变压吸附脱碳技术在甲醇工业上的应用
张杰 李克兵 郜豫川
一、前言
变换气脱碳是合成氨、甲醇原料气净化的一个重要工序。在合成氨、甲醇生产的变换气中,变换气中的CO2含
量一般为12%～28%,在进合成工序之前,必须预先将其除去,所得合成气(H2+N2)或(H2+CO)供生产合成氨、甲醇用,
采用不同的变换气脱碳技术脱碳,是影响其生产能耗的重要因素之一。
目前国内外相关厂家采用的脱碳方法可分为湿法和干法两大类。其中湿法如苯菲尔法、MEDA法、NHD法等沿用
历史较长,而干法(变压吸附法,简称PSA法)为近年来研究与开发的节能技术,具有净化度高、流程简单、自动化程
度高、操作维护方便、能耗低、投资省、占地面积小等优点,因此应用和推广十分迅速。
二、工艺原理
变压吸附工艺技术的特点主要为物理吸附。变换气中的主要组分有H2、N2、CO、CH4、CO2、H2O等,它们在PSA
吸附剂上的吸附能力不同,但随着压力升高而增加,随压力降低而降低,吸附能力由弱到强的顺序
为:H2<N2<CO<CH4<CO2<H20。利用吸附剂在高压下易吸附高沸点组分(H2O、CO2、CH4)、不易吸附低沸点组分(N2、H2
等)的特性,高压下被吸附组分吸附容量增加,低压下被吸附组分吸附容量减小的特性来实现分离。变压吸附技术就
是利用以上特点实现CO2、CO、H2、N2等主要回收组分在吸附剂床层内的分离。
三、变压吸附(PSA)脱碳工艺与湿法脱碳工艺的比较
与传统的湿法脱碳装置相比,变压吸附脱碳装置具有流程简单、自动化程度高、开停车方便、能耗低、操作成
本低、净化气不需要预处理等特点。表1是国内目前合成氨工业中采用的几种脱碳方法比较。
从表1可以看出,干法变压吸附脱碳工艺与湿法的脱碳工艺相比,变压吸附工艺操作费用最低,具有工艺简单、
运行稳定、操作调节方便、装置能耗低、占地面积小、吸附剂再生简便、使用寿命长、净化气中不带有任何有机溶
剂、无三废等优点。尤其是吸附床层对原料气中的CH3OH、NH3和硫化物的含量限制也较宽,对于CH3OH≤1.0%(V)、
NH3≤0.01%(V)、硫化物≤3000mg/m3(以H2S计)的原料混合气,可以直接进入PSA装置吸附床层,省去了复杂的预处
理装置的投资,使流程简化。
四、工艺过程
在对于合成氨厂尿素生产及配套联醇生产,二段法PSA脱碳(简易流程图见图1)比较适合,而对于单醇生产厂家,
只需采用一段PSA脱碳既可。
PSA二段法脱碳工艺中,来自于变换工段的变换气为原料气,在一定压力(主要决定于厂方的变换压力)下经变压
吸附专用程控阀先进入一段吸附塔,其中主要杂质组分CO2被一段床层吸附,N2、H2、CO及部分CH4、CO2等则穿过
床层作为半产品气输出至二段装置。一段吸附塔床层中浓缩的CO2,通过再生解吸释放,纯度达98%,作为CO2产品气
输送至尿素合成工段加以利用。从一段出来的半产品气,在一定压力下送入二段吸附塔,半产品气中残留的CO2和CH4
等被二段床层吸附,N2、H2等(其中CO2含量≤0.2%，厂方有联醇工艺时,可放宽至1.5%～2.0%)则直接穿过吸附剂
床层做为产品气(净化气)输出,送往合成氨工段做为合成气加以利用。
对于单醇生产的PSA工艺,可以采用PSA一段法,原料气只经过PSA一段装置,即可得到净化后的合成气。针对
合成氨生产及联醇生产的不同,净化气中的CO2含量根据生产需要控制在≤3.5%左右,这样CO、H2等有效组分的收
率会得到进一步提高。
五、工艺的特点
1.根据气体组成的特点,采用多种吸附剂组成复合吸附剂床层。吸附塔适应性较强、操作弹性大,可满足前、后
工序一般的波动,保证生产稳定,净化、回收效果好。另外,吸附床层对原料气中的CH3OH、NH3和硫化物的含量限制
较宽,对于CH3OH≤1.0%(V)、NH3≤0.01%(V)、硫化物≤3000mg/m3(以H2S计)的原料混合气,可以直接进入PSA装
置吸附床层,省去了复杂的预处理装置,流程更加简单。
2.采用自行研制的吸附剂密相装填器装填,减少了床层的死空间,提高了床层的利用效率,变压吸附装置性能提
高8%～15%。
3.采用分组交叉抽空专利技术(专利号:CN 1330973A)。CO2为强吸附组分,解吸较难,彻底解析所需时间较长。
分组抽空使解析较难、解析所需时间较长等难题迎刃而解,不但提高了真空泵的使用效率,降低能耗,而且有效地提
高吸附塔吸附床层的利用率,更有力地保证了装置的分离性能。
4.全程采用DCS控制,自动化操作程度高。
5.对于联醇、甲醇生产,氢气损失在0.5%～0.8%,氮气的损失在3%～4%,CO的损失在4%～5%,回收率高。
6.工艺简单、操作调节简便、装置能耗低、投资省、运行费用低、占地面积小、吸附剂再生简便、使用寿命长、
净化气中不带有任何机溶剂等优点,整个投资比湿法脱碳低25%～30%左右,装置扩建容易,只须增加少量的吸附塔及
程控阀即可实现产量的增加。
六、结束语
干法变压吸附脱碳工艺技术具有工艺实施中净化度高，H2、N2、CO2的回收率高,流程、操作简单，装置操作
弹性大,运行费用低,便于维护等优点,改变了以往采用湿法脱碳工艺的运行费用高、能耗大等缺点。该技术已经在
濮阳甲醇厂2.8万m3/h变换气脱碳、四川宜宾天科煤化工有限公司2.834万m3/h变换气脱碳项目中使用,效果良
好,是甲醇生产领域值得推广的工艺。
表1 合成氨工业中的几种脱碳方法比较
脱碳方法 改良热 碳丙 MDEA NHD 低温 PSA法
比较项目 甲碱法 法 法 法 甲醇法
电耗① /kWh 50 130 70 125 166 35～50③
蒸汽消耗① /t 1.8 — 1.2 0.06 0.75 —
水消耗① /t 196 20 74 16 32 5.0
溶剂消耗① /kg 0.6 0.5 0.44 0.30 2.5 0
CO2脱除精度 % 0.3 0.5 0.3 0.3 0.2 0.2
H2回收率 % 98 98 98 98 98 9.5
综合能耗② /kJ·m3 2800 1600 4100 550 3000 210
净化气带液 有 有 有 有 有 无
自动化程度 低 低 低 低 低 高
三废 有 有 有 有 有 无
维护费用 高 高 高 中 中 低
适用规模 中小 中 中小 中小 大型 大中小
装置投资 中 中 低 低 高 较大
操作成本① /元 54.26 37.37 42.91 35.0 45.0 15.8
注：①吨氨消耗指标；②以CO2计；③根据我们在新乡化肥总厂6万m3/h变换气PSA脱碳装置运行结果统计，实
际吨氨电耗为40kW左右。
图1 PSA脱碳工艺简易流程图