焦爐煤氣變壓吸附制氫關鍵問題分析及優化設計

周亮文（山鋼股份萊蕪分公司，山東萊蕪271104）

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焦爐煤氣變壓吸附制氫關鍵問題分析及優化設計

周亮文
（山鋼股份萊蕪分公司，山東萊蕪271104）

摘要：針對變壓吸附制氫工藝的原料氣焦爐煤氣含雜質多、單塔產品流間斷、系統控制復雜等問題，周期性對制氫工藝進行優化設計。設計對焦爐煤氣進行凈化和預處理，確保制氫工藝安全穩定；采用6塔工藝，保證適當的均壓次數，實現了產品連續穩定輸出；同時對復雜的控制系統進行了優化設計。實現了制氫機組穩定運行，產品回收率80%，氫氣純度99.999%。關鍵詞：制氫；焦爐煤氣；變壓吸附（PSA）；煤氣凈化；6塔工藝

鋼鐵企業利用資產資源焦爐煤氣制取氫氣是實現資源價值開發的途徑之一，PSA制氫裝置的工藝介質和設備狀況是變壓吸附制氫穩定運行的關鍵［1］。山鋼股份萊蕪分公司對焦爐煤氣變壓吸附制氫技術的關鍵點和多塔工藝進行了優化設計，建設了1 300 m3/h變壓吸附制氫機組，產品氫氣純度99.999%，并因地制宜將余熱蒸汽應用于制氫工藝。

1　問題分析

焦爐變壓吸附制氫工藝基本構成如圖1所示。

圖1　焦爐煤氣變壓吸附制氫工藝基本構成

制氫工藝的關鍵環節包括原料氣預處理、PSA產品流及全系統的穩定控制。分析認為，該工藝系統存在以下問題：

1）原料氣—焦爐煤氣中含雜質多。焦爐煤氣中雜質較多，組分十分復雜，除含有大量CH4和一定量的N、CO、CO1、O1外，還有少量的高碳烴類、萘、無機硫、焦油等，這些都是高沸點組分，很難在常溫下脫附。對變壓吸附采用的吸附劑而言，吸附能力強以至于難于解吸。

2）單塔變壓吸附循環工作，產品流是間歇的。單個吸附塔在一次工作循環中經歷高壓下吸附、減壓脫附、充壓等過程，原料氣的輸入和產品氫氣輸出是間歇的，不能滿足用戶需求，應選擇多塔交替運行工藝，實現產品氫氣連續穩定生產。

3）系統控制比較復雜。選擇6塔交替運行PSA工藝，運行過程要求根據系統的各種工藝參數對各步驟按預定程序進行切換。工藝中要求在線監控的組分多，其中原料氣中的氫含量是計算裝置回收率的重要指標，產品氫中微量水和微量氫是考核工藝產品質量的重要參數。因此系統的控制和操作非常復雜。

2　工藝原理［2］

經過壓縮的焦爐煤氣首先通過變溫吸附工藝除去C5以上的烴類和其他高沸點組份，達到預凈化焦爐煤氣的目的；然后再經過變壓吸附工藝除去氧以外的所有雜質組份，獲得99.899%純度的產品氫氣；最終通過催化反應除去氫氣中的氧，并經變溫吸附干燥，獲得99.999%純度的產品氫氣。

2.1變溫吸附（TSA）工藝

變溫吸附是利用吸附劑對氣體的吸附容量隨溫度的不同而有較大差異的特性，在吸附劑選擇吸附的條件下，常溫吸附高沸點雜質組份。高溫脫附這些雜質，并使吸附劑獲得再生，循環操作達到連續凈化原料氣及干燥的目的。本工程200號工序預處理及300號工序的干燥均是采用此工藝。吸附劑的再生通過降壓、加溫、冷卻、充壓步驟完成。

2.2變壓吸附（PSA）工藝

變壓吸附制氫技術就是利用吸附劑對氣體的選擇性吸附特性，在較高的壓力下吸附原料中的雜質CH4、N2、CO、CO2等，不宜吸附的組份—氫氣及氧氣則穿過吸附床作為粗產品輸出，再通過降低吸附床壓力使雜質組份脫附解吸，從而使吸附劑可獲得再生。

2.3脫氧工藝

從變壓吸附工序獲得含有少量氧的粗氫產品，在鈀觸媒存在下通過催化反應，使氧與氫生成水，達到脫除氧的目的。

3　優化設計

3.1原料氣凈化和預處理

焦爐煤氣凈化系統主要用來脫除焦爐煤氣中的焦油、H2S、萘等雜質，由電捕焦油、濕法脫硫、干法脫硫、變溫吸附（TSA）脫萘等工藝組成，達到變壓吸附原料氣中雜質的要求。

