CN104740972A - 一种回收置换废气和顺放气的变压吸附气体分离方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种回收置换废气和顺放气的变压吸附气体分离方法，所述方法在变压吸附气体分离装置置换操作步骤从吸附塔流出的置换废气的全部或部分，经压缩升压后返回与新鲜原料气混合作为本套变压吸附气体分离装置的原料气。本发明适用于产品的主要组成为吸附相组分且设置有置换操作步骤的变压吸附气体分离装置。本发明采用置换废气和顺放气加压返回与新鲜原料气混合作为本套变压吸附气体分离装置的原料气的方法，不需使用其他用以分离回收置换废气和顺放气的分离装置，在一套变压吸附气体分离装置上，实现置换废气和顺放气的回收。与现有技术相比，流程简捷、投资少、能耗低、操作方便，不仅回收置换废气，还可回收顺放气，并可有效保证较高的新鲜原料气中吸附相产品组分的回收率。

Description

一种回收置换废气和顺放气的变压吸附气体分离方法

技术领域

本发明涉及一种回收置换废气和顺放气的变压吸附气体分离方法，特别是涉及产品的主要组成为吸附相组分的变压吸附气体分离方法，属于气体分离净化领域。

背景技术

变压吸附是一种利用固体吸附剂对不同气体组分的吸附容量有差异的特性来实现气体分离的方法。吸附在固体吸附剂表面上的物质即为吸附相。变压吸附气体分离装置在一定压力下进行吸附，通过降压、抽真空、冲洗等降低吸附相组分气体分压的方法，达到吸附相解吸、吸附剂再生的目的。在吸附操作步骤，原料气在一定压力下进入装填有固体吸附剂的吸附塔，以易吸附组分为主的部分气体吸附在吸附剂表面上，大部分未吸附的气体流出吸附塔，实现易吸附组分和不易吸附组分的分离。

变压吸附气体分离装置的产品，可以以主要组成为不易吸附组分、吸附操作步骤从吸附塔流出的气体作为产品，也可以以主要组成为易吸附的吸附相组分、解吸过程中从吸附塔排出的抽真空气和逆放气作为产品，或两者都作为产品。

产品的主要组成为吸附相组分的变压吸附气体分离装置应用广泛。具有代表性的应用有：从脱除二氧化碳后的煤气化气中分离提浓一氧化碳；从电石尾气、钢厂转炉气、黄磷尾气等富含一氧化碳气体中分离提浓一氧化碳；从变换气中分离提浓二氧化碳；从石灰窑气中分离提浓二氧化碳；从焦炉煤气、煤层气等富含甲烷气体中分离提浓甲烷；从炼油厂催化裂化干气中分离提浓C₂及C₂以上烃类组分为主的混合气；从炼油厂各种混合气体中分离提浓烃类组分。

产品的主要组成为吸附相组分的变压吸附气体分离装置，通常设置有置换操作步骤。置换操作就是将部分产品气从吸附塔吸附操作步骤的原料气入口端送入吸附塔，置换吸附剂床层中的气体，提高吸附剂床层中吸附相产品组分的气体分压、降低吸附剂床层中不易吸附组分的气体分压。通过置换操作，使不易吸附组分进一步解吸并排出吸附塔，达到提高吸附剂床层中吸附相产品组分浓度的目的。置换操作步骤从吸附塔流出的气体称为置换废气。由于置换废气中吸附相产品组分浓度较高，因此如何回收置换废气中的有用气体，提高新鲜原料气中吸附相产品组分的回收率，降低新鲜原料气消耗，直接影响产品的主要组成为吸附相组分的变压吸附气体分离装置的经济效益。

