[发明专利]含氢气、硫化氢的多组分气体的两步法变压吸附分离方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种含氢气、硫化氢的多组分气体的两步法变压吸附分离方法，原料气经过第一变压吸附部分得到一个脱除硫化氢的第一净化气和一个富含硫化氢的的第一吸附剂床层再生排放气，第一净化气经过第二变压吸附部分得到一个由高纯度氢气组成的第二净化气和一个硫化氢浓度低、二氧化碳浓度高、含有可燃气体的第二吸附剂床层再生排放气；特别地讲本发明涉及一种荒煤气低温变换生成气两步法变压吸附分离工艺，第一吸附剂床层再生排放气易于进一步脱硫化氢，第二吸附剂床层再生排放气适合于用作酚钠分解制备粗酚过程用二氧化碳气源并用作低硫化氢燃料气。

背景技术

众所周知，煤炭化制取半焦(兰炭)过程产生荒煤气和中低温煤焦油，由于煤组成、兰炭产品指标和煤热解温度在一定范围内变化，荒煤气组成也在一定范围内变化，典型的荒煤气组成见表1、表2。本发明所述荒煤气，主要指的是来自上述过程的荒煤气。本发明所述荒煤气，通常是指来自煤热解过程或其它过程的由硫化氢、氢气、一氧化碳、氮气、二氧化碳、常规气体烃和其它组分(比如氧气、焦油)组成的气体，其温度通常为常温、压力为微正压，由于煤热解过程固有的进料不稳定特点，荒煤气组分浓度在一定范围内波动。

近年来，随着原油价格的一路攀升，成品油价格也一路攀升，煤焦油馏分油加氢改质转化为成品油替代品的行业正逐步兴起，煤焦油馏分油加氢改质装置的建设套数、原料油加工规模正处于上升历史阶段，装置地域分布广度正逐步扩大。由于煤焦油馏分油加氢改质过程氢气耗量巨大，采用荒煤气制氢工艺时，为了延长一氧化碳变换催化剂寿命、提高PSA变压吸附提氢吸附剂效率等目的，进入变换过程的反应器之前，需要将荒煤气中的焦油等杂质脱出；为了控制产品氢气氧含量和控制变换过程催化剂床层温升，一氧化碳变换反应前通常完成氧气脱除及有机硫转化；为了提高氢气产率，多数场合需要变换荒煤气中一氧化碳造氢；经此过程得到的变换反应流出物通常经冷凝冷却脱水后用作变压吸附提氢原料气F，典型的原料气F的体积含量见表1、表2，含有氢气、水和硫化氢，具有无尘、有机硫含量低、二氧化碳浓度高、氮气含量高、炭三及其更多炭数烃含量低的特点。

自原料气F获得高纯度氢气的常规变压吸附提氢工艺，目标是将原料气F中的氢气组分与非氢组分(水、硫化氢、炭三、炭二、二氧化碳、甲烷、一氧化碳、氮气等)分离得到一个氢气产品和一个解吸气产品，根据非氢组分浓度和其在吸附剂表面吸附力强弱的差异，有选择的组合一个由多种吸附剂串联分层组装的吸附床床层，将吸附床床层设置在一个吸附塔内，吸附工况时，原料气F经过该组合吸附剂床层，氢气组分穿过吸附剂床层成为高纯度氢气产品，具有流程简单、投资低的优点。对于表1、表2所列原料气，原料气F由下向上穿过组合吸附剂床层，组合吸附剂床层各层(层数由下向上排序增加)的吸附剂种类通常如下：

①底部1层(底层)，吸附剂为活性氧化铝，主要用于吸附水分；

②底部2层，吸附剂为硅胶，主要用于吸附硫化氢；

③底部3层，吸附剂为活性炭，主要用于吸附硫化氢、非甲烷烃、二氧化碳、甲烷；

④底部4层(上层)，吸附剂为分子筛，主要用于吸附甲烷、一氧化碳、氮气。

组合吸附剂床层可能会使用其它填充物层如一氧化碳专用吸附剂层、吸附剂床层顶部用压实物层(如瓷球层)。

吸附是指：当两种相态不同的物质接触时，其中密度较低物质的分子在密度较高的物质表面被富集的现象和过程。具有吸附作用的物质(一般为密度相对较大的多孔固体)被称为吸附剂，被吸附的物质(一般为密度相对较小的气体或液体)称为吸附质。吸附按其性质的不同可分为四大类，即：化学吸附、活性吸附、毛细管凝缩和物理吸附。变压吸附(PSA)气体分离装置中的吸附主要为物理吸附。物理吸附是指依靠吸附剂与吸附质分子间的分子力(包括范德华力和电磁力)进行的吸附。其特点是：吸附过程中没有化学反应，吸附过程进行的极快，参与吸附的各相物质间的动态平衡在瞬间即可完成，并且这种吸附是完全可逆的。变压吸附气体分离工艺过程之所以得以实现是由于吸附剂在这种物理吸附中所具有的两个基本性质：一是对不同组分的吸附能力不同，二是吸附质在吸附剂上的吸附容量随吸附质的分压上升而增加，随吸附温度的上升而下降。利用吸附剂的第一个性质，可实现对混合气体中某些组分的优先吸附而使其它组分得以提纯；利用吸附剂的第二个性质，可实现吸附剂在低温、高压下吸附而在高温、低压下解吸再生，从而构成吸附剂的吸附与再生循环，达到连续分离气体的目的。