所述二氧化碳吸附塔的顺放气出口以及所述一氧化碳吸附塔的置换废气出口分别与所述回收气缓冲罐的进气口连通。

本实用新型提供了一种用于回收部分制氢解吸气的变压吸附系统，其有益效果在于：

天然气转化单元用于生产原料气，变压吸附脱碳单元用于脱除原料气中的CO₂、H₂O等杂质组分，变压吸附一氧化碳单元用于进一步脱除变压吸附脱碳单元中脱附后气体的CO，制氢单元用于制取生产所需要的H₂产品气。通过把部分制氢解吸气回收到变压吸脱附二氧化碳的入口，回收其中的一氧化碳和氢气，当作变压吸脱附二氧化碳的原料气，在通过变压吸附制一氧化碳和变压吸附制氢后得到合格的一氧化碳和氢气，为后续提供合格的产品气，从而达到减少天然气的消耗、节省天然气的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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实用新型的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种用于回收部分制氢解吸气的变压吸附系统的流程图；

图2为本实用新型实施例提供的天然气转化单元的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的变压吸附脱碳单元和变压吸附一氧化碳单元的结构示意图。

100-天然气转化单元；

200-变压吸附脱碳单元；210-二氧化碳吸附塔；220-脱碳解吸气罐；230-第一气泵；240-回收气压缩机；

300-变压吸附一氧化碳单元；310-一氧化碳吸附塔；320-一氧化碳缓冲罐；330-第二气泵；340-制氢压缩机；350-一氧化碳压缩机；

400-制氢单元；410-制氢吸附塔；420-制氢冲洗气罐；430-氢气缓冲罐；440-制氢解吸气罐；

500-回收气缓冲罐。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，多个的含义是两个以上，如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本实用新型的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型的核心是提供一种用于回收部分制氢解吸气的变压吸附系统，可有效回收部分制氢解吸气，在保证了产品的质量同时又达到了节能的目的。

为了使本领域的技术人员更好地理解本实用新型提供的技术方案，下面将结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

具体地，请参考图1-图3，图1为本实用新型实施例提供的一种用于回收部分制氢解吸气的变压吸附系统的流程图；图2为本实用新型实施例提供的天然气转化单元的结构示意图；图3为本实用新型实施例提供的变压吸附脱碳单元和变压吸附一氧化碳单元的结构示意图。

本实用新型提供的一种用于回收部分制氢解吸气的变压吸附系统，包括：天然气转化单元100、变压吸附脱碳单元200、变压吸附一氧化碳单元300以及制氢单元400。

天然气转化单元100包括气化炉和水洗塔。经过预热的气体进入气化炉转化后可生成转化气，转化气经过水洗塔进行洗涤脱氨脱炭黑，然后生成原料气作为产品送入变压吸附脱碳单元。

变压吸附脱碳单元200包括二氧化碳吸附塔210和脱碳解吸气罐220。

变压吸附一氧化碳单元300包括一氧化碳吸附塔310和一氧化碳缓冲罐320。

制氢单元400包括制氢吸附塔410、制氢冲洗气罐420、氢气缓冲罐430以及制氢解吸气罐440。

气化炉上分别设置有用于分别通入天然气、氧气和蒸汽的进气口，以及用于排出转化气的出气口。水洗塔上设置有用于通入转化气的进气口以及用于排出洗涤后的原料气出口。气化炉的出气口与水洗塔的进气口连通，水洗塔的原料气出口与二氧化碳吸附塔210的进气口连通，二氧化碳吸附塔210的脱附出口与脱碳解吸气罐220的进气口连通，二氧化碳吸附塔210的吸附出口与一氧化碳吸附塔310的进气口连通，一氧化碳吸附塔310的脱附出口与一氧化碳缓冲罐320的进气口连通，一氧化碳吸附塔310的吸附出口与制氢吸附塔410的进气口连通，制氢吸附塔410的脱附出口与制氢解吸气罐440的进气口连通，制氢吸附塔410的吸附出口与氢气缓冲罐430的进气口连通。

