PSA制氢技术及其在煤制甲醇中的应用

张亮

摘 要：由于受到我国能源结构的影响，煤化工行业在一定时期内迅速发展。随着氢气需求量的大幅提升和煤气化制氢技术工艺的日益成熟，低成本的大规模煤制甲醇氢气提纯技术的需求更为迫切。为指导和推广PSA制氢技术在煤制甲醇行业的工业化推广应用，本文主要对变压吸附制氢的传统工艺和PSA制氢技术发展趋势及研究进展进行分析探讨。介绍了变压吸附制氢生产甲醇的基本原理，阐述变压吸附生产流程。重点研究PSA技术在煤炭气化制甲醇工艺中的应用。探讨了大型煤制甲醇行业变压吸附技术的发展方向。

关键词：变压吸附;煤制甲醇;制氢技术

现阶段我国能源资源现状是贫油、少气、多煤，目前中国对于煤炭利用的主要方式大多数为直接燃烧方式转化为其他形式能量，然后再进行加工利用，这样的利用方式不可避免的造成了综合能源利用效率较低和环境污染严重等许多问题[1]。为了更好的提高煤炭的综合利用效率，减少生产过程中对环境造成的污染，中国自1960年开始大力提倡洁净煤技术，其中以煤气化为首要工序的煤制甲醇技术就是其中最为核心洁净煤技术。煤气化技术一般为经过特定压力和温度下将固体煤转化为气体煤气，煤气可用作燃料或化工原料，因其具有运输方便和燃烧效率高以及污染排放低等优点而得到广泛应用。目前人们生活中不可避免的需要一些煤化工产品，如聚乙烯和聚丙烯产品等。由于煤化工产业壮大的趋势影响，氢气需求量大幅提升，为低成本的大规模煤制氢带来了机遇和挑战。我國大型煤气化技术具有规模大、压力高、煤种适应性广等特点，与此相适应的大型煤制氢单元中变压吸附制氢已成为提纯氢气的主流技术之一[2]。根据现有的变压吸附制氢工艺、设备、规模等发展现状，讨论了大型煤制氢变压吸附技术的发展方向。

与目前全球经济发展现状相结合，气体分离技术的应用在煤制甲醇行业快速发展。变压吸附（PSA）是一种物理吸附的分离技术，该技术的实际应用中因为气体组分不同，其吸附能力也随之不同[3]。随着吸附容量的上升物质吸附的过程中的设备分压也相应上升的同时吸附中的温度逐步出现下降的现象。通过对吸附作业的特点进行深入分析，PSA能够实现低温--高压吸附，低压--高温解析再生的循环模式。在实际应用的过程中PSA技术通过压差实现气体的吸附和再生，该技术能耗低，分离效率高，应用效果好。PSA技术是利用吸附剂选择性吸附混合气体中的杂质组分，进行H2的提纯[4]。为指导和推广变压吸附（PSA）制氢技术在煤制甲醇行业的工业化推广应用[5]，本文将综述大型煤制氢PSA技术的应用现状，并讨论未来的发展方向。

1 煤制甲醇制氢技术及其应用现状

工业制氢的方法主要有低温精馏法、膜分离法和变压吸附三种。三种方法优劣各异，其具体比较如下表1所示。低温精馏法制备氢气是指将气体进行冷冻成为液体，而后利用精馏的方法进行气体分离，该方法制氢的气体纯度和回收率均很高，但其投资很高。膜分离法的占地面积较小并且操作简单、开工率非常高而功耗低，能够大幅度节省投资，但是其氢气提纯率并不如其他两种方法高，一级膜分离提纯率只有百分之九十八，即使耳机膜分离提纯率也仅能达到百分之九十九。变压吸附法具有投资少、工艺简单、产氢成本低等优势，并且氢气转化率较高，此外PSA技术使用和操作均较为方便，具有很强的可靠性及灵活性，除自控阀门外没有其他动设备，动力消耗非常低，不需要进行特殊的管理以及维修，相对操作费用低，其吸附剂的选择性和分离效果均较好，该技术的制氢纯度较高，基本可达到百分之九十九点九以上，用于加压过程中可大幅度降低操作压力的同时减少排放损失，所以在煤制甲醇行业得到了更为广泛的应用。

