昆鋼制氫站二次凈化系統的優化改進

閆 莉

(昆明鋼鐵集團有限責任公司動力能源分公司，云南安寧650302)

昆鋼動力能源分公司制氫站投產于2002年，當時采用干法脫萘、脫硫工藝，該工藝需要定期對脫萘塔吸附劑進行再生。因再生廢氣排入大氣造成污染，引起周邊居民多次上訪。為解決環境污染問題，于2006年經考查后新建一座濕式脫萘塔，用0#柴油脫除焦爐煤氣中的萘。該塔建成后雖然解決了脫萘塔再生廢氣的污染問題，但脫萘效果不理想，并且運行費用高等問題相繼顯現:按昆鋼使用經驗，每兩個月就更換1次柴油，每次最少45t，年需柴油270t，費用約230萬元;柴油循環利用技術處于探索階段，目前因無現成的提取萘晶體及萘產品深加工的相關工藝裝置及萘的回收量偏小等原因，未能很好地解決柴油循環利用問題。為了進一步降低制氫系統原料氣體中的萘含量，有效延長三級壓縮機及100#預處理工序的運行周期，2008年12月完成制氫系統的工藝改造，專門利用3#脫萘塔和一組脫硫塔對制氫系統所用原料氣體進行精處理。制氫站煤氣二次凈化系統原凈化裝置的生產運行狀況基本能滿足原焦爐煤氣的凈化能力和凈化指標要求，但由于原裝置技術存在缺陷，給生產和環保帶來一系列問題。

1 制氫系統原裝置存在的缺陷及帶來的問題

1.1 原裝置存在的缺陷

(1)脫硫與脫萘流程順序不合理:原裝置采取“先脫萘后脫硫”工藝;

(2)脫硫工序與脫萘工序流程設計不合理:采取完全串并聯;

(3)脫硫塔的進氣方式和出氣方式不合理:原裝置采取“塔頂進氣塔底出氣”工藝;

(4)TSA塔的填料配置不合理:TSA塔中的焦炭裝填量過大，而活性炭裝填量過小;

(5)脫硫塔和TSA塔的安全設計不完善:脫硫塔和TSA塔的進出口未設計有效切斷裝置;

(6)采取再生方式不合理:原裝置采取過熱蒸汽對TSA塔進行加熱再生;

(7)再生工藝不完善:原裝置對再生所產生的尾氣未采取有效的處理方式。

1.2 原裝置缺陷帶來的問題

(1)吸附劑和脫硫劑的使用壽命低。

(2)采用焦爐煤氣干法脫萘、脫硫工藝，需要定期再生，存在再生廢氣的對空排放，不僅會造成環境污染，不符合國家環保要求，而且如不能再生利用，使用周期只有10～12個月，定期一次性更換年需要材料費約80萬元，造成運行成本過高，不經濟。

(3)采用濕法脫萘工藝，即采用柴油進行清洗脫萘，柴油脫萘工藝解決環境污染問題，但油蒸氣易帶入制氫系統預處理裝置，導致除油器、除萘器和變溫吸附塔吸附劑污染，嚴重影響吸附劑使用壽命。原設計除萘器和變溫吸附塔使用周期為1a，除油器3個月;目前除萘器和變溫吸附塔年使用周期只有0.5a，除油器只有2個月，無形當中運行周期縮短了一半，增加生產成本20萬元左右。運行成本高，不利于降本增效。使用柴油脫萘塔，每年需柴油費用230萬元，加之制氫系統預處理裝置增加的生產成本20萬元，年共計250萬元，干式脫萘塔年更換吸附劑費用約100萬元，相比而言，年可節約150萬元運行成本。

2 改進優化方案

2.1 優化方案

原裝置存在的問題都是由于裝置的工藝技術不合理和不完善所致，故要從根本上徹底解決裝置存在的問題，必須對相關工藝技術進行必要改進和優化完善，以達到裝置安全穩定運行要求。以下就相關問題提出具體解決方案:

(1)為適應現有的原料煤氣氣質和精制煤氣的質量要求，首先對裝置的工藝流程進行優化調整，將原先的“先脫萘后脫硫”工藝改造為“先脫硫后脫萘”工藝。

(2)對工藝管道的接口進行調整，對脫硫工序的管道流程改造為“串并方式”，最大限度利用脫硫劑和吸附劑的理化性能。

(3)對脫硫塔的進出方式由原有的“上進下出”方式改為“下進上出”方式。

(4)對脫硫塔和TSA塔的工作制度進行優化調整。脫硫為2塔在線工作，4臺備用;脫萘為2塔在線工作，另1臺再生備用。

(5)根據現有脫硫塔規格對脫硫塔內的脫硫劑等裝填物料類型、規格、數量和裝填方式進行重新調整，使脫硫劑的裝填量由60.0t/塔調整為49.625t/塔。脫硫劑的更換周期約為1a。

(6)根據現有TSA塔規格對TSA塔的吸附劑等裝填物料類型、規格、數量和裝填方式進行重新調整，提高吸附劑的有效裝填量。TSA塔只裝填吸附劑，不裝焦炭。TSA塔單塔再生周期由11d左右提高到35d左右，可有效減少再生能耗。

(7)配置優質的脫硫劑和吸附劑。確保各項工藝指標合格，確保脫硫劑和吸附劑的使用壽命。

(8)采用安全環保的新工藝對TSA塔進行再生，使吸附劑使用壽命提高到3a以上，大大降低運行成本。新的再生工藝可以采用以下技術:用精制煤氣作熱載體對吸附劑進行加熱再生，再生尾氣回到煤氣管網。采用蒸汽加熱器對精制煤氣加熱，取消原有的電加熱器。TSA塔的再生溫度由350℃調整為120℃，徹底解決再生尾氣對生產環境的污染，顯著降低再生能耗。

(9)在每臺脫硫塔和TSA塔的進出口增設手動盲板閥，對每臺脫硫塔和TSA塔進行有效切斷，以確保脫硫塔和TSA塔在更換填料和維修時的系統安全和人身安全。

(10)建立完善裝置的控制分析方法和制度，采用相應的國家標準對系統中的H2S、萘、焦油進行定期檢驗，確保各項控制指標合格。

2.2 工藝流程

本裝置采用“兩段串聯塔式全干法凈化”工藝，在脫除焦爐煤氣中H2S的同時一次性除去焦油、萘、NH3和HCN等雜質，得到合格的精制煤氣。

脫硫工序由6臺脫硫塔組成，從流程上形成并聯組合。2臺脫硫塔同時在線工作，氣體從塔底進入。并通過手動實現對脫硫塔的切換。脫硫塔內裝填常溫高效脫硫劑，由焦炭、常溫氧化鐵脫硫劑和瓷球等構成脫硫復合床。

脫萘工序由3臺TSA塔組成，從流程上形成并聯組合。2臺TSA塔同時在線工作，1臺再生備用。并通過手動控制方式實現對TSA塔的控制過程切換，以實現各個操作步序。塔內裝填專用吸附劑，由吸附劑和瓷球等構成脫萘復合床。

吸附劑在常溫下吸附焦爐煤氣中的H2S、焦油、萘及NH3、HCN等雜質，當吸附達到飽和后，切換到再生操作。用加熱的精制煤氣再生吸附劑，使吸附于吸附劑微孔內的雜質得到解析脫附。再生完全后，冷卻床層，并可再次投入吸附操作。再生用的煤氣為加壓精制煤氣。加壓精制煤氣通過調壓計量，經蒸汽加熱器加熱后供給。再生使用后的煤氣進入低壓煤氣管道回收。

脫萘塔再生步驟包括以下幾個步驟:

(1)逆放。逆放吸附方向，即朝著入口端回收凈化煤氣，回收煤氣去界外。

(2)加熱解吸雜質。用凈化后的煤氣經加熱器加熱到110～140℃后，逆著吸附方向吹掃TSA塔內吸附床層，使塔內吸附劑吸附的萘、焦油、NH3及其它芳香族化合物在加熱并沖洗下得以完全脫附再生。再生后的煤氣送出界區。

(3)冷卻吸附劑。解吸完畢后，停止加熱再生氣，此時吸附劑床層的溫度較高，吸附雜質的容量較低，為達到較好吸附雜質的目的，須將吸附劑的溫度降低。再生后吸附塔在一定溫度段內采用自然冷卻，然后使用凈化煤氣逆著TSA塔進氣方向吹掃吸附劑床層，使之冷卻至常溫。吹冷后的煤氣也送出界區。