变压吸附系统还包括回收气缓冲罐500，回收气缓冲罐500的进气口与制氢解吸气罐440的出气口连通，回收气缓冲罐500的出气口通过回收气压缩机240与二氧化碳吸附塔210的进气口连通。

本实用新型提供的用于回收部分制氢解吸气的变压吸附系统，天然气转化单元100用于将天然气、氧气和蒸汽经天然气非催化部分氧化后生成原料气，变压吸附脱碳单元200用于脱除原料气中的CO₂、H₂O等杂质组分，变压吸附一氧化碳单元300用于进一步脱除变压吸附脱碳单元200中脱附后气体的CO，制氢单元400用于制取生产所需要的H₂产品气。通过把部分制氢解吸气回收到变压吸脱附二氧化碳的入口，回收其中的一氧化碳和氢气，当作变压吸脱附二氧化碳的原料气，在通过变压吸附制一氧化碳和变压吸附制氢后得到合格的一氧化碳和氢气，为后续提供合格的产品气，从而达到减少天然气的消耗、节省天然气的目的。本案既能够保证脱碳的冲洗，又能把一部分解吸气回收，在保证了产品的质量同时又达到了节能的目的。

在一具体实施例中，为了提高脱附过程中的气体流通动力，二氧化碳吸附塔210与脱碳解吸气罐220之间设置有第一气泵230。一氧化碳吸附塔310与一氧化碳缓冲罐320之间设置有第二气泵330。特别的，第一气泵230为水环泵，第二气泵330为活塞式真空泵。

为了提高气体输送动力，回收气缓冲罐500与二氧化碳吸附塔210之间设置回收气压缩机240。一氧化碳吸附塔310与制氢吸附塔410之间设置制氢压缩机340。

二氧化碳吸附塔210和一氧化碳吸附塔310的数量均为多个。在各工序单元多个吸附塔交替工作，可达到更好的吸附脱附效果。

需要说明的是，如图2所示的天然气转化单元，采用天然气、氧气、蒸汽经天然气非催化部分氧化后，生产的转化气约40℃，0.50Mpa(G)进变压吸附界区。优选地，天然气转化单元100还包括天然气预热器和废热锅炉，天然气预热器的冷媒入口用于通入天然气、冷媒出口与部分天然气混合后与气化炉的烧嘴连通，气化炉的烧嘴还与氧气和天然气连通。天然气预热器的热媒入口与废热锅炉的气体出口连通、热媒出口与水洗塔的进气口连通，废热锅炉的气体入口与气化炉的出气口连通。

天然气经过天然气预热器预热后与部分蒸汽(可以为来自废热锅炉的气体出口的蒸汽)混合进入气化炉的烧嘴，同时，烧嘴还通入有氧气和蒸汽(可以为来自废热锅炉的气体出口的蒸汽)，经过气化炉内高温反应后，生成转化气体，再经过废热锅炉换热、冷却后，进入水洗塔进行洗涤，然后作为原料气送入变压吸附脱碳单元200。其工作原理为，在存在水蒸汽的条件下加热天然气和氧气，以转化为一氧化碳与氢的转化气，再依次进行冷却和洗涤。

当然，天然气转化单元100还可以设置其他设备作为辅助设备提升生产效率，该部分不作为本案的保护重点，在此不做深入阐述。

变压吸附脱碳单元200的二氧化碳吸附塔210交替工作从而达到连续分离去除CO₂的目的。在一个周期中，每台二氧化碳吸附塔210依次经历：吸附、均压降压、逆向放压、抽真空和冲洗、均压升压、终充压等步骤，H₂解吸气作为变压吸附脱碳单元200的再生冲洗气。