將壓力為8～10 kPa的焦爐煤氣經3臺煤氣壓縮機（C0101A、B、C，兩開一備）三級壓縮至1.8 MPa，然后進入兩臺可串并聯的除油器（T0101A、B）脫除氣體壓縮所帶的油，再進入兩臺并聯的預處理器（T0102A、B）脫除其中的烷烴、芳烴及硫化物等，達到變壓吸附所需壓力及原料氣凈化要求。預處理器的再生用200號工序經，再生氣加熱器（E0101）加熱到150℃的解吸氣從上到下進行再生。再生后的解吸氣經再生氣冷卻器（E0102）冷卻至常溫后送出界外。預處理工序控制參數：吸附壓力1.8 Nm3/h（干基），吸附溫度40℃；再生壓力0.02～0.05 MPa，再生溫度150℃；周期16 h；蒸汽壓力0.8～1.0 MPa。

3.2采用6塔交替運行工藝

多塔變壓吸附的意義在于保證在任何時刻都有相同數量的吸附床處于吸附狀態，使產品能連續穩定地輸出，保證適當的均壓次數，使產品有較高的回收率。

變壓吸附6—2—3/p操作工藝，設6個吸附床，任何時刻均有2個吸附床同時進料（處于吸附狀態），實現3次均壓，同時采用沖洗步驟。6個吸附床交替循環切換操作，產品氫氣連續穩定輸出。每臺吸附器在不同時間依次經歷吸附、第1級壓力均衡降（1E1D）、第2級壓力均衡降（2E2D）、順向降壓、第3級壓力均衡降（3E3D）、逆向放壓、沖洗、第3級壓力均衡升（3E3R）、第2級壓力均衡升（2E2R）、第1級壓力均衡升（1E1R）和最終升壓（FR）10個步驟，合計循環周期720 s（見表1），每個步驟溫度參數均≤40℃。吸附器所有的壓力均衡降用于其他吸附器的壓力均衡升，以充分回收再生器中的氫氣。逆放步驟排除了吸附器中吸留的大部分雜質，剩余的雜質通過順向降壓排除的氫氣進行解吸。

表1　變壓吸附循環各步驟壓力及時間控制

3.3控制系統設計

本系統采用兩級自動控制，下位機采用小型集散控制系統（DCS）。

1）順序控制。對全部程控開關閥進行可靠的開關控制，保證各程序開關閥按照工藝給定的條件和順序開關，實現PSA裝置的正常切換。所有程控開關閥均由防爆電磁閥驅動，所有程控閥均帶閥位傳感器。計算機可隨時監控、顯示所有程控閥的動作情況，并可對程控閥故障進行自動報警和聯鎖處理。順序控制功能還可以實現多種切塔和恢復的控制，運行多套程序。

2）均壓速度調節。PSA裝置在運行過程中，除處于吸附狀態的吸附塔外，其余吸附塔均處在再生的某降壓和升壓過程中，要求氣流均衡、穩定，特別是均壓過程，如果過快升降會嚴重影響吸附劑的使用壽命。本系統的程控閥門都具有開啟速度調節功能，可控制均壓的速度，保證吸附劑的壽命。

3）回路調節。控制系統的回路調節功能可實現可靠的PID調節、串級調節、分程調節等多種控制功能，保證PSA系統的穩定可靠運行，所有控制回路均由計算機進行監控，參數修改方便，并可自動對各參數的異常進行報警和聯鎖處理。

4）自適應隨動控制。對于影響吸附效果的關鍵調節回路，產品氣升壓回路和沖洗控制回路采用自適應隨動控制，可使產品升壓過程和沖洗過程隨著其他吸附參數自動調整。

5）優化控制。控制系統的優化控制功能可依據PSA迸料量的大小和產品氫氣的純度自動地調整影響吸附的最主要參數：吸附循環時間參數，在保證產品氧氣純度的同時保證裝置的產量最大，使裝置自動處于最佳的運行狀態。

6）聯鎖控制。控制系統的聯鎖控制可實現壓縮機故障時的自動保護（由壓縮機內部PLC實現），吸附塔故障時的自動連鎖切除，壓縮機系統超壓時自動連鎖放空與保護，系統超溫或燃氣泄漏時的安全聯鎖，產品質量不合格時的聯鎖放空控制等。

7）壓縮機控制。本系統壓縮機現場控制系統采用PLC控制，壓縮機系統壓力調節安全放空控制由系統PLC控制。

4　結論

4.1焦爐煤氣富含氫氣、甲烷、一氧化碳等，但同時含有多種雜質，除C2～C5等飽和烴和非飽和烴之外，還有苯族化合物、萘、有機硫、無機硫、氮氧化合物、氨、焦油等微量組分，因此要保證變壓吸附制氫生產安全穩定運行，關鍵點之一是焦爐煤氣凈化和預處理達到指標要求。

4.2采用六塔吸附工藝，實現了產品連續穩定輸出，保證適當的均壓次數，產品回收率80%以上，實現穩定經濟運行。變壓吸附制氫機組塔多、工藝變換多、參數多，運行控制要求高，系統具有完善的控制設計、可靠的程控閥等，才能實現穩定、連續運行。

