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摘要：近些年来，我国非常重视节能、降耗、减排工作的开展，并鼓励企业降低能耗。在低浓度煤层气深冷液化装置中利用PSA制氮机来对尾气进行利用会消耗很多的能耗。常规的PSA制氮机的制氮流程与工艺具有高能耗的特点，而对其制氮工艺进行改进与优化显得尤为重要。本文主要对低浓度煤层气深冷液化装置中的PSA制氮机的尾气利用策略与方法展开研究，通过了解与掌握PSA制氮机的工艺与流程，能够更好地优化与升级制氮流程，从而实现节能降耗的目标，有效提升产氮效率与水平。
关键词：低浓度煤层；气深冷液化装置；PSA制氮机；尾气利用
当前，在含氧煤层气深冷液化制液化天然气工艺或者技术中，应用混合制冷剂进行制冷是一种节能、高效的工艺流程，其消耗的成本较低、收益率和产品的纯度都很高。而在所应用的混合制冷剂中，氮气占比较大，通过对氮气沸点低这一物理特性来降温，能够有效实现节能的目标。为了能够获取更多的氮气，利用PSA制氮机来制取氮气，既能够控制能耗，还能够降低投资，其具有很好的行业竞争优势与产品竞争优势。此外，传统的PSA制氮机的工艺流程仍亟待改进，通过对制氮工序的放空尾气余压的特征进行分析，并设置尾气回收罐，再将尾气融入到干燥塔中，逐渐实现干燥塔的再生，然后再利用这些干燥的空气来进行制氮，充分利用尾气的余压，这样能够产生更多的氮气来进行制冷，提升PSA制氮机尾气利用的作用与价值。
一、PSA制氮机的概念及内涵
所谓的PSA制氮机，主要指的是一种能够分离气体的一种变压吸附技术，其工作原理在于通过运用分子筛来对不同吸附性能的气体分子进行筛选，从而将混合气体分离开来。空气是其生产原料，利用一种高选择、高效能的固体吸附剂来对氧和氮的选择吸附性将空气中的氧气与氮气分离出来。也就是说，PSA制氮工艺主要是以空气为原料，将碳分子筛当做吸附剂，通过对变压吸附原理的应用，并利用碳分子筛，依据氮气与氧气的选择吸附性来分离氧气与氮气的一种分离方法，这就是PSA制氮机的原理与内涵。
PSA制氮技术与传统的制氮方法比较，其工艺流程较为简单、产气快、具有较高的自动化性与高纯性，耗能低，便于操作维护，且PSA制氮技术的适应性很强，产品竞争力较高，在制氮技术中应用较为广泛。在工业快速发展的大环境下，氮气的应用领域不断扩大，在食品、机械、冶金、电子、化工等领域的应用愈发广泛，且我国对于氮气的需求量也在逐年增加。由于氮气的化学性质并不活泼，且在常规的情况下惰性很强，不容易和其他物质产生化学反应。因而常将氮气当做密封气或者保护气来进行应用。同时高纯度的氮气是不能够直接从自然界中提取出来的，必须要应用空气分离的方法来汲取，其中变压吸附法就是一种较为有效的方式或者方法[1]。
二、传统PSA制氮流程分析
传统的PSA制氮流程主要是空气经过螺杆压缩机的压缩，使其压力上升至0.8兆帕左右，利用氟利昂冷干机来冷却空气，空气中的一些水经过冷凝之后排走，空气经过过滤器后进入到干燥塔进行脱水，然后再经过除油塔进入到空气的储存罐，而后进入到吸附塔，吸附氧气后将纯氮气收集到氮气储存罐中。与此同时，将吸水性较强的材料装入干燥塔中，其与吸附塔的工作流程相同，先进行吸附干燥，然后进行泄压和反吹再生，最后进行升压，在这个流程中实现对空气的干燥。一般情况下，会将吸附塔与干燥塔并联使用，交替进行空气吸附与干燥的过程中，最后获得更加干燥的空气。在获取干燥的空气后，将空气当做生产氮气的原材料，如果利用空气储存罐中的一部分空气进行干燥塔再生，那么会显著降低氮气的产量，影响制氮效率。而在吸附塔的工艺流程中，运用品质较高的分子筛当做吸附剂，并在力学的作用与影响下，氧气会在分子筛微小的孔中迅速扩散，其扩散的速率要高于氮气，当吸附没有达到平衡时，氮气会被很好的收集起来，进而形成了纯度较高的氮气。在经过减压到常压的过程中，吸附剂会将氧气中的杂质进行解吸出来，促进吸附剂再生。
