基于變壓吸附分離技術在氣體中的應用研究

＊周歷科 楊中貴 胡旭 張勇

（西南化工研究設計院有限公司 四川 610225）

變壓吸附技術又名PSA，該技術是一種新型分離氣體的技術，同時還具有氣體凈化功能，在工業中產生的污染氣體使用變壓吸附氣體分離技術可以減輕空氣污染，在最近30多年的時間里變壓吸附氣體分離技術得到各行業的運用以及認可[1]。相關資料顯示，20世紀40年代在德國就有關于無熱吸附凈化空氣的書出版，美國是第一個成功利用該技術將含氫廢氣的中氫氣進行提取。在國外很早就有關于氣體分離和凈化的技術出現。變壓吸附技術雖然是一種相對新型的技術，由于該技術投入資金少，使用過程簡單易懂，污染環境小等優點，如今被應用于各大工業中，同時創造出的價值也是非常高的，在各國的化工行業、煤化工行業、環保等，都是可以利用變壓吸附技術[2-5]。

1.變壓吸附分離技術簡介

20世紀40年代左右德國的Hkahle首次提出了關于變壓吸附一詞，同時德國有關于無熱吸附凈化空氣的專利。由于在當時經濟發展蕭條，變壓吸附分離技術所使用的吸附劑并沒有當今的效果好，當時比較常見的吸附劑有硅膠、活性炭等?？諝夂恐械难鯕夂偷獨馐呛茈y被吸附的，這主要原因是變壓吸附分離技術不夠成熟，導致在進行氣體分離的時候吸附性弱，分離效果差，難以進行氣體分離[6]。在1950年后變壓吸附分離技術開始出現在人們的世界里，被工業領域重視，變壓吸附分離技術才得以發展起來。德國在氣體分離中實現了分離氫氣，在尾氣中分離出純凈的氫。目前各個國家已經開始關注到變壓吸附技術給人們帶來的益處，開始大量進行變壓吸附技術的研究，現在變壓吸附技術基本商品化，變壓吸附技術市場競爭越來越激烈。

目前，在我國工業中也逐漸重視變壓吸附技術的使用，并且在相關研究人員的不懈努力下，變壓吸附技術的發展也越來越成熟，變壓吸附技術被運用到除工業外的其他行業中，其中包括電子、化工、醫療、環保等。變壓吸附技術在我國不斷的發展起來，我國在研究變壓吸附技術中也取得非常多的成績，尤其是中國西南化工研究設計院獲得了最高的成就，與林德公司、UOP公司并列為全球變壓吸附三大專業研究設計院。在變壓吸附領域有我國的一席之地離不開研究人員的努力，在中國西南化工研究設計院中為研究變壓吸附技術進行無數的實驗，才研究出來，同時還對變壓吸附技術不斷的融入新技術，不斷的進行創新。變壓吸附技術現在節約成本的基礎上，還簡化了操作流程，在一定程度上提高了氣體分離技術。我國應用比較傳統的低溫、電解等方法，已經逐漸淡出人們的視線中，取而代之的是變壓吸附技術。

2.變壓吸附分離技術基本原理

變壓吸附的基本原理與壓力變化有很大的關系，主要是采用氣體組分在固體材料上的吸附特性的差異進行的，同時還利用變壓吸附分離技術氣體中吸附量隨壓力進行不斷變化的特性，進行氣體的分離[7]。氫的提取在工業中是比較常見的，也是不可缺少的，所以工業中利用變壓吸附分離技術進行。傳統分離氣體技術中，變壓吸附分離技術之所以脫穎而出，在于成本花費低，氣體分離技術高效等特點，變壓吸附分離技術不斷代替傳統分離提取氣體技術，在各大行業不斷冒尖，不斷發展。變壓吸附分離技術在20世紀實現工業規模的制氫，變壓吸附分離技術制氫的效果得到人們重視，于是不斷有研究人員開始關注變壓吸附分離技術，也是這樣變壓吸附分離技術獲得了迅速的發展。該技術在我國的工業得到不斷的發展，在進行氫氣的分離提純操作中，我國基本都是采用PSA分離技術，在我國原來傳統的低溫法、電解法等，由于使用耗能，操作過程復雜，投入資金大等缺點，這些技術已經很少在使用。變壓吸附分離技術可以得到在二氧化碳氣體，主要是在合成氨變換氣中脫除二氧化碳，這個過程所得的產物能夠讓小型的合成氨廠的液氨產量得到相應的提高，能夠節約一定的成本。變壓吸附分離技術提純二氧化碳，能夠在工業廢氣制取食品級二氧化碳。變壓吸附分離技術還能夠進行氣體中NOx的脫除、硫化物的脫除等，對于保護環境方面是有很大的應用價值，發展前景也是可觀的[8-9]。