脱碳后的原料气经加热后从底部进入变压吸附一氧化碳单元300的一氧化碳吸附塔310，吸附尾气从一氧化碳吸附塔310顶部排出送到制氢单元400。经过一定循环步骤后，一氧化碳吸附塔310内合格的CO通过逆向放压和抽真空方式排出一氧化碳吸附塔310，进入一氧化碳缓冲罐320。一部分CO作为产品气经一氧化碳压缩机350压缩后送入后工序，另一部分CO经置换气压缩机压缩后用于变压吸附一氧化碳单元300的吸附剂的置换。变压吸附一氧化碳单元300采用多塔工序，多台一氧化碳吸附塔310交替工作从而达到连续分离提纯CO的目的。在一个周期中，每台一氧化碳吸附塔310依次经历：吸附、均压降压、置换、逆向放压、抽真空、均压升压、预吸附、均压升压、终充压等工艺过程。

制氢单元400的作用是制取聚氨酯生产所需要的H₂产品气。变压吸附一氧化碳单元300的尾气被压缩到1.55MPaG后，送到制氢单元400。在变压吸附一氧化碳单元300尾气中的H₂组分在这个工序中与其它组分分离得到合格的H₂产品气。制氢单元400采用多台制氢吸附塔410，在一个周期中，每台制氢吸附塔410依次经历：吸附、均压降压、顺放、逆放、冲洗、均压升压、终充压等步骤。

在一具体实施例中，制氢解吸气罐440的出气口分别与回收气缓冲罐500的进气口以及脱碳冲洗装置的入口连通。既保证脱碳的冲洗又能把一部分解吸气回收，既保证了产品的质量同时又达到了节能的目的。

制氢解吸气在由制氢解吸气罐440送至变压吸附脱碳单元200的冲洗管道上，通过增设一条配管连通到回收气缓冲罐500的入口，经过缓冲混合后，进入回收气压缩机240压缩后到变压吸附脱碳的入口。经实验验证，每小时节约天然气为633Nm³。

在一具体实施例中，二氧化碳吸附塔210的顺放气出口以及一氧化碳吸附塔310的置换废气出口分别与回收气缓冲罐500的进气口连通。

天然气转化流程，如图2所示：

天然气在1.4MPa(G)压力下进入界区，经天然气缓冲罐(图中未示出)后压力调整到0.87MPa(G)，经天然气预热器预热至217℃(与废热锅炉出来的转化气换热)，与废热锅炉换热后的1.5MPa(G)，204.3℃蒸汽混合后，温度约209℃，送至气化炉的烧嘴。

氧气在0.95MPa(G)，约70℃下进入界区，与来自废热锅炉换热后的1.5MPa(G)，204.3℃蒸汽混合后，温度约105℃，送至气化炉烧嘴。

开车时，天然气和蒸汽在烧嘴加热，进入气化炉内至温度1300℃以上，将烧嘴更换为纯氧非催化部分氧化烧嘴，加入氧气后自燃点火。气化炉在0.76MPa(G)，出口温度1360℃条件下运行，温度波动范围可以在1330～1385℃，生成的转化气中有效气体成分(H₂+CO)可达95％(干基)。

变压吸附流程，如图3所示：

天然气转化单元100工段来的原料气在进行汽水分离后，首先进入变压吸附脱碳单元200，由二氧化碳吸附塔210底部进入、顶部流出，原料气中的CO₂被二氧化碳吸附塔210中的吸附剂所吸附，吸附的CO₂由第一气泵230从塔底抽出。脱碳后的尾气送入变压吸附一氧化碳单元300，经过变压吸附一氧化碳单元300，绝大部分CO被吸附剂吸附下来，通过第二气泵330抽空解吸。合格的CO产品气通过一氧化碳压缩机350再次压缩后送入后续工序。

变压吸附一氧化碳单元300的吸附尾气经过压缩后送往制氢单元400，在此工序中，除H₂以外的其他气体组分被吸附剂吸附下来，H₂产品气通过塔顶流出，送往后工段，吸附下来的杂质气体通过冲洗解吸下来，用作变压吸附脱碳单元200的冲洗解吸气。