4.3解決了焦爐煤氣中苯含量高、余熱蒸汽不穩定等問題，實現了制氫機組的穩定運行，氫氣純度為99.999%，合格率為100%，滿足了冷軋罩式退火爐、苯加氫工藝等的需要。解析氣主要成分甲烷，在本設計中用于燃料用戶，沒有實現更高的價值利用，若能與焦爐煤氣制天然氣工藝結合，將會實現更大的價值。

參考文獻：

［1］張敏.焦爐煤氣變壓吸附制氫在寶鋼的應用［J］.冶金動力，2006（6）：23-25．

［2］張建偉.變壓吸附原理在工業制氫中的應用［J］.制冷技術，2001（3）：41-44．

Key Problem and Design Optimization of Pressure Swing Adsorption Hydrogen Making Process of Coke Oven Gas

ZHOU Liangwen
（Laiwu Branch Company of Shandong Iron and Steel Co., Ltd., Laiwu 271104, China）

Abstrraacctt:: The key problems of the coke oven gas pressure swing adsorption hydrogen production process are impurities of coke oven gas and cyclicity product flow of single-tower process, and the optimization design of pressure swing adsorption hydrogen production was put forward with six- tower process and suitable voltage- sharing times. The 99.999% purity and 80% yield of hydrogen production had been obtained by solving the problem.

Key worrddss:: hydrogen production; coke oven gas; pressure swing adsorption; gas purification; six-tower process

《山東冶金》征稿簡則

《山東冶金》雜志1979年創刊，以促進山東冶金工業技術創新和科技發展為宗旨，主要刊登地質水文、采選工藝、焦化、耐火、冶煉、軋鋼、材料、理化檢測、自動控制、冶金設備、經濟與管理以及相關學科的科研成果，同時也報道有關學術動態和科技信息等。注重報道實施低成本戰略、樹立科學發展觀、發展循環經濟、清潔生產、綠色制造、安全環保、節能減排的先進成果和經驗；注重報道構建和諧企業，資源節約型、環境友好型企業，資本運營、國企改制、增強企業可持續發展能力的先進經驗和做法；注重報道對冶金工業技術改造、產品結構優化、裝備結構調整、新產品開發、提高勞動生產率、信息化建設、走新型工業化道路等有實際指導意義的文章。熱誠歡迎省內外相關大專院校、科研院所專家、學者及冶金工程技術和管理人員向本刊投稿。

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3題名要求確切、簡潔、鮮明、便于檢索。一般不超過20個字。若文章內容是某項資金資助項目也請標出，如：*國家自然科學基金資助項目（59975054）等。

4作者署名，同一單位不超過5人；2個以上單位的，每單位不超過3人，并在每個作者的右上角，按單位順序標注“1”、“2”、“3”，每位作者之間加“，”。

5作者單位，包含單位名稱（全稱）、地址和郵編。若作者出自多個單位，應分別列出，并按作者標注的順序，分別在各自單位名稱前加“1”、“2”、“3”，各作者單位之間加“；”。文末注明論文第一作者簡介，包括：姓名，性別，出生年，畢業時間、院校、專業。現職務、職稱，從事工作或研究方向等。注明通信地址、電話、Email等。

6正文前應有200字左右的中文摘要，內容包括研究的目的、方法、結果和結論等，應盡量反映文章的主要信息，寫成報道性短文；列出3～8個關鍵詞。

7英文題名以短語為主要形式，應少于10個實詞；英文摘要與中文摘要對應，一般不超過150個實詞；英文關鍵詞應與中文關鍵詞一一對應。

8層次標題一般分3層，用阿拉伯數字連續編號，如“1”，“2.1”，“3.1.1”……，后空2格排標題；應簡短明確，不易過長（一般不超過15個字）。也可不用3級標題，只寫順序號，如1）、2）、3）等。

9文中的圖表采用阿拉伯數字順序編號，先見文，后見圖表。圖表題名應簡明確切。表的結構要簡潔，空白項為未測或無此項,“－”為未發現,“0”表示實測結果為0。圖要精選，內容不得與文字或表格內容重復。盡量采用Auto CAD繪制或Excel圖，可打開編輯。照片要求清晰、層次分明、反差適中；金相及TEM、SEM等照片應有放大倍數或比例尺。

10使用國家法定計量單位及符號；名詞術語應統一；一篇文章中一種符號只能代表一種含義，變量符號用斜體；正確標注所用符號的大小寫、上下標。

生產技術

作者簡介：周亮文，男，1971年生，1995年畢業于南昌航空大學無損檢測專業。現為山鋼股份萊蕪分公司能源環保部高級工程師，從事能源管理和鋼鐵余熱余能開發研究工作。

收稿日期：2015-04-14

中圖分類號：TQ116.2+3

文獻標識碼：B

文章編號：1004-4620（2015）06-0029-03