产品的主要组成为吸附相组分的变压吸附气体分离装置通常还设置有顺放操作步骤。顺放操作就是顺着吸附塔吸附操作步骤的气体流向，从吸附塔吸附操作步骤的出口端的顺放气出口向外排出吸附塔中的气体，将吸附塔压力降到下一操作步骤如置换操作步骤、逆放操作步骤的操作压力。通过顺放操作，降低了吸附剂床层压力，不易吸附组分解吸，吸附剂床层中吸附相产品组分浓度提高。顺放操作步骤从吸附塔排出的气体称为顺放气。顺放气中吸附相产品组分浓度也较高，回收顺放气可以有效提高新鲜原料气中吸附相产品组分的回收率。

专利ZL200510118241.7、专利ZL200510129369.3、专利ZL201210394237.3和专利ZL201410271598.8公开了涉及置换废气的回收利用方法，但未涉及顺放气的回收方法，而且这些置换废气的回收利用方法都是通过2套或2套以上包括变压吸附气体分离装置在内的吸附装置的组合来实现的，不但投资高、流程复杂，实施范围也受多种限制。

发明内容

针对上述现有技术存在问题，本发明的目的在于，不使用其他用以分离置换废气和顺放气的变压吸附装置或其他类型的分离装置，在一套变压吸附气体分离装置上，实现置换废气的回收，且当设置有顺放操作步骤时同时实现置换废气和顺放气的回收。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：一种回收置换废气和顺放气的变压吸附气体分离方法，包括将变压吸附气体分离装置置换操作步骤从吸附塔流出的置换废气的全部或部分，经压缩升压后返回与新鲜原料气混合作为变压吸附气体分离装置的原料气的步骤；以及可选的将顺放操作步骤从吸附塔排出的顺放气的全部或部分，经压缩升压后返回与新鲜原料气混合作为变压吸附气体分离装置的原料气的步骤。

在本发明中，每台吸附塔在一个循环操作周期内的操作步骤，必须包括吸附、置换、抽真空，还可以包括但不限于均压降、顺放、逆放、均压升、最终升压。例如，在吸附操作步骤后设置一次或多次均压降操作步骤；在吸附操作步骤后、抽真空操作步骤前设置顺放操作步骤；在抽真空操作步骤前设置逆放操作步骤；在抽真空操作步骤后、吸附操作步骤前设置一次或多次均压升操作步骤；在吸附操作步骤前设置最终升压操作步骤。因此，每台吸附塔在一个循环操作周期内的操作步骤可包括吸附、均压降、顺放、置换、逆放、抽真空、均压升、最终升压。各操作步骤的先后顺序可根据需要设定。

本发明中，当未设置顺放操作时，仅回收置换废气，置换操作步骤从吸附塔流出的置换废气的全部或部分，经压缩升压后返回与新鲜原料气混合作为本套变压吸附气体分离装置的原料气。当设置有顺放操作时，可同时回收顺放气，顺放操作步骤从吸附塔排出的顺放气的全部或部分，也可以经压缩升压后返回与新鲜原料气混合作为本套变压吸附气体分离装置的原料气。

变压吸附气体分离装置设置4台或4台以上装填有固体吸附剂的吸附塔，多台吸附塔根据设定的操作步骤和时间顺序，交替切换、循环操作。

上述变压吸附气体分离装置采用的各操作步骤说明如下：

吸附：含产品组分的原料气从吸附塔原料气入口进入吸附塔，以易吸附组分为主的部分气体吸附在吸附剂表面上，大部分未吸附的气体从吸附塔流出，实现易吸附组分和不易吸附组分的分离。对于产品的主要组成为吸附相组分的变压吸附气体分离装置而言，吸附操作步骤从吸附塔流出的气体称为吸附废气。吸附操作步骤标记为A。

均压降：均压就是压力均衡。均压降是通过均压降低压力，均压升是通过均压升高压力。均压降操作步骤是吸附操作步骤完成后的吸附塔，向需要实施均压升操作步骤的吸附塔充压，实施均压降操作步骤的吸附塔压力降低，实施均压升操作步骤的吸附塔压力升高，直至两台吸附塔的压力接近或相等。均压可以通过两台吸附塔直接连接完成，也可以通过均压缓冲罐完成。均压的目的是回收实施均压降操作步骤从吸附塔排出的有用组分，并使实施均压升操作步骤的吸附塔得到升压。均压降操作步骤可设置一次或多次。均压降操作步骤标记为EnD，第一次均压降标记为E1D、第二次均压降标记为E2D，依此类推。