为了能够实现生产高品质氮气的目标，应用吸附塔与干燥塔交替循环工作的模式是非常有必要的。在再生时会有富氧的干燥尾气产生，通常尾气都是直接被排空，但是这些尾气经过净化干燥后具有一定的压力，其能够对介质进行很好的反吹净化，尾气的利用率得到提升。反之，如果将尾气直接进行排放，那么在一定程度上会浪费能源，增加能耗[2]。
三、低浓度煤层气深冷液化装置中PSA制氮机的尾气利用流程分析
在低浓度煤层气深冷液化装置中，运用PSA制氮机来进行尾气利用，要对尾气利用变压吸附的制氮流程进行全面的了解与掌握。尾气利用的PSA制氮流程与传统的变压吸附制氮流程相同，都是先从空气压缩开始，空气先经过压缩机，将压力压缩到0.8兆帕左右，然后再利用氟利昂制冷剂冷却空气、排出冷凝水后再进入到干燥塔中实施脱水，然后经过除油塔进入空气储存罐，最后进入吸附塔来吸附氧气，剩下的都是高纯氮，再将高纯氮收集到氮气的储存罐中。与传统的变压吸附制氮流程比较，其在干燥塔的反吹气环节增加了一个回收尾气的储存罐，干燥塔在吸附饱和后进行泄压和反吹再生。但是在反吹再生过程中，其利用的气体要求必须是干燥、洁净并具有一定的压力的气体，而恰巧尾气正好对这些条件都满足。这主要是由于尾气两塔的二次吸附，尾气中的油污和水分都被吸附的非常干净，且其经过压缩机后具有一定的压力，因而此时的尾气是一种较为理想的干燥塔反吹气。增加一个收集尾气的回收罐，然后利用管道将干燥塔与回收罐进行有效连接，然后再利用尾气回收罐中尾气对干燥塔进行反吹气，从而将干燥塔中吸附的水从干燥塔底部彻底吹出来，然后进行放空。此外，由于尾气的产生量较大，干燥塔反吹气所利用的尾气量有限，那么可以在回收尾气的塔顶设置一个排空管，放空多余的尾气。
低浓度煤层气深冷液化装置中PSA制氮机的尾气利用流程的氮气产量要比传统的PSA制氮流程的氮气产出量要高很多，这主要是由于利用尾气来进行PSA制氮，能够将所有的空气全部用来制氮，而传统的变压吸附制氮流程在经过干燥塔反吹时，会耗费一定的空气，那么用来制氮的空气就会减少，进而其进入到吸附塔的空气流量就会减少，导致制氮的产量要低于利用尾气的变压吸附制氮方法。和传统的PSA制氮技术相比，利用尾气来进行变压制氮的技术应用过程中，空气进入到压缩机的流量变小了，那么所需的空气压缩机功率要求就没那么高了，在一定程度上降低高功率空气压缩机的应用频率，从而有效地降低了能耗[3]。
因此，通过对尾气进行收集与利用，将其应用到干燥塔的反吹气环节或者流程中，能够减少空气的消耗，还能够对尾气的压力进行缓冲与稳固，且由于尾气的回收罐具有较大的容积，尾气会以间断的形式进入到回收罐中，其压力不会波动很大，利用尾气反吹气作用的发挥，从而节约能源，提高制氮效率，推动制氮的效果与水平得到更好提升。
四、结束语
综上所述，在低浓度煤层气深冷液化装置中，利用尾气来进行PSA制氮，增设一个回收尾气的大容积储存罐，虽然在储存罐上的投资稍有增加，但是从长远来看，利用尾气进行干燥塔反吹气，能够促进压缩后干燥空气的消耗量得到有效减少，促进氮气的产量得到大大提升，从而有效实现了降耗的目标。而在压缩机的耗电量上来分析，利用尾气回收来进行变压吸附制氮，其能够有效降低空气压缩机的耗电量，有效实现了节能的目标，可见利用尾气来进行PSA制氮是一种经济可行、节能、高效的一种PSA制氮工艺或者流程，在低浓度煤层气深冷液化装置中值得推广与应用。
参考文献：
[1]郝宇，徐龙君，肖露，等.低浓度煤层气深冷液化装置研制及安全性分析[J].煤气与热力，2017，37（2）：67-72.
[2]陈金华，肖露，令狐磊.低浓度煤层气深冷液化工艺研究[J].煤炭科学技术，2016，44（6）：134-139，181.
[3]刘磊.深冷制氮空分富氧空气的回收利用探究[J].石化技术，2020，27（2）：42-43.