2 PSA工艺简介

PSA工艺技术是气体分离回收的主要技术之一。PSA技术主要包括制氢、脱除二氧化碳、二氧化碳提浓、一氧化碳提浓、空分制氧、空分制氮、甲烷提浓、回收氯乙烯乙炔等等。PSA制氢技术只是PSA工艺技术之中的一种，同时也是PSA工艺装置中气体处理量合计中总量最大的一种。

3 PSA系统吸附剂的选择

不同的气体组分因为分子的大小、结构、极性等性质的差异，吸附剂对其吸附的能力和吸附容量也存在较大差异，PSA制氢装置所利用的就是吸附剂的此特性。由于气体吸附分离成功与否，极大程度上依赖于吸附剂的性能，因此选择吸附剂是确定吸附操作的首要问题。比较普遍的PSA吸附剂主要有活性氧化铝、活性炭、分子筛三种。活性氧化铝一般装填在吸附塔底部，用于脱除水分。活性炭主要装填在吸附塔中部，用于脱除原料气中的萘和硫、重烃和各类烃类。分子筛装填于吸附塔的上部，用于脱除甲烷、乙烷、氮气等。分子筛是吸附量较高同时吸附选择性极佳。

4 PSA制氢在煤制甲醇行业的发展前景

PSA气体分离技术是依靠压力的变化来实现吸附与再生的，因而再生速度快、能耗低，属节能型气体分离技术。该工艺过程简单、操作稳定、对于含多种杂质的混合气体可将杂质一次脱除得到高纯度产品。煤气化方式产生的H2含量低且杂质多，需通过分离提纯后方可供下游用户使用。变压吸附技术提纯氢气技术的原料气源适应性广，制氢的过程清洁节能，自动化程度高、可靠性和灵活性好、开停车方便、氢气纯度高，这些优点使其成为了被广泛应用的氢气提纯主流技术之一。变压吸附工艺制氢技术在煤制甲醇行业中日益成熟，应用广泛。此外，氢已经逐渐变成当前社会的一种非常主要的洁净能源，我国更是需要大力发展洁净的氢能系统。综合考虑装置可调性、技术水平、氢气纯度、能耗以及经济实力等多种因素，煤制甲醇行业在解决氢气提纯问题时，应将PSA制氢技术作为首选方案。此外，PSA制氢技术在我国虽然已有较好的应用基础，但目前存在的氢气回收率较低、操作压力范围小等问题急需解决。综合我国目前国庆，在解决目前生产工艺的同时，应该积极研究探索PSA技术的劣势，以降低其对生产工艺的影响。

5 结论

经过生产实践表明，煤制甲醇工艺当中选择变压吸附制氢工艺，即优化了原有的煤气化制氢工艺，又使氢气转化率得到了有效的提高，其技术先进，完全能够满足大型煤化工企业生产工艺需求，具有良好的应用前景。

参考文献：

[1]徐世洋，张敏，朱亚军.变压吸附技术在焦炉煤气制氢中的应用[J].辽宁化工，2006（07）：41-43.

[2]徐世洋，张敏，朱亚军.浅谈变压吸附技术在焦炉煤气制氢中的应用[C].全国天然气化工信息站变压吸附网全网大会暨变压吸附分离技术交流会.2007.

[3]刘洋.变压吸附原理在工业制氢中的运用[J].化工设计通讯，2017.

[4]焦玉雪，吴峰.利用变压吸附（PSA）技术从焦炉煤气中制取氢气的工艺探讨[C].苏、鲁、皖、赣、冀五省金属学会第十五届焦化学术年会论文集（上册），2010.

[5]制氢技术现状分析及发展[J].化工设计通讯，2018，44 （11）：195-196.