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08

2024

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变压吸附(PSA)提纯氢气工艺


在众多清洁能源中,氢气作为一种清洁无碳、灵活高效的新型能源,氢能具有良好的发展前景,其既可作为能源直接使用,还可以充当载体在化学能和电能之间进行清洁高效的转换,这种灵活性使氢能具有巨大的潜力。氢气具有特殊的物理性质,因此无法从自然界直接获取,目前制氢原料主要来自化石能源、水以及工业尾气等。

 

随着化工技术的不断发展,研究人员提出了多种制氢方法,如 天然气制氢、甲醇制氢、焦炉煤气制氢、电解水制氢,其制得氢气的纯度分别为 70%~80%、73%~ 75%、55%~60%、99.500%~99.999%,主要杂质气 体 分 别 为 CH4/CO/CO2/N2、CH3OH/CO/CO2/H2O、CH4/CO/CO2/N2、O2/H2O氢原料气通常经提纯后使用,氢气纯度根据应 用场合的要求来选择,目前通常采用吸附分离技术去除氢气中杂质。提纯氢气主要有三种工艺,即变压吸附(PSA)、低温精馏和膜分离,其中 PSA 制 氢技术具有成本低、能耗小、效率高的特点,在工业制氢方面前景良好 。PSA 技术根据吸附剂在不 同压力条件下对不同气体组分选择吸附能力的差 异,在相对高的压力下进行吸附,在低压下解吸,实 现 气 体 的 分 离 和 提 纯 。

 

PSA 制氢工艺概述  

PSA 工艺主要分为真空变压吸附(VPSA)和快 速变压吸附(RPSA)。PSA 循环通常包括吸附、均 压、逆放、再生(真空)、终充等步骤。VPSA 在逆放 后 增 加 抽 真 空 步 骤 ,提 升 吸 附 质 解 吸 再 生 效 果 ; RPSA 采用更高的压力变化速率和更短的循环时间,以实现更快的吸附和解吸速度。因此,需要吸 附剂具备高吸附容量、快速吸附/解吸性能。研究采用活性炭和 5A 分子筛为吸附剂,对六塔 RPSA 工艺制氢过程进行模拟分析,探究了进料流 量、冲洗流量比以及吸附剂装填高度比对 RPSA 性 能的影响。结果表明,RPSA 工艺氢气产率高,但回 收率较低,需要搭配能够快速吸附/解吸的吸附剂 才能避免资源浪费。此外,影响 PSA 制氢性能的工 艺变量还有进料时间、进气压力、吸附时间、吹扫时 间和吸附床数量等。

吸附剂的选择

吸附剂的选择对 PSA 制氢的性能至关重要,目 前常用的吸附剂有沸石、活性炭、碳分子筛(CMS)、 金属有机框架(MOFs)和活性氧化铝。PSA 制氢吸 附剂的特点及吸附特性见表 2 。根据吸附剂对不 同气体组分的选择性,研究人员经常将多种吸附剂 作为层状床填充吸附剂,以便处理复杂的原料气,如 用沸石吸收 CO、N2,用活性炭吸收 CO2、CH4

PSA制氢工业应用

近年来,我国PSA制氢技术日渐成熟。例如,西南化工研究设计院已建成超过1000套PSA提纯氢气工业装置,在PSA制氢领域处于领先地位,为大型炼化、现代煤化工及氢能产业的发展提供了有力支撑。PSA技术可应用在分布式制氢加氢一体化装置。

PSA 制氢具有广阔的应用前景,未来会沿着高效 率、低能耗、智能化、新材料的方向发展。

 

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