濃縮和提純高爐氣中一氧化碳的變壓吸附工藝的製作方法
2023-05-25 17:58:51 1
專利名稱：濃縮和提純高爐氣中一氧化碳的變壓吸附工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種採用催化吸附劑將含氮的一氧化碳多組分混合高爐氣體以及石油和化工等工業中具有類似混合氣體進行分離、濃縮和提純的工藝過程，使其中一氧化碳和氮氣分開，分別製得一氧化碳和氮氣，在此同時得到副產二氧化碳。
在鋼鐵廠的高爐氣中，主要含有二氧化碳、一氧化碳和氮氣，這三種氣體的典型組成是(體積百分數)二氧化碳10-20％、一氧化碳20-30％和氮氣50-65％，另外還有少量的氫氣、硫化氫、氧氣、碳氫化合物和飽和水份。它的熱值只有2527-3790K J/NM3，不能進行有效利用，若將一氧化碳進行濃縮，則可大大提高氣體的熱值。當一氧化碳被濃縮到70％(體積)，則熱值為8845K J/NM3。這三種氣體工業上都有著廣泛的用途，因此對它們進行分離加以利用，是處理高爐尾氣所面臨的問題。解決這問題的關鍵是要有合適的方法來分離一氧化碳和氮氣，因為從一氧化碳和氮氣中分離提取二氧化碳，已有成熟的方法，可使用合適的吸附劑和過程，如採用活性炭和炭分子篩的變壓吸附過程。
本發明目的是針對處理含氮氣體的一氧化碳存在的不足之處提供一種濃縮和提純高爐氣體中一氧化碳的變壓吸附工藝，採用催化吸附劑通過變壓吸附方式實現從高爐尾氣中分離回收純一氧化碳和氮氣，包括設置的前置變壓吸附工序脫除或回收提純二氧化碳。
濃縮和提純高爐氣中一氧化碳的變壓吸附工藝是採取以下方案實現的變壓吸附工藝分離回收純一氧化碳和氮氣的基本過程是在一吸附壓力和環境溫度下，利用催化吸附劑對一氧化碳具有很強吸附能力，使高爐尾氣中的一氧化碳和氮氣在通過裝填有催化吸附劑床層一氧化碳被吸附下來並回收，脫除一氧化碳的氮氣產品從床層出口排出。
本發明採用的催化吸附劑是由本專利申請人96.12.20申請的「含氮氣中一氧化碳淨化催化劑及過程」中的催化吸附劑(專利申請號為96117226.6)。該吸附劑由氯化銅、活性炭、天然優質凹凸棒土和混合稀土氯化物為原料，經浸漬或和混合，再加工成型的催化劑顆粒，在0～55℃的溫度中，用於淨化含氮氣體中微量的一氧化碳。
催化吸附劑採用以下方法製備(微量一氧化碳淨化催化劑)(1)製備氯化銅和混合氯化稀土的水溶液或氯化銅和混合氯化稀土粉末；(2)將粉狀活性炭放入上述水溶液中浸漬或與上述粉末混合；(3)對於採用浸漬法製備的情況，分離液固混合物、乾燥所得的固體混合物；(4)所得的固體混合物與優質凹凸棒土混合後成型；(5)加熱、乾燥所得的成型混合物1-5小時，合適的溫度是100℃和400℃；(6)在還原氣體中對所得的成型混合物進行還原處理，合適的還原氣氛為氫氣或/和一氧化碳的氣體，溫度為120～380℃，得微量一氧化碳淨化催化劑(催化吸附劑)。
作為適用於本發明的鋼鐵廠高爐氣或類似含氮一氧化碳混合氣體，一般除了一氧化碳和氮氣之外，還含有二氧化碳和少量的氫氣，硫化物，氧氣，碳氫化物和飽和水份。因此在使用本發明分離回收一氧化碳和氮氣之前，需設置幾個前置工序，脫除會影響催化吸附劑吸附一氧化碳的某些雜質組份，如脫除硫化物和水份的工序，但少量的氧氣可不必脫除。混合氣體中二氧化碳的存在會影響催化吸附劑吸附一氧化碳的吸附能力和純度。本發明中，前置一個變壓吸附過程，用來脫除二氧化碳，或吸附二氧化碳，由此得到濃縮或純的二氧化碳，這可視需要而定。如需純二氧化碳的場合，在變壓吸附過程中，有一用產品的二氧化碳去置換吸附劑床層的步驟，以提高產品二氧化碳的濃度，而二氧化碳是通過真空減壓得到的。在變壓吸附脫除或濃縮提純二氧化碳的過程中，吸附劑碳分子篩和活性炭能較好地滿足過程的要求，而此過程是由高爐氣或類似混合氣濃縮或提純一氧化碳所不可分的工藝。
