包仁望 张宏刚
内蒙古伊泰煤制油有限责任公司 内蒙古鄂尔多斯市 010321
摘要：变压吸附技术是依靠压力的变化来制氢，并实现吸附剂再生。该制作工艺操作简单且稳定，能很好地分离含有多种杂质的混合气体，并得到较高纯度的气体产品。鉴于此，本文将结合PSA变压吸附技术含义、工作原理和工艺流程，就制油工艺中如何正确使用该制氢技术，提高氢气产品收率和纯度谈几点看法。
关键词：制油；PSA制氢；优化措施
1 PSA制氢技术简介
1.1 PSA制氢含义
PSA，即变压吸附工艺是气体分离回收的技术之一，具体又分成变压吸附制氢、变压吸附二氧化碳脱除、变压吸附二氧化碳提浓、变压吸附一氧化碳提浓、变压吸附空分制氧等。也就说，变压吸附制氢只是其中的一种技术工艺，是气体处理量最大的一种技术。
1.2 PSA制氢技术原理
变压吸附以多孔固体物质为吸附剂，在装置内部表面对气体分子进行物理吸附，利用吸附剂在同等压力作用下容易吸附高沸点组分，不容易吸附低沸点组分，以及高压作用下被吸附组分吸附量增加、低压作用下吸附量减小的特点来实现气体分离回收。在制氢的过程中，将原料放在一定压力作用下，然后通过吸附剂床层，原料气中的高沸点组分就被选择性地吸附过去，低沸点的组分就作为净化气由吸附塔顶部口排出。对于被吸附的杂质组分，在减压作用下解吸，并从吸附塔的底部排出，使吸附剂得以循环使用。在高压作用下吸附高沸点杂质，使低沸点净化气体被排出，而使杂质被解吸从吸收塔底部排出，重新获得吸附剂的过程就是变压吸附的过程。在变压吸附时，吸附床内的吸附剂的解吸通过降低杂质分压来实现的，常见的解吸方法有，降低吸附床压力、抽空和冲洗等。
2 影响PSA运行效果的因素和优化措施
2.1 吸附剂性能对PSA运行的影响
对PSA装置运行产生影响的因素包括吸附剂的性能、设备、工艺参数等。其中，在PSA装置运行时，工艺条件会直接影响吸附剂使用的寿命和产品氢气的收率。产品氢气的纯度和回收率反相关，所以产品氢气纯度越高说明氢气的收率很低，而产品氢气纯度不高则说明氢气收率较好。所以不能片面追求氢气纯度而忽视了氢气的收率。在实际生产中要根据实际需求调节氢气的浓度。其次，从吸附剂性能可知，吸附剂容易吸水且脱附比较困难，当PSA装置入口进料组成带有液体，吸附剂被吸附以后就会破坏吸附剂的结构，结构一旦破坏吸附剂就不能再生，降低了吸附剂的使用率和吸附能力。因此必须严格控制进料气的脱液，在原料气进入装置前要严格控制物料的工艺指标，以免其他液体夹带进来。此外，吸附器压力变化太快会使得吸附剂床层松动而破坏吸附剂，在正常使用中吸附剂相互摩擦也会使吸附剂粉化。因此对制氢过程要严格控制，避免吸附器压力快速变化。
2.2 设备对PSA运行的影响
PSA装置内程控阀门较多，如果程控阀门泄漏就会直接对PSA装置运行产生影响，如果程控阀门不能正常工作而没有及时处理故障就会使生产工况发生极大的变化，从而影响PSA装置的运行。因此需要加强对程控阀门的维护检查来降低故障发生。此外，装置的主体设备是中压吸附器，如果吸附器发生泄漏也会影响PSA的运行。
2.3 工艺操作参数对PSA运行的影响
首先，进料温度会对PSA产生影响，温度太高就会降低吸附剂的吸附能力，从而降低氢气的收率，还会影响产品的纯度和吸附剂的使用寿命。如果温度太低则会使吸附剂无法再生，也会出现杂质太多而损害吸附剂。因此控制进料的温度，保持常温状态下生产十分重要。此外，吸附的压力、进料的组成、进料流速等也会对PSA产生影响。在很高的压力下氢气的吸附量增大，损失量增多。而只有在合理的压力范围内，杂质的吸附量才会随着压力升高而增加，氢气的收率也同时提高。进料的组分中如果氢的含量低于设计值，杂质太多就会降低产氢的量和氢气的收率。进料的流速降低时，传质区长度缩短使分离效果得到改善，这时需要延长吸附的时间以提高吸附剂的使用效率，获得较高的氢气收率。当进料流速增大时，传质量区长度增加，分离效果变差，这时需要缩短吸附的时间来确保氢气的纯度。