(4)吸附塔等待再使用。

3 實施效果

制氫站二次凈化系統改造工程于2010年10月18日動工，于2011年1月3日竣工。改造投產以來，先后對加壓機及部分閥門進行優化整改，3月、4月、7月分別對1#、2#、3#脫萘塔順利進行了再生，效果十分明顯。該方案的實施，不僅取得了良好的環境效益、社會效益，還取得了較好的經濟效益。

3.1 改造前后的工藝變化及效果

(1)二次凈化由“先脫萘再脫硫”改為“先脫硫后脫萘”，減少了單質硫的堵塞現象。

(2)對脫硫塔的進出方式由原有的“上進下出”方式改為“下進上出”方式，并對工藝管道的接口進行調整，對脫硫工序的管道流程改為“串并方式”，最大限度地利用了脫硫劑和吸附劑的理化性能。

(3)對脫硫塔內的脫硫劑等裝填物料類型、數量和裝填方式進行調整，原來全部裝填脫硫劑 (60t/塔)改為裝填“7.225t(焦炭)+42.4t(脫硫劑)/塔”。脫硫劑的更換周期由不到1a延長為1～2a。

(4)對脫萘塔內的脫硫劑等裝填物料類型、數量和裝填方式進行調整，原來裝填“25t(活性炭)+20t(焦炭)”改為裝填“活性炭40.25t/塔”，極大地提高了吸附劑的有效裝填量。脫萘塔單塔再生周期由11d左右提高到約35d左右，可有效減少再生能耗。

(5)脫萘塔再生使用過熱蒸汽改為用精制煤氣做熱載體對吸附劑進行加熱再生，再生尾氣回到煤氣管網。采用蒸汽加熱器對精制煤氣加熱，取消原有的電加熱器，節約了電費。脫萘塔再生溫度由350℃調整為120℃，徹底解決了再生尾氣對周圍環境的污染，顯著降低了再生能耗。采用安全環保的新工藝對脫萘塔進行再生，使吸附劑使用周期延長到1～2a，大大降低運行成本。

(6)對脫萘塔、脫硫塔進、出口分析化驗結果的統計 (表1)顯示，新工藝完全能滿足生產工藝要求(脫硫塔出口含H2S量標準值為:≤10 mg/Nm3，脫萘塔出口的含萘量標準值為:≤100 mg/Nm3)。

表1 脫萘塔、脫硫塔進、出口分析化驗結果統計 (mg/Nm3)

3.2 經濟效益分析

2011年活性炭價格為8000～10000元/t，焦炭價格為5000～6000元/t，脫硫劑價格為4000～4500 元/t。

(1)單個脫硫塔新裝填工藝節約費用:

60×4000－ (7.225×5000+42.4×4000)=34275元，

兩個塔可節約費用:2×34275=68550元。

(2)脫硫劑使用壽命可延長一個周期，減少吸附劑費用:

60×4000×2=480000元。

(3)脫萘塔新裝填工藝增加費用:

(25×8000+20×5000)－40.25×8000=－22000元。

(4)按照新工藝脫萘塔吸附劑壽命可延長一個周期，減少吸附劑費用:

25×8000+20×5000=300000元。

(5)脫萘塔原來使用過熱蒸汽再生，加熱蒸汽用2臺400kW的電加熱器串聯使用，按每年再生1～2次，每次加熱需10d左右，若電費按0.50元/kWh計算，新工藝用蒸汽間接加熱焦爐煤氣，不耗電，年節約電費為:

400×24×10×0.5×2×2=192000元。

由此可知，方案實施后5項合計可減少生產運行成本101.855萬元。

3.3 環境效益及社會效益

因新工藝所用的再生氣和解析氣均是焦爐煤氣，所產生的廢氣直接送至昆鋼軋鋼混鐵爐燃燒使用。所以該方案的實施，不僅徹底解決了制氫站再生廢氣污染環境的問題以及采用濕式脫萘塔所帶來的煤氣嚴重帶油問題，而且還消除了對周圍居民的健康影響，具有較好的環境效益和社會效益。

4 結語

昆鋼制氫站通過將近兩年的運行證明，制氫站二次凈化系統的優化改造新工藝不僅能滿足生產需要，而且還徹底解決了困擾企業多年的再生廢氣污染環境問題，解析廢氣得到充分回收利用，實現了節能減排，極大地降低了生產運行成本，具有廣泛的推廣運用價值。