經前置處理脫除雜質、二氧化碳的高爐氣或類似含氮的一氧化碳混合氣體，採用若干個裝填有催化吸附劑的固定床吸附器通過變壓吸附方式來進行濃縮提純一氧化碳，若干個吸附器採用變壓吸附方式按順序分別反覆進行下面的各步操作工藝1．吸附原料氣進入裝有催化吸附劑固定床進行一氧化碳吸附，吸附溫度0～55℃，吸附壓力為0.04～0.7MPa(表壓)，當一氧化碳的吸附相濃度前沿移到床層某一位置時，就停止吸附，而此時流出的氣體是不含有一氧化碳的氮氣組份，以及少量的氧氣；2．多步減壓吸附工序結束完成後，接著進行的是多步降壓工序，首先把該吸附器與另一個經過真空脫氣或已經過升壓(Ⅰ)的吸附器連接，在與吸附時氣流流向相同的情況下，使該吸附器的壓力降至某一較低的壓力；3．經並流降壓的吸附器進一步降低壓力至常壓左右，此部分氣體可用於經真空脫氣的吸附器升壓(Ⅰ)，在採用較低的吸附壓力時，則經上面一步降壓步驟，吸附器內的壓力已較低，可沒有此第二步均壓步驟；4．清洗利用一部分產品一氧化碳氣並流通過降至常壓的吸附器，置換清洗吸附器內殘留的雜質氣體，進一步提高吸附床層內一氧化碳的濃度，如需要得到濃縮的一氧化碳，可以不採用此步驟，以提高產量；5．真空脫附對降至常壓的吸附器進行真空減壓，使吸附劑上吸附的一氧化碳得以脫附，回收脫附的一氧化碳，得到產品；6．將經真空脫附後的吸附器同已完成吸附步驟的吸附器連通起來，進行吸附器的升壓(Ⅰ)步驟；7．多步升壓對經升壓(Ⅰ)步驟的吸附器進行升壓(Ⅱ)步驟，如吸附壓力較高(吸附壓力大於0.2MPa)，可用處於降壓步驟的吸附器的氣體來實現升壓(Ⅱ)步驟；當過程是用來提純一氧化碳，此步驟可用其它吸附器在清洗時的廢氣來完成；當吸附壓力較低(吸附壓力不大於0.1MPa)，且過程是用來濃縮一氧化碳，則可去掉此步驟；8．利用其它吸附器在吸附時排放氣進行吸附升壓(Ⅲ)步驟。
這樣各個吸附器通過依次反覆進行上述步驟的操作工藝，即可實現連續地濃縮或提純一氧化碳。
濃縮和提純高爐氣中一氧化碳的變壓吸附工藝，採用對含氮氣中一氧化碳具有高選擇性的催化劑吸附劑，在0～55℃的溫度及0.04～0.7MPa(表壓)的壓力下，鋼鐵廠高爐氣經變壓吸附過程，濃縮提純一氧化碳氣體，同時得到濃縮提純的氮氣，將一氧化碳進行濃縮則可大大提高氣體的熱值。在本發明工藝過程中，伴有一採用變壓吸附方法脫除二氧化碳或濃縮提純二氧化碳，這樣可得到二氧化碳、一氧化碳、氮氣三種在工業上都有著廣泛用途的氣體。本發明採用的催化吸附劑及工藝過程可適用於鋼鐵廠高爐氣，以及石油和化工等工業中具有類似混合氣體需要分離製取一氧化碳、氮氣和二氧化碳的場合。
下面兩個實例清楚地說明了高爐氣和類似的含氮一氧化碳混合氣進入裝填有催化吸附劑的吸附器床層，通過變壓吸附方式實現濃縮和提純一氧化碳的基本步驟。
實例1鋼鐵廠的高爐尾氣，經脫除了硫化氫、碳氫化合物和飽和水份後的混合氣體組成為(體積百分數)二氧化碳15.7％、一氧化碳25.3％、氮氣56.3％和氧氣0.7％，這混合氣體在溫度為50℃、壓力為0.6MPa下，通過裝填有活性炭的吸附器床層，進行變壓吸附脫除二氧化碳，而經脫二氧化碳的氣體，繼續流過裝填有催化吸附劑的吸附器床層，通過變壓吸附方式，濃縮一氧化碳，得到的產品氣組成為(體積百分數)一氧化碳75.6％、氮氣23.4％、二氧化碳0.4％和氧氣0.6％，放空氣的組成為(體積百分數)氮氣98.6％、二氧化碳0.4％、一氧化碳0.8％和氧氣0.2％。脫除二氧化碳的變壓吸附過程採用三個裝有活性炭的吸附器並聯，每個吸附器經過吸附兩步降壓、真空脫附、三步升壓的操作步驟；而濃縮一氧化碳的變壓吸附過程也採用三個裝有催化吸附劑的吸附器並聯，每個吸附器同樣經過吸附、兩步降壓、真空脫附、三步升壓的操作步驟。在本例中，由於是濃縮一氧化碳，所以在制一氧化碳的變壓吸附步驟中，沒有採用上述第四操作步驟，即清洗步驟，故產品的一氧化碳濃度和產率都不是很高，一氧化碳濃度為75.6％(體積)，一氧化碳產率為每公斤催化吸附劑7.65升，而下例則有所不同。