顺放：顺放操作就是顺着吸附塔吸附操作步骤的气体流向，从吸附塔吸附操作步骤的出口端的顺放气出口向外排出吸附塔中的气体，将吸附塔压力降到下一操作步骤如置换操作步骤、逆放操作步骤的操作压力。通过顺放操作，降低了吸附剂床层压力，不易吸附组分解吸，吸附剂床层中吸附相产品组分浓度提高。顺放操作步骤从吸附塔排出的气体称为顺放气。本发明的顺放气的全部或部分，可返回与新鲜原料气混合作为本套变压吸附气体分离装置的原料气。顺放操作步骤标记为PP。

置换：抽真空和逆放操作步骤获得的主要组成为吸附相组分的产品气，从吸附塔原料气入口端的置换气入口进入吸附塔，从吸附塔吸附操作步骤的出口端的置换废气出口流出。置换操作的目的是：利用吸附相产品组分含量较高的产品气置换吸附剂床层中的气体，提高吸附剂床层中吸附相产品组分的气体分压、降低吸附剂床层中不易吸附组分的分压，使不易吸附组分解吸，吸附相产品组分吸附，提高吸附剂床层中吸附相产品组分的浓度。置换操作步骤从吸附塔流出的气体称为置换废气。本发明的置换废气的全部或部分，经压缩升压后返回与新鲜原料气混合作为本套变压吸附气体分离装置的原料气。置换操作步骤标记为RP。

逆放：完成均压降、顺放、置换操作步骤的吸附塔，沿吸附塔吸附操作步骤气流方向相反的方向，从吸附塔原料气入口端的逆放气出口排出吸附剂床层中的气体，降低吸附塔的压力，使吸附在吸附剂表面上的组分解吸。本发明的逆放气可作产品。逆放操作步骤标记为D。

抽真空：用真空泵对吸附塔抽真空，进一步降低吸附剂床层的压力，使吸附在吸附剂表面上的组份进一步解吸。本发明的把抽真空获得的气体作为产品。抽真空操作步骤一般在逆放操作步骤之后进行。抽真空操作步骤标记为V。

均压升：抽真空操作步骤完成后的吸附塔，通过与处于均压降操作步骤的吸附塔直接连接，或与均压缓冲罐连接，实现升压，直至两台吸附塔的压力接近或相等，并回收从实施均压降操作步骤的吸附塔排出的气体中的有用组分。均压升操作步骤与均压降操作步骤相对应，可设置一次或多次。均压升操作步骤标记为EnR，与第一次均压降对应的均压升操作步骤标记为E1R、与第二次均压降对应的均压升操作步骤标记为E2R，依此类推。

最终升压：利用吸附塔吸附操作步骤从吸附塔流出的吸附废气或原料气对吸附塔进行升压，使之达到吸附操作压力。最终升压操作步骤标记为FR。

本发明的产品气通过逆放和抽真空两个操作步骤获得，如未设置逆放操作步骤，则产品气通过抽真空操作步骤获得。

本发明的产品的主要组成是一种或一种以上吸附相组份，所述吸附相组份包括但不限于一氧化碳、二氧化碳以及含有1至5个碳原子的烃类。

本发明实施吸附操作步骤时吸附塔的操作压力为绝压0.30MPa-6.1MPa；实施置换操作步骤时吸附塔的操作压力小于或等于实施吸附操作步骤时吸附塔的操作压力，且大于等于当地大气压。实施抽真空操作步骤时吸附塔的最低操作压力为绝压0.0005MPa-0.06MPa。