回收气流程：

变压吸附脱碳单元200的顺放气以及变压吸附一氧化碳单元300的置换废气经调节阀后进入回收气缓冲罐500，同时把其中一部分制氢解吸气回收到回收气缓冲罐500的入口，经过回收气缓冲罐500缓冲混合后，在通过回收气压缩机240压缩后回到二氧化碳吸附塔210的入口，从而达到节省天然气的目的。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于回收部分制氢解吸气的变压吸附系统，其特征在于，包括：天然气转化单元、变压吸附脱碳单元、变压吸附一氧化碳单元以及制氢单元；

所述天然气转化单元用于将天然气、氧气和蒸汽经天然气非催化部分氧化后生成原料气，所述变压吸附脱碳单元用于脱除原料气中的CO₂、H₂O，所述变压吸附一氧化碳单元用于进一步脱除所述变压吸附脱碳单元中脱附后气体的CO，所述制氢单元用于制取生产所需要的H₂产品气；

所述天然气转化单元包括气化炉和水洗塔；

所述变压吸附脱碳单元包括二氧化碳吸附塔和脱碳解吸气罐，所述变压吸附一氧化碳单元包括一氧化碳吸附塔和一氧化碳缓冲罐，所述制氢单元包括制氢吸附塔、氢气缓冲罐以及制氢解吸气罐；

所述气化炉上分别设置有用于通入天然气、氧气和蒸汽的进气口，所述气化炉的出气口与所述水洗塔的进气口连通，所述水洗塔的原料气出口与所述二氧化碳吸附塔的进气口连通，所述二氧化碳吸附塔的脱附出口与所述脱碳解吸气罐的进气口连通，所述二氧化碳吸附塔的吸附出口与所述一氧化碳吸附塔的进气口连通，所述一氧化碳吸附塔的脱附出口与所述一氧化碳缓冲罐的进气口连通，所述一氧化碳吸附塔的吸附出口与所述制氢吸附塔的进气口连通，所述制氢吸附塔的脱附出口与所述制氢解吸气罐的进气口连通，所述制氢吸附塔的吸附出口与所述氢气缓冲罐的进气口连通；

还包括回收气缓冲罐，所述回收气缓冲罐的进气口与所述制氢解吸气罐的出气口连通，所述回收气缓冲罐的出气口通过回收气压缩机与所述二氧化碳吸附塔的进气口连通。

2.根据权利要求1所述的用于回收部分制氢解吸气的变压吸附系统，其特征在于，所述二氧化碳吸附塔与所述脱碳解吸气罐之间设置有第一气泵；

和/或，所述一氧化碳吸附塔与所述一氧化碳缓冲罐之间设置有第二气泵；

和/或，所述一氧化碳吸附塔与所述制氢吸附塔之间设置制氢压缩机。

3.根据权利要求2所述的用于回收部分制氢解吸气的变压吸附系统，其特征在于，所述第一气泵为水环泵，所述第二气泵为活塞式真空泵。

4.根据权利要求1所述的用于回收部分制氢解吸气的变压吸附系统，其特征在于，所述二氧化碳吸附塔和所述一氧化碳吸附塔的数量均为多个。

5.根据权利要求1所述的用于回收部分制氢解吸气的变压吸附系统，其特征在于，所述二氧化碳吸附塔和所述一氧化碳吸附塔的进气口均位于各吸附塔的底部，所述二氧化碳吸附塔和所述一氧化碳吸附塔的吸附出口均位于各吸附塔的顶部。

6.根据权利要求1-5任一项所述的用于回收部分制氢解吸气的变压吸附系统，其特征在于，所述制氢解吸气罐的出气口还与脱碳冲洗装置的入口连通。

7.根据权利要求1所述的用于回收部分制氢解吸气的变压吸附系统，其特征在于，所述二氧化碳吸附塔的顺放气出口以及所述一氧化碳吸附塔的置换废气出口分别与所述回收气缓冲罐的进气口连通。

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