實例2同鋼鐵廠高爐氣相似的含氮一氧化碳混合氣體，經脫除了硫化氫、碳氫化合物、飽和水份和變壓吸附脫除二氧化碳後的混合氣體組成為(體積百分數)一氧化碳21.6％、氮氣77.6％和氧氣0.8％，這混合氣體在溫度為4℃、壓力為0.05MPa下，通過裝填有催化吸附劑的吸附器床層，經變壓吸附，得到提純的一氧化碳。本例中提純一氧化碳的變壓吸附過程採用三個裝有催化吸附劑的吸附器並聯，每個吸附器經過吸附、一步降壓、清洗、真空脫附、兩步升壓的操作步驟。由於是提純一氧化碳，所以在變壓吸附操作步驟中，具有一氧化碳清洗床層的操作步驟，即清洗步驟，故產品的一氧化碳濃度和產率較高，一氧化碳濃度為98.7％(體積)，一氧化碳產率為每公斤催化吸附劑9.86升。
權利要求
1．一種濃縮和提純高爐氣中一氧化碳的變壓吸附工藝，首先脫除會影響催化吸附劑吸附一氧化碳的雜質組份，前置一個變壓吸附過程，用來脫除二氧化碳和或吸附二氧化碳得到濃縮或純的二氧化碳，其特徵是將經前置處理脫除雜質和二氧化碳的高爐氣或類似含氮的一氧化碳混合氣體，採用裝填有催化吸附劑的固定床吸附器來進行濃縮提純一氧化碳，吸附器採用變壓吸附方式按順序分別反覆進行下面的各步操作工藝(1)．吸附原料氣進入裝有催化吸附劑固定床進行一氧化碳吸附，吸附溫度0～55℃，吸附壓力為0.04～0.7MPa(表壓)，當一氧化碳的吸附相濃度前沿移到床層某一位置時，就停止吸附，而此時流出的氣體是不含有一氧化碳的氮氣組份，以及少量的氧氣，(2)．多步減壓吸附工序結束完成後，接著進行的是多步解吸工序，首先把該吸附器與另一個經過真空脫氣或已經過升壓(Ⅰ)的吸附器連接，在與吸附時氣流流向相同的情況下，使該吸附器的壓力降至一較低的壓力，(3)．經並流降壓的吸附器進一步並流降低壓力至常壓左右，此部分氣體可用於經真空脫氣的吸附器升壓(Ⅰ)，在採用較低的吸附壓力時，則經上面一步降壓步驟，吸附器內的壓力已較低，可沒有此第二步均壓步驟，(4)．清洗利用一部分產品一氧化碳氣並流通過降至常壓的吸附器，置換清洗吸附器內殘留的雜質氣體，進一步提高吸附床層內一氧化碳的濃度，如只需得到濃縮的一氧化碳，可以不採用此步驟，以提高產量，(5)．真空脫附對降至常壓的吸附器進行真空減壓，使吸附劑上吸附的一氧化碳得以脫附，回收脫附的一氧化碳，得到產品，(6)．將經真空脫附後的吸附器同已完成吸附步驟的吸附器連通起來，進行吸附器的升壓(Ⅰ)步驟，(7)．多步升壓對經升壓(Ⅰ)步驟的吸附器進行升壓(Ⅱ)步驟，當吸附壓力較高時(吸附壓力大於0.2MPa)，可用處於降壓步驟的吸附器的氣體來實現升壓(Ⅱ)步驟；當過程是用來提純一氧化碳，此步驟可用其它吸附器在清洗時的廢氣來完成；當吸附壓力較低(吸附壓力不大於0.1MPa)，且過程是用來濃縮一氧化碳，則可去掉此步驟，(8)．利用其它吸附器在吸附時排放氣進行吸附升壓(Ⅲ)步驟。這樣各個吸附器通過依次反覆進行上述步驟的操作工藝，即可實現連續地濃縮或提純一氧化碳。
2．根據權利要求1所述的濃縮和提純高爐氣中一氧化碳的變壓吸附工藝，其特徵是催化吸附劑由氯化銅、活性碳、天然優質凹凸棒土和混含稀土氯化物為原料，經浸漬或/和混合，再加工成型的催化劑顆粒，在0～55℃的溫度，用於淨化含氮氣中微量的一氧化碳。
全文摘要
本發明涉及的是一種採用催化吸附劑將含氮的一氧化碳多組分混合高爐氣體以及石油和化工等工業中具有類似混合氣體進行分離、濃縮和提純的工藝過程,使其中一氧化碳和氮氣分開,分別製得一氧化碳和氮氣,在此同時得到副產二氧化碳。其特徵是將前置處理脫除雜質和二氧化碳的高爐氣或類似含氮的一氧化碳混合氣體,採用若干個裝填有催化吸附劑的固定床吸附器通過變壓吸附方式來進行濃縮提純一氧化碳。若干個吸附器按順序反覆進行吸附,多步減壓、清洗、真空脫附、多步升壓等操作工藝步驟。
文檔編號C10K1/00GK1224046SQ98111619
公開日1999年7月28日 申請日期1998年12月18日 優先權日1998年12月18日
發明者姚虎卿, 劉曉勤, 馬正飛 申請人:南京化工大學