3 制油工艺中PSA制氢技术的应用
3.1 煤制油中煤直接液化制油中PSA制氢技术的应用
某制油项目使用的是煤直接液化制油的工艺，该技术工艺使用高效催化剂，并对原制油工艺的固定床加氢改成了T-star加氢。在该制油工艺中，利用变压吸附制氢工业化装置，该制氢装置的工艺流程包括：加入原料气到变压吸附装置中，然后一部分通过高压吸附获得了产品氢气，另一部分则通过变压压缩，使一部分无法被吸附的杂质气体经过解吸从吸附塔的底部排出，而另一部分氢气继续压缩得到了压缩产品氢气。该制氢过程中，原料气是气化炉煤气，是经过脱碳脱硫处理后的净化气，制氢压力是3.1MPa，温度为零下30℃。产品氢气中氢气的含量达99%，另外还有极少部分的一氧化碳二氧化碳以及氮气。产品氢气的压力大于3MPa，温度在38℃以上。该制氢装置设置了两个变压吸附装置，第一部分使用多塔同时吸附，并经过多次均压和冲洗，使氢气质量达标的同时，氢气的回收率高达90%以上。第二部分同样使用多塔同时吸附并多次均压和冲洗，获得压缩产品氢气。
3.2 煤间接液化制油中PSA制氢技术的应用
间接液化制油工艺实质是费托合成技术，本项目采用中温费托合成。制氢过程如下：以脱碳净化气作为原料气，原料气的主要成分是氢气和氮气，另外还有少量的氨气和二氧化碳、一氧化碳。原料气流量为5000kmol/h，压力为3.5MPa，温度为20-40℃。产品氢气中，氢气含量达99.9%，产品氢气的流量为80000Nm3/h，产品氢气压力大于3.3MPa，温度在25-35℃之间，解吸气的压力为0.03MPa，温度为20-40℃。第二部分以来自膜分离的渗透气与油品加工装置产生的渗透气、油品合成催化还原单元的还原尾气形成的混合原料气，该部分的制氢工艺，主要采用多塔同时吸附、多次均压和冲洗，使整个装置的氢气达标，使氢气回收率达90%以上。
3.3 制油工艺中PSA制氢技术的特点
PSA制氢技术的主要特点是，首先原料气多样，组成比较复杂，产品氢气中氢气的含量很高，一般都在90%以上，收率更高。利用PSA装置吸附塔进行变压吸附，使用的吸附剂床层使用的是由多种吸附剂形成的复合床层，压力在3MPa范围上下波动，在线吸附塔可以设置10个及以上，可以同时吸附高沸点的气体，并结合多次均压和冲洗的工艺。此外，采用带两个顺放罐的变压吸附技术，使吸附剂再生更为彻底，同时也提高了产品氢气的质量，虽然原料气的成分比较复杂且气量大，但是利用该制氢技术能充分满足对氢气质量的要求，同时氢气的收率也较高。
4 结语
综上所述，在制油工艺中采用变压吸附技术进行制氢，克服了原料气来源多样、成分复杂、气量大的缺点，提高了整个制油项目能源的利用率，带来巨大经济效益的同时，因为减少了含有杂质气体的排放，也达到了环保的目的。为了使PSA装置持续运行，在获得较大制氢量的同时也提高氢气的纯度，需要进一步对PSA装置生产运行进行研究，及时改进其中存在的问题。
参考文献：
[1]穆朝友. 浅谈煤制油工艺中PSA制氢技术应用[J]. 低温与特气，2019（2）：41-43.
[2]王方亮. PSA制氢装置运行程序工艺及安全优化措施[J]. 内蒙古石油化工，2015（18）：62-64.