3.變壓吸附氣體分離技術特點

變壓吸附技術的發展也越來越成熟，變壓吸附技術被運用到除工業外的其他行業中，其中包括電子、醫療、環保等，變壓吸附技術有以下優點[10]：

（1）變壓吸附技術使用過程中消耗能源比較低，變壓吸附技術在壓力方面適應比較廣，對于部分有壓力的氣體可以很好的展示變壓吸附技術的優點，省去二次加壓的能耗，在一定程度上變壓吸附技術滿足低能耗的特點，而且變壓吸附技術還可以在常溫下進行使用，這樣就節約了加熱和冷卻過程，同時節約能耗。所以變壓吸附技術能耗低是其最重要的優點。

（2）變壓吸附技術在制取氣體的過程中所提出的產物在純度方面也是非常高的，而且在操作的過程中還可以進行高靈活調節。變壓吸附技術制取氫的過程中，其氫的純度可達99.999%，還能根據所需要的氫的純度自行進行調節，這很大程度上滿足個行業對氣體純度要求。

（3）變壓吸附技術在使用過程中其操作也是非常簡單，不需要太復雜的步驟，在一定程度上可以方便人們的使用。由于變壓吸附技術對水、硫化物、烴類等有較強的承受能力，在進行變壓吸附操作時減少傳統技術中預處理工序，使操作流程簡單。

（4）變壓吸附技術自動化程度高，在如今機器高智能發展時代，機器的自動化功能是非常重要的，變壓吸附技術也不例外。變壓吸附技術裝置是由計算機控制，在進行氣體制取的時候，操作過程全自動化，只需要有工人稍加巡視即可，變壓吸附技術這個過程全自動進行。一般在30min就能得到合格的產物。

（5）變壓吸附技術的資金投資比較小，在我國小型的企業就可以使用變壓吸附技術，維護簡單，檢修時間少，開工率高。

（6）變壓吸附技術的吸附劑與傳統的吸附劑不同，變壓吸附技術的使用時間變長，一般一臺變壓吸附機器能用上10年左右，而且吸附效果也好。

（7）變壓吸附技術裝置對環境是沒有污染的，對保護環境方面有重要的價值，工業中使用變壓吸附技術裝置可以減少污染氣體的排放，達到保護環境的目的。

4.變壓吸附氣體分離技術應用研究

(1)在二氧化碳中應用

變壓吸附回收二氧化碳即合成氨生產過程中脫碳工序。變壓吸附氣體分離技術就可以運用在這個過程中。變壓吸附氣體分離技術之所以脫穎而出在于成本花費低、凈化程度高、氣體分離技術高效等，變壓吸附分離技術不斷代替傳統分離提取氣體技術。美國開始把變壓吸附氣體分離技術用于合成氨變換氣脫碳研究：先將烴類轉化為變換氣，再將變換氣中的二氧化碳提純至99.4%，再將氫氣提純至99.999%，99.999%的高純氫氣與來自空分的高純氮氣按體積比3:1混合，經壓縮后去生產氨。變壓吸附氣體分離技術在這個過程中減少合成氨的步驟，簡化操作流程，在變壓吸附氣體分離技術合成氨的過程中省去銅洗與甲烷化工段，在一定程度上節約整個操作的成本。變壓吸附氣體分離技術吸附尿素脫碳的整個過程中，氫氣回收率可達95%，二氧化碳回收率可達94%。如今合成氨工藝中一般都是選擇變壓吸附氣體分離技術進行脫碳[11]。

(2)在氫氣的回收提純中應用

以前由于傳統的電解法提取氫氣，會造成電能的消耗，一般是電解水得到氫氣和氧氣，但是這個技術的使用每有1Nm3氫氣產生，就會消耗電6-7kW·h，這導致了電能的損耗以及損耗。目前的工業化生產中有大部分的含氫氣源，如鋼廠焦爐煤氣、煉油廠含氫尾氣等，如果可以在不損耗電能的前提下，又能提煉出所需要的氫氣，這就需要變壓吸附氣體分離技術的運用，降低生產成本。

采用變壓吸附法提純氫氣耗電不足0.5kW·h/Nm3。我國在1990年武漢鋼鐵公司首次建成提煉氫氣的變壓吸附裝置，變壓吸附氣體分離裝置的使用讓生產氫氣的能力提高到1000Nm3/h，而且該裝置在焦爐中所提煉出的氫氣純度在99.999%。武漢鋼鐵公司運用變壓吸附氣體分離裝置提取氫氣后，我國其他鋼鐵企業也開始運用該技術對氫氣進行提煉。變壓吸附制氫操作過程中，其吸附壓力一般在0.8-2.5MPa范圍內，初期由于變壓吸附氣體分離技術不夠成熟，在操作過程中由于吸附床內死空間的氣體無法收集，造成浪費。這個難題現在終于得到解決，部分工業現在會采用多床變壓吸附技術進行操作，在經過均壓和順向放壓這兩種不同的方式進行吸附床死空間中的氣體進行回收。在多床變壓吸附技術中四床流程所得到的產物其純度在99%以上，純度是非常之高的，而且四床變壓吸附技術所得的氫回收率在75%-80%之間。在多床變壓吸附技術中還有除了四床流程以外，還有五床、八床流程等。