本发明的变压吸附气体分离装置的吸附塔内装填的固体吸附剂，包括但不限于活性炭、氧化铝、硅胶、分子筛、吸附树脂、载铜吸附剂。吸附塔内可以只装填一种固体吸附剂，也可以装填一种以上固体吸附剂。

产品的主要组成为吸附相组分的变压吸附气体分离装置，产品浓度越高，需要的置换气量越大，置换废气量也会越大，且置换废气中吸附相产品组分的浓度也越高。本发明的置换废气返回与新鲜原料气混合作为原料气，原料气中的吸附相产品组分的浓度比新鲜原料气高，而且置换废气量越大，混合后的原料气中吸附相产品组分的浓度也会越高。因此，单位体积吸附剂对原料气的处理能力会有所提高，所需要的吸附剂的数量不会随原料气流量的增加而成比例增加。

本发明对于确定的原料气组成和产品浓度要求，装置的新鲜原料气中的吸附相产品组分的回收率，与吸附废气中吸附相产品组分的浓度呈负相关关系。如置换废气、顺放气全部回收返回作为原料气，逆放气和抽真空气作为产品气，则没有进入产品的吸附相产品组分只有吸附废气一个出口，对于确定的原料气组成和产品浓度要求，装置的新鲜原料气中的吸附相产品组分的回收率，与吸附废气中吸附相产品组分的浓度有确定的负相关关系。如果置换气流量足够大，可使吸附废气中的附相产品组分的浓度足够低，就可以得到足够高的新鲜原料气中的吸附相产品组分的回收率。在实际实施时，可根据需要，通过设定适当的置换气流量、降低吸附废气中的吸附相产品组分的浓度，来获得较高的新鲜原料气中吸附相产品组分的回收率。

以PSA-CO即变压吸附提浓一氧化碳装置为例，置换废气和顺放气均经压缩升压后返回与新鲜原料气混合作为变压吸附气体分离装置原料气而得到回收，逆放气和抽真空气作为产品气，装置中没有进入产品的的CO只有吸附废气一个出口，CO的回收率就取决于吸附废气中的CO含量。如新鲜原料气中的CO含量为35％、要求产品中CO含量为98.5％,则当吸附废气中的CO含量为7.5％时，CO回收率为85.05％；当吸附废气中的CO含量为5.0％时，CO回收率为90.30％；如能控制吸附废气中的CO含量为2.5％，且置换气流量仍在经济范围，则可获得的CO回收率为95.28％。

利用本发明独特的回收置换废气工艺流程设置，由于可以不向外排放置换废气和顺放气，在装置原始开车时，可大幅降低取得合格产品的运行周期和运行过程中的物料消耗和能量消耗。

本发明的有益效果在于：不需使用其他用以分离回收置换废气和顺放气的分离装置，在一套变压吸附气体分离装置上，实现置换废气和顺放气的回收。与现有技术相比，流程简捷、投资少、能耗低、操作方便，不仅回收置换废气，还可回收顺放气，并可有效保证较高的新鲜原料气中吸附相产品组分的回收率。

附图说明

图1为本发明的技术方案流程框图。

图2为本发明实施例1的工艺流程示意图，其中A/B/C/D为4台吸附塔，1为逆放罐，2为真空罐，3为产品混合罐，4为置换废气缓冲罐，5为置换气缓冲罐，6为真空泵，7为置换气压缩机，8为产品气压缩机，9为返回气压缩机。

具体实施方式

实施例1

本实施例为从水煤气中分离回收一氧化碳的变压吸附分离装置，新鲜原料气流量500Nm³/h，吸附压力为表压0.25MPa，原料气温度40℃，新鲜原料气组成如表1所示：

表1新鲜原料气组成

本实施例变压吸附装置吸附塔容积为5m³，其中装填的吸附剂由上至下分别为分子筛、活性炭、活性氧化铝，其装填高度比例为4:1:1。装置由4台吸附塔、1台逆放罐、1台真空罐、3台真空泵、1台置换废气缓冲罐、1台产品混合罐、1台置换气缓冲罐、1台置换气压缩机、1台产品气压缩机、1台返回气压缩机以及相应的管道和程控阀连接而成。每台吸附塔在一个循环操作周期内依次经历吸附A、均压降ED、置换RP、逆放D、抽空V、均压升ER、最终升压FR等7个操作步骤，其程序运行时序、各操作步骤表压值见表2：

