大型煤制氢变压吸附技术应用进展

李发宏

摘要：随着我国经济在快速发展，社会在不断进步，当今世界正经历着资源转型，由原始的煤炭向清洁、可再生能源过渡，氢气作为一种新型能源，需求量大大增加，其制造技术备受科研学者的关注。我国大型煤化工企业规模大、适应性广，依靠大型煤化工的变压吸附技术来提纯氢气已经成为工业的主流工艺之一。本文主要根据当今煤化工企业变压吸附制氢的生产现状，探究未来煤变压吸附制氢技术的发展方向。

关键词：煤制氢;变压吸附;现状;未来发展

引言

变压吸附（PressureSwingAdsorption简称PSA）制氢技术是以吸附剂（多孔固体物质）内部表面对气体分子的物理吸附为基础，利用吸附剂在相同压力下易吸附高沸点组分、不易吸附低沸点组分和高压下吸附量增加、减压下吸附量减小的特性，将原料气在压力下通过吸附剂床层，相对于氢的高沸点杂质组分被选择性吸附，低沸点组分的氢不易吸附而通过吸附剂床层，达到氢和杂质组分的分离，然后在减压下解吸被吸附的杂质组分使吸附剂获得再生，以利于再次进行杂质的吸附分离。这种压力下吸附杂质提纯氢气、减压下解吸杂质使吸附剂再生的循环过程称为变压吸附过程。变压吸附技术因其具有适用气源广、产品纯度高、工艺简单、节能效果显著等特点得到越来越广泛地运用。随着变压吸附装置愈来愈大型化，氢气回收率的提高不但可以减少原料气的浪费，降低工业制氢的成本，也可以为工厂带来更高的经济效益。所以，如何提高氢气的回收率成为变压吸附技术研究的热点。

1吸附分离气体的基本原理

吸附是指用多孔性的固体吸附剂处理流体混合物，使其中所含的一种或数种组分被吸附在固体表面上以达到分离的操作。具有吸附作用的、密度相对较大的多孔固体被称为吸附剂;被吸附的、密度相对较小的气体或液体称为吸附质。吸附按性质不同可分二大类：化学吸附和物理吸附。变压吸附主要为物理吸附。物理吸附是指依靠吸附剂与吸附质分子间的分子力（包括范德华力和电磁力）进行的吸附，其特点是：吸附过程中没有化学反应，吸附过程进行得极快，参与吸附的各相物质间的动态平衡在瞬时即可完成，并且这种吸附是完全可逆的。变压吸附制氢工艺过程之所以得以实现是由于吸附剂在这种物理吸附中所具有的两个性质：1）对不同组分的吸附能力不同;2）吸附质在吸附剂上的吸附容量隨吸附质的分压上升而增加，随吸附温度上升而下降。利用吸附剂的第一个性质，可实现对含氢气源中杂质组分的优先吸附而使氢气得以提纯;利用吸附剂的第二个性质，可实现吸附剂在低温、高压下吸附而在高温、低压下脱附再生，从而构成吸附剂的吸附与再生循环，达到连续分离提纯氢气的目的。

2大型煤制氢变压吸附技术应用进展

2.1提高原料气进气品质

确保原料气的纯度，在原料气进入PSA制氢系统前，尽可能过滤掉能使吸附剂失活的杂质。此外原料气的组成、压力、流量要稳定，相应的措施是增加原料气氢含量在线分析仪、压力表、流量计，这样可及时根据原料气数据的波动对操作参数进行调整，使PSA制氢系统运行处于最佳状态。通过优化脱硫罐和预处理罐的填料结构，解决了PSA制氢系统因煤气杂物过多而引发故障频繁的问题。针对邯郸钢铁股份有限公司动力厂焦炉煤气PSA制氢系统氢气回收率低的问题，调整了吸附剂的装填比例，使得氢气回收率大幅提高。通过增加缓冲罐、更新系统运行控制程序和控制模式，解决了PSA单元尾氢流量波动过大而导致氢回收率低的问题。

2.2大型变压吸附制氢技术未来发展

大型煤气化技术的发展和工程化实践，对大型PSA制氢装置提出了新要求。在保证氢气产品质量的前提下，用户对氢气回收率、装置投资、占地、解吸气利用等要求越来越苛刻，传统的PSA工艺已经无法满足装置大型化后的诸多要求，所以PSA工艺必须不断进步，以适应大型化煤气化装置的要求。针对大型煤气化技术的进步，大型PSA制氢的规模和操作压力也不断提高。以神华煤制油等大型PSA制氢装置运行数据为参考依据，产氢规模Qn=30万～50万m3/h的PSA制氢装置已在开发中。操作压力为5.0MPa的PSA制氢装置已正常运行了4年。经过几年的攻关，在吸附剂、工艺、管道、设备、自控、数学模拟和整体集成等方面取得突破，6.0MPa压力等级的PSA制氢工业装置正在建设中。未来可能开发出8.0MPa操作压力的PSA制氢技术。

2.3大型煤制氢变压吸附技术的发展前景

大型煤气化技术的发展和进步给变压吸附制氢带来了挑战，在保证氢气制备产量的基础上，企业对过程中原料的回收率、利用效率和环保程度都有了更高的要求，传统的变压吸附技术已经不能适应当前工业生产的需求，需要结合企业的发展现状，不断进行创新，来适应大型煤变压吸附制备氢气的要求。随着大规模煤化工企业的发展，变压吸附制氢的规模和技术也在不断提高，经过近些年在吸附剂、工艺、设备和智能操控等方面取得的突破，更高压力等级的变压吸附装置有望建设成功。吸附剂性能的优化也提高了装置的运行效率。吸附剂的解吸性能，吸附容量在日渐强大，逐渐克服了内部吸附剂颗粒扩散的阻力，增加了床层的利用空间，从而提高了氢气的吸收速率。工艺上各模块都不断优化配置，从实验和理论综合分析，探究氢气提纯的具体措施，从氢气的制备纯度和回收的效率来看，未来势必会有更大的突破。

结语

变压吸附制氢技术是一项成熟可靠的技术，它已在工业上得到了广泛应用，甚至早在1985年就获得了我国的国家科技进步一等奖。但是，变压吸附制氢技术也是一项不断发展进步的技术，它仍然有很多潜力可挖。如何进一步提高变压吸附制氢的回收率，如何减小设备，降低投资，节省能耗，减少占地面积，仍然值得我们继续研究和探索。

参考文献

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