在全世界最大的變壓吸附氣體分離制氫裝置已經在我國神華集團煤制油項目中出現，而且試車也是成功的，在一定程度上也代表我國變壓吸附氣體分離技術的進步，已經達世界先進水平。該裝置是采用4分組流程進行的。其中該裝置的處理氣量約為每小時34×104Nm3，而且該裝置產生的氫能力約是每小時有28×104Nm3，并且產生的氫純度可以達到99.9%，氫的回收率也是幾乎大于90%的。

(3)在精餾尾氣的回收中應用

變壓吸附氣體分離技術中使用的是特殊的吸附劑，可以在高壓狀態環境中選擇性吸附尾氣中的氯乙烯和乙炔，在沒有被吸附的氣體中就可以得到滿足排放標準的凈化氣體，達到不污染空氣的目的。運用真空泵降低壓力抽空吸附床，讓吸附劑上的氯乙烯與乙炔脫附，再回氯乙烯生產裝置回收利用，這樣在整個過程中吸附劑還能進行重新使用。工業中所生產的氯乙烯精餾尾氣，在進行排放時需要達到相應的排放標準才能夠排放到空氣中，變壓吸附氣體分離技術就可以達到這個效果。由此在工業化行業中處理尾氣就可以利用變壓吸附氣體分離技術，該技術對于解決尾氣中的污染氣體是有社會效益[13]。

(4)在甲烷的提純中應用

天然氣成分中自然是少不了各種烴類物質，其中天然氣最重要的成分是甲烷，但是天然氣成分中有部分是其甲烷的同系物，包括各類烴類雜質。對于部分工業而言想要得到以天然氣為原料的化工產品，其主要需要解決的是天然氣中甲烷的同系物，只有減少各類烴類雜質，才能得到純度比較高的天然氣產物。變壓吸附氣體分離技術就可以進行天然氣凈化，讓天然氣中的甲烷同系物雜質減少不到0.0001的范圍內，從而提高天然氣的純度。到目前為止我國現存變壓吸附氣體分離技術天然氣凈化裝置逐漸得到運用，在各大行業中投入使用。

我國擁有的煤是比較多的，所以在煤炭生產方面我國是大國，據相關數據顯示，我國幾乎年年采煤，在采煤的過程中所排放出的瓦斯多達1.2×1010m3，煤礦開采向大氣排放甲烷總量排名在前。利用率僅占總排放量的5%-7%，采煤過程中產生的甲烷大部分跑到空氣中，這無疑造成甲烷的浪費，而且在一定程度上會造成空氣污染，不利于我國的發展。相關規定可以知道對于瓦斯濃度在30%以下的是無法使用的，所有在采煤的過程中，把排在大氣中的瓦斯含量提升在80%以上，就可以作為高能燃料和化工原料；達到95%就并入天然氣管道輸送，在各大工業中得到再次利用，同時一定程度上減少大氣環境污染，解決我國能源短缺。瓦斯不僅僅只是含甲烷，而且還包括部分二氧化碳，氮氣，氧氣。想要分離這些氣體需要變壓吸附氣體分離技術的參與，根據二氧化碳和甲烷的各自性質可以知道兩者之間的物理性質是非常大的，這就表明二氧化碳和甲烷比較易于分離的，目前瓦斯提純含氮煤層氣提純是分離氣體的重點。甲烷以及氮氣的分離在變壓吸附氣體分離技術中目前基本實現，并且氣體凈化也已經基本上實現工業化生產，其中著名的UOP公司就有關于氮天然氣凈化的技術，也就是五床變壓吸附凈化技術，能實現將含天然氣中把30%氮提純到甲烷含量96.4%，同時達到甲烷利用率80%以上。在Nitrotec公司也有與UOP公司類似的技術，并且兩個公司都分別申請了屬于自己的專利，Nitrotec公司利用三塔變壓吸附流程，將天然氣中含30%的氮進行提純后，可以得到純度98%以上的甲烷，烴類回收率70%以上。這兩個公司在氣體提純方面取得的巨大成就。在我國相關技術人員也開始重視采煤過程中氣體的提純研究，在未來幾年里，我國在煤氣層甲烷提純方面也會有戰績，我國也會利用好變壓吸附氣體分離技術，將其發揮出更大的作用。

5.結論

變壓吸附技術的諸多優點在未來有很大的發展空間，各國的研究人員不斷的研究開發變壓吸附技術，相信不久的將來變壓吸附技術在工業中還有更大的貢獻。變壓吸附技術不僅會運用在各工業中，還會運用在各產生廢氣的行業中，對污染空氣的氣體進行凈化，達到保護環境的作用。相信變壓吸附氣體分離技術不斷發展創新，會有新的領域和空間。