表2变压吸附工作时序表

变压吸附系统运行时，由计算机按一定程序控制各程控阀的开关。以吸附塔A为例，叙述各工艺操作步骤：

吸附A：开启程控阀KV1A和KV2A，原料气进入吸附塔A，以CO为主的易吸附组分在吸附剂表面上吸附，大部分未吸附的气体作为吸附废气通过程控阀KV2A自吸附塔A顶部流出。吸附操作步骤时间结束时，关闭阀KV1A和KV2A，终止吸附，此时原料气进入已完成最终升压操作步骤的另一吸附塔即吸附塔B进行吸附。

均压降ED：开启程控阀KV5A和KV5C，完成吸附操作步骤的吸附塔A与完成抽真空操作步骤的吸附塔C进行压力均衡，当两台吸附塔压力基本平衡后，关闭KV5A和KV5C，完成吸附塔A的均压降操作步骤。

置换RP：开启程控阀KV3A和KV4A，由逆放和抽真空获得的产品气经产品混合罐、置换气压缩机组、置换气缓冲罐进入吸附塔A，对完成均压降操作步骤的吸附塔A进行置换，以提高吸附剂床层吸附相组分即CO的浓度。置换废气通过阀KV4A从吸附塔A顶部流出，进入置换废气缓冲罐，再由返回气压缩机加压至0.3MPa与原料气混合重新进入系统。置换操作步骤时间结束时，关闭阀KV3A和KV4A，终止置换。

逆放D：开启程控阀KV6A、KV7和KV8，完成置换操作步骤的吸附塔A由底部排出气体，压力降低。逆放气经阀KV6A和KV7进入逆放罐，再经手动调节阀HV1、真空罐2、KV8、真空泵组进入产品气混合罐。当吸附塔A压力降至常压后，关闭KV7和KV8，逆放操作步骤完成。

抽真空V：完成逆放操作步骤后，继续开启KV6A，同时开启程控阀KV9，通过真空泵组对吸附塔A进行抽真空，真空泵组排出的气体与逆放气在产品气混合罐混合。抽真空进一步降低吸附塔A的压力，使吸附在吸附剂表面上的吸附相产品组分CO充分解吸，获得产品，完成吸附剂再生。产品气混合罐中的气体一部分作为产品气经产品气压缩机加压后输出，一部分作为置换气经置换气压缩机加压后返回系统。抽真空操作步骤完成后，关闭KV6A和KV9。

均压升ER：完成抽真空操作步骤后，开启程控阀KV5A和KV5C，吸附塔A与完成吸附操作步骤的吸附塔C进行压力均衡，两塔压力基本相等时，关闭阀KV5C，完成吸附塔A的均压升。

最终升压FR：完成均压升操作步骤后，继续开启阀KV5A，通过手动调节阀HV2，利用吸附废气对完成均压升操作步骤的吸附塔A进行升压，使之达到吸附压力，准备进入下一周期的吸附操作步骤。

至此，吸附塔A在一个循环操作周期内的所有操作步骤均执行完毕，紧接着进入下一循环操作周期。其他3台吸附塔所执行的操作步骤与吸附塔A相同，只是在时间上按设定好的操作时序相互错开。

每台吸附塔的压力随操作步骤的更替呈周期性变化。如根据实际操作情况对吸附压力进行调整，则其他操作步骤压力也会相应发生变化。

本实施例的产品组成如表3所示：

表3产品气组成

本实施例吸附废气中的CO含量为7.55％，新鲜原料气中CO的回收率达到85％。而相同装置水平、相同的操作条件下，如不回收置换废气，新鲜原料气中CO的回收率仅为66％。

