[发明专利]一种利用变压吸附法从水煤气中分离并提纯氢气的方法

摘要

本发明涉及一种利用变压吸附法从水煤气中分离并提纯氢气的方法，原料气依次经过PSA-1脱碳工序、PSA-2提纯CO工序、PSA-3提纯H2工序，主要有一段吸附塔T1ABCDEF六个吸附床、二段吸附塔T2ABCDEFG七个吸附床和三段吸附塔T3ABCDEFGH八个吸附床。本发明用PSA-3提纯H2工序的逆放气作为PSA-1脱碳工序的外吹气，提高氢气得率3％左右；六床PSA-1回收顺放气到原料气压缩机入口循环提纯，减少脱碳工序有效组分损失；七床PSA-2工艺产品气中甲烷含量降低到0，产品CO得率提高到80％以上。

主权项

一种利用变压吸附法从水煤气中分离并提纯氢气的方法，原料气依次经过PSA‑1脱碳工序、PSA‑2提纯CO工序、PSA‑3提纯H2工序，包括：a)第一步是PSA‑1脱碳工序，主要有一段吸附塔T1ABCDEF六个吸附床和原料气缓冲罐V1、顺放罐V2、脱炭逆放罐V3、脱炭解吸气罐V4、真空泵P1，从原料气缓冲罐V1来的气体自下而上通过吸附床，脱碳专用吸附剂在一定吸附压力下吸附杂质，并随着压降、顺放、逆放和抽真空的步骤从吸附剂上解析下来，实现吸附剂的再生，半产品气多数穿过吸附床层送至下工序，每个吸附塔在一个周期中需经历吸附、一次均压降压、二次均压降压、逆向放压、抽空、一次均压充压、二次均压充压、终充压等步骤，其中吸附塔T1A的吸附、再生步骤为：(i)吸附(A)：原料气在0.5～1.2MPa压力下通过塔底相应程控阀门进入到吸附塔T1A内，其中的CO2、H2O、H2S、CH4被吸附在吸附剂上，未被吸附的H2、CO、N2组分从吸附塔顶经过相应程控阀门流出，去下工序，当吸附进行到预定的吸附时间后，相应程控阀门关闭，吸附步骤结束，吸附塔转入到下一操作步骤，(ii)一次均压降压(ED1)：选择性关闭、打开相应程控阀门，吸附塔T1A中的气体进入到处于较低压力的吸附塔T1D，T1A的压力降低，同时T1D升压，均压结束后两吸附塔压力接近，(iii)二次均压降压(ED2)：继续选择性打开相应程控阀门，T1A中的气体进入到吸附塔T1E，T1A的压力继续降低，同时T1E升压，均压结束后两个吸附塔压力接近，(iv)顺放(P)：选择性打开、关闭相应程控阀门，T1A中气体去顺放罐V2，(v)逆放1(BD1)：选择性打开、关闭相应程控阀门，T1A的压力降压，气体通过脱炭逆放罐V3流出，(vi)逆放2(BD2)：选择性打开、关闭相应程控阀门，继续使T1A的压力降压，并跨过脱炭逆放罐V3直接流出至火炬系统，(vii)抽空(V)：选择性打开、关闭相应程控阀门，用真空泵P1对T1A进行抽真空，进一步降低T1A压力，使吸附剂彻底解吸，(viii)一次均压充压(ER2)：选择性打开、关闭相应程控阀门，T1A同刚完成第一均压步骤的吸附塔T1C进行均压，均压结束后两吸附塔的压力基本相同，(ix)二次均压充压(ER1)：选择性打开、关闭相应程控阀门，吸附塔T1D内的气体进入到T1A内，T1A的压力升高，同时使T1D压力下降，均压结束后两吸附塔压力基本相同，(x)终充压(FR)：选择性打开、关闭相应程控阀门，吸附尾气进入到T1A逆向充压至吸附压力，终充压结束时T1A的压力接近吸