[发明专利]一种辅床回热变温吸附系统及工艺

说明书

本发明提供一种辅床回热变温吸附系统及工艺，属于气体纯化技术领域。该系统包括一个以上的组，每个组内设置主床、辅床，原料管线、排气管线、回热管线连接辅床，集气管线和吹扫管线连接主床，吹扫管线上设置加热器。原料气通过原料管线进入每一个组，每个组均重复执行吸附步骤、回热步骤、加热步骤和冷却步骤的循环。本发明在保证产品气纯度合格的前提下，可实现变温吸附工艺的余热回收自利用，如若在钢铁行业的空气纯化系统中推广应用，预计可使整个钢铁行业节能0.5％左右，具有重大节能意义。

技术领域

本发明涉及气体纯化技术领域，特别是指一种辅床回热变温吸附系统及工艺。

背景技术

气体纯化过程是冶金、能源、化工、环保等领域中一种常见的原料气处理过程，例如气体污染物脱除、原料空气纯化、以及原料天然气干燥等，其主要目的是将原料气中的杂质(水蒸气、二氧化碳、乙炔、二氧化氮、一氧化碳、硫化氢、挥发性有机化合物等)脱除至痕量水平，获得纯度达标的产品气，由此避免因杂质造成的环境污染、管道冻结堵塞、材料腐蚀、爆炸等危害，保证后续使用或工序的顺利进行。

变温吸附工艺是一种常用的气体纯化工艺，该工艺是通过吸附床实现的，其中吸附床具有进料端和出料端，吸附床内填充有特定厚度的吸附剂。变温吸附工艺的纯化原理为：在工作模式下，原料气持续通入吸附床进行杂质吸附并变为产品气，并且在到达预定时间后停止通入原料气，吸附床切换至再生模式进行再生，以便其重复使用，从而使得吸附床在工作和再生这两种模式下交替运行。为了连续获得产品气，现有技术的纯化系统一般并联两个吸附床以便切换使用，例如目前普遍采用的双床变温吸附空气纯化系统。

工作模式中，吸附床主要经历一个步骤：吸附步骤，将原料气通入吸附床的进料端以便进行气固接触，经过吸附剂对原料气中的杂质进行选择性吸附之后，从吸附床的出料端获得不含杂质的产品气。常用吸附剂有分子筛、氧化铝、硅胶和活性炭等。吸附过程具有热效应，吸附时会放出热量，而脱附时则需要吸收热量。吸附剂的吸附容量随温度上升而降低，因此，为保证吸附剂的吸附容量，吸附过程一般在常温下进行。吸附过程中，吸附剂床层中会形成杂质的浓度前沿，它还会沿着原料气的流通方向不断向前推进。在吸附步骤结束时刻，按照沿着床层厚度方向的杂质浓度分布不同，床层可划分为三个区域。进料端附近的床层称为“饱和区”，该区内的吸附剂与杂质充分接触，床层中杂质浓度基本接近原料气的杂质浓度，床层内吸附剂的吸附量接近其饱和吸附量；出料端附近的床层被称为“未用区”，该区内的吸附剂在循环过程中始终未与杂质接触，可视为未使用的洁净床，“未用区”的存在保证了产品气的纯度；“饱和区”和“未用区”之间的床层称为“传质区”，因传质速率有限，该区内的床层中具有一个“∫”形的杂质浓度变化曲线。当到达转效点或预定时间之后，需要对吸附床或者说吸附剂进行再生，以便其重复使用，即吸附床切换至再生模式。

再生模式中，吸附床经历的步骤包括加热步骤、冷却步骤以及其他步骤。其中主要步骤为加热步骤和冷却步骤，除此之外，因实际需要，吸附床还可能经历其它步骤，例如：改变吸附床内部压力的增压步骤和减压步骤，因为在某些实例中，吸附床需要在高压下吸附但在常压下进行再生，所以再生之前需进行减压操作，并在吸附之前增压；吸附床还常常经历一种仅为了满足时间安排但不具实质操作的等待步骤，主要指在某功能性步骤结束之后，吸附床进入一种维持现状的封闭等待状态。下面详细介绍再生模式的两个主要步骤：一、加热步骤，加热吸附剂以便脱附其所吸附的杂质；二、冷却步骤，冷却吸附剂以便恢复其吸附能力。上述两个主要步骤是通过向吸附床内通入不同温度的吹扫气实现的，即沿原料气的流通方向的相反方向把吹扫气通入吸附床的出料端。吹扫气采用不含杂质的气体，通常来源于吸附床的产品气或其下游设备的产品气。为节约热量投入，目前普遍采用“热脉冲”法对吸附床进行再生，即在整个吸附床(所有吸附剂)升温至热吹温度之前便结束热吹转而开始进行冷吹，上述加热和冷却步骤的时间比例须通过合理设计来确定。