实施例2

本实施例为经变换、脱除二氧化碳后的焦炉煤气提浓甲烷装置，焦炉煤气流量42000Nm³/h，吸附压力为表压0.95MPa，原料气温度30℃，新鲜原料气组成如表4所示：

表4新鲜原料气组成

本实施例中吸附塔的容积为90m³米，其中装填的吸附剂主要为活性氧化铝和活性炭，装置由8台吸附塔、2台逆放罐、2台产品混合罐、1台置换废气缓冲罐、1台中间罐、1台置换气缓冲罐、真空泵组、产品气压缩机、置换气压缩机、返回气压缩机以及相应的管道和程控阀连接而成。每台吸附塔在一个循环操作周期内依次经历吸附A、一均降E1D、二均降E2D、三均降E3D、顺放PP、置换RP、逆放D、抽空V、三均升E3R、二均升E2R、一均升E1R、最终升压FR等12个操作步骤，其程序运行时序见表5：

表5变压吸附工作时序表

本实施例中，吸附塔A与实施例1中吸附塔A的操作步骤的不同之处在于，本实施例中均压降、均压升各均为3次，其中一均降E1D由完成吸附操作步骤的吸附塔A与完成二均升E2R的吸附塔D进行均压，二均降E2D由完成一均降的吸附塔A与中间罐进行均压，三均降由完成二均降的吸附塔A与完成抽空吸附塔E进行均压。另外，设置有顺放操作，顺放气进入顺放罐与置换废气一起经压缩机加压后与新鲜原料气混合重新进入系统作为原料气。本实施例与实施例1的其余工艺操作步骤过程基本相同，故不再详细叙述。

吸附塔A在一个循环操作周期内的所有操作步骤均执行完毕后，紧接着进入下一循环操作周期。其他7台吸附塔所执行的工艺操作步骤与吸附塔A相同，但在时间上按设定好的操作时序相互错开。

本实施例的产品组成如表6所示：

表6产品气组成

本实施例吸附废气中的甲烷含量为4.34％，新鲜原料气中甲烷的回收率达到88％。而相同装置水平、相同的操作条件下，如不回收置换废气和顺放气，原料气中甲烷的回收率仅为70％。

Claims (7)

1.一种回收置换废气和顺放气的变压吸附气体分离方法，包括将变压吸附气体分离装置置换操作步骤从吸附塔流出的置换废气的全部或部分，经压缩升压后返回与新鲜原料气混合作为变压吸附气体分离装置的原料气的步骤；以及可选的将顺放操作步骤从吸附塔排出的顺放气的全部或部分，经压缩升压后返回与新鲜原料气混合作为变压吸附气体分离装置的原料气的步骤。

2.如权利要求1所述的方法，其中变压吸附气体分离装置设置4台以上的装填有固体吸附剂的吸附塔，多台吸附塔交替切换、循环操作。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中每台吸附塔在一个循环操作周期内的操作步骤必须包括吸附、置换、抽真空。

4.如权利要求1-3任一项所述的方法，其中每台吸附塔在一个循环操作周期内的操作步骤还包括均压降、顺放、逆放、均压升、最终升压。

5.如权利要求1-4任一项所述的方法，其中产品的主要组成是一种以上吸附相组分，所述吸附相组分选自一氧化碳、二氧化碳或含有1至5个碳原子的烃类。

6.如权利要求1所述的方法，其中实施吸附操作步骤时吸附塔的操作压力为绝压0.30MPa-6.10MPa；实施置换操作步骤时吸附塔的操作压力小于或等于实施吸附操作步骤时吸附塔的操作压力，且大于等于当地大气压；实施抽真空操作步骤时吸附塔的最低操作压力为绝压0.0005MPa-0.04MPa。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述吸附塔内装填的固体吸附剂选自活性炭、氧化铝、硅胶、分子筛、吸附树脂、载铜吸附剂中的至少一种或几种。