附压力，准备开始下一循环，至此，吸附塔T1A完成了吸附‑解吸再生过程，其它吸附塔和T1A塔操作步骤相同，只是在操作时间上相互错开，实现了原料气的连续进入和半产品气的连续输出；b)第二步是PSA‑2提纯CO工序，主要有二段吸附塔T2ABCDEFG七个吸附床和原料气缓冲罐V5、逆放罐V6、置换气罐V7、CO产品气罐V8、真空泵P2，专有Cu+吸附剂在一定吸附压力下，选择吸附CO组分，再通过顺放、置换将其他杂质去除，提高CO的纯度至产品要求，然后通过逆放和抽真空步骤得到产品，并实现吸附剂的再生，任何时刻都有两个吸附塔处在吸附状态，每台吸附塔都依次经历吸附、一次均压降、二次均压降、顺放、置换冲洗、一次逆放、二次逆放、抽真空、一次均压升、预吸附、二次均压升和终充压步骤后完成一次循环，其中T2A的吸附、再生步骤为：(i)吸附(A)：原料气缓冲罐V5中的半产品气在0.5～1.2MPa压力下通过塔底相应程控阀门进入到吸附塔T2A，专用Cu+吸附剂快速吸附CO，未被吸附的N2、H2等及少量CO作为吸附尾气流出吸附塔冷却后去下工序，(ii)一次均压降压(ED1)：选择性打开、关闭相应程控阀门，吸附塔T2A中的气体进入到T2D，降低T2A的压力，均压结束后T2A和T2D的压力相同，(iii)二次均压降压(ED2)：选择性打开、关闭相应程控阀门，T2A中气体从底部对T2E塔进行均压，使两塔压力相等，(iv)顺放(P)：选择性打开、关闭相应程控阀门，使T2A塔顺向放出的气体经过T2E塔后，经相应程控阀门流出至逆放罐V6，(v)置换冲洗(C)：选择性打开、关闭相应程控阀门，从置换气罐V7来的置换气，由T2A塔底部导入，在0.1～0.5MPa压力下，对T2A塔进行顺向置换冲洗，置换冲洗排放气仍按上一步骤路线排出，置换结束，关闭相应程控阀门，此时T2A内气体的CO纯度已经满足产品要求，(vi)一次逆向放压(BD1)：选择性打开、关闭相应程控阀门，T2A内的CO放入逆放罐V6，(vii)二次逆向放压(BD2)：选择性打开、关闭相应程控阀门，T2A逆放气直接进入到CO产品气罐V8，最终T2A和V2C压力基本平衡在0.01～0.08MPa，(viii)抽真空(V)：选择性打开、关闭相应程控阀门，用真空泵P2对T2A抽真空，使专用Cu+吸附剂再生，抽出的即是产品CO，抽真空结束时，吸附塔压力应达到‑0.01～‑0.09MPa，(ix)一次均压充压(ER2)：选择性打开、关闭相应程控阀门，吸附塔T2D顺向放出的气体进入到T2A，T2A和T2D压力相等，(x)预吸附(PP)：选择性打开、关闭相应程控阀门，来自T2D塔的顺向放压气和置换冲洗排放气在T2A塔进行预吸附，以回收CO组份，预吸附尾气通过相应程控阀门排出，(I)二次均压充压(ER1)：选择性打开、关闭相应程控阀门，将T2E中的气体流入吸附塔T2A，均压结束后两者的压力相同，(II)终充压(FR)：选择性打开、关闭相应程控阀门，吸附尾气对T2A塔进行逆向充压，使T2A塔压力接近吸附压力，至此，吸附塔T2A完成了吸附‑解吸再生过程，其它吸附塔和T2A塔操作步骤相同，只是在操作时间上相互错开，实现了原料气的连续进入和CO产品气的连续输出；c)第三步是PSA‑3提纯H2工序，包括三段吸附塔T3ABCDEFGH八个吸附床和原料气缓冲罐V9、产品氢气缓冲罐V10、制氢冲洗气缓冲罐V11、制氢解吸气缓冲罐V12，在一个周期中，每台吸附塔均须经历：吸附、均压降、顺放、逆放、冲洗、均压升和终充压等步骤，其中T3A的吸附、再生步骤为：(i)吸附(A)：选择性打开、关闭相应程控阀门，使原料气缓冲罐V9的制氢原料气从塔底进入T3A塔，其它各种杂质组分被多种吸附剂依次吸附下来，未被吸附的H2则作为产品气从塔顶排出进入产品氢气缓冲罐V10，(ii)一次均压降压(ED1)：选择性打开、关闭相应程控阀门，T3A中的气体进入到T3D，降低T3A的压力，均压结束后两吸附塔的压力相同，(iii)二次均压降压(ED2)：选择性打开、关闭相应程控阀门，T3A中的气体进入到T3E，降低T3A的压力，均压结束后两吸附塔的压力相同，(iv)三次均压降压(ED3)：选择性打开、关闭相应程控阀门，吸附塔T3A中的气体进入到T3F，降低T3A的压力，均压结束后两吸附塔的压力相同，(v)四次均压降压(ED4)：选择性打开、关闭相应程控阀门，T3A中的气体进入到T3G，降低T3A的压力，均压结束后两吸附塔的压力相同，(vi)五次均压降压(ED5)：选择性打开、关闭相应程控阀门，T3A中的气体进入到T3H，降低T3A的压力，均压结束后两吸附塔的压力相同，(vii)顺放(PP)：选择性打开、关闭相应程控阀门，将吸附塔T3A气体流入制氢冲洗气缓冲罐V11，吸附塔压力进一步降低，顺放气作为相应吸附塔的冲洗气，(viii)一次逆向放压(BD1)：选择性打开、关闭相应程控阀门，使T3A内的被吸附气体放入制氢解吸气缓冲罐V12，(ix)二次逆向放压(BD2)：选择性打开、关闭相应程控阀门，使T3A内的被吸附气体跨过制氢解吸气缓冲罐V12直接放到火炬系统，(x)一次冲洗(P1)：选择性打开、关闭相应程控阀门，使制氢冲洗气缓冲罐V11储存的气体流入T3A，并通过相应程控阀门直接放到火炬系统，(I)二次冲洗(P2)：选择性打开、关闭相应程控阀门，使产品氢气流入T3A，并通过相应程控阀门直接放到火炬系统，使吸附剂获得较为彻底的再生，(II)一次均压充压(ER5)：选择性打开、关闭相应程控阀门，吸附塔T3B顺向放出的气体进入到T3A，充压结束时，T3A和T3B压力相等，(III)二次均压充压(ER4)：选择性打开、关闭相应程控阀门，吸附塔T3C顺向放出的气体进入到T3A，充压结束时，T3A和T3C压力相等，(IV)三次均压充压(ER3)：选择性打开、关闭相应程控阀门，吸附塔T3D顺向放出的气体进入到T3A，充压结束时，T3A和T3D压力相等，(V)四次均压充压(ER2)：选择性打开、关闭相应程控阀门，吸附塔T3E顺向放出的气体进入到T3A，充压结束时，T3A和T3E压力相等，(VI)五次均压充压(ER1)：选择性打开、关闭相应程控阀门，吸附塔T3F顺向放出的气体进入到T3A，充压结束时，T3A和T3F压力相等，(VII)终充压(FR)：选择性打开、关闭相应程控阀门，吸附尾气对T3A塔进行逆向充压，使T3A压力接近吸附压力，至此，吸附塔T3A完成了吸附‑解吸再生过程，其它吸附塔和T3A塔操作步骤相同，只是在操作时间上相互错开，实现了原料气的连续进入和产品氢气的连续输出。