淺談焦爐煤氣制氫工藝存在的問題和應對方案

王國志

前言

目前，氫氣制取方法較多，優選經濟適用的制氫方法能促進貴州黔桂天能焦化有限責任公司苯加氫生產工作順利進行，在規定時間內完成生產目標，最終氫氣制作效果能夠達到預期要求。由此可見，焦爐煤氣制氫工藝具有應用必要性和重要性，掌握工藝應用的合理化方案，能將常見工藝問題順利解決，確保工藝制氫優勢全面發揮。

1 焦爐煤氣制氫裝置介紹及特點

1.1 介紹

焦爐煤氣制氫裝置最初由熱吸附凈化空氣裝置升級而來，隨著美國工業化進程的不斷加快，20世紀60年代裝置升級為變壓吸附四床工藝技術，簡稱變壓吸附技術，社會發展進步的同時，這一技術應用領域不斷拓寬，常用于冶金行業、石油化工行業、環境保護領域。該技術適用于高溫環境，它利用差異氣體不同吸附效果完成氣體分離操作，同種混合氣體分離時，根據壓力變化影響氣體吸附效果這一規律有序分離。

1.2 特點

焦爐煤氣制氫裝置特點表現為：聯合應用變溫吸附方式和變壓吸附方式，這能提高相同吸附時間內空氣凈化度，結合式吸附方式具有良好的吸附效果，能夠提高氫氣純度；自動化特點顯著，由于該裝置介質氣體燃點較低，并極易爆炸，因此，需要借助計算機進行閥門控制，合理設置、調節各項參數，同時，計算機技術操作十分便捷，能高效檢測產品合格率；能耗低又是該裝置的主要特點，氫氣制作完成后，解吸氣體重復利用效率較高，在提高解吸氣體利用效率的同時，還能全面監督裝置應用效果，一旦裝置有氣體泄漏現象發生，則警報裝置會即刻報警，同時，中控計算機會細致檢測系統狀態，控制產品質量，做好參數數值調節工作，以此降低故障發生幾率。

2 焦爐煤氣制氫工藝具體分析

2.1 基本原理

焦爐煤氣制氫工藝的系統組成部分主要有三種，第一種組成部分即制氫系統，第二種組成部分即變溫系統，第三種組成部分即氫氣精制系統，隨著溫度的不斷改變，吸附容量、解吸壓力、吸附壓力存在差異，關系變化情況如圖1所示。當溫度不變時，壓力與吸附容量呈正比例相關；當壓力保持不變時，溫度與吸附容量呈反比例相關。因此，氫氣實際制作的過程中，應做好工藝組合工作，在此期間，掌握變壓吸附以及變溫吸附原理，其中，變壓吸附原理：循環時間較短、用量較少，吸附劑浪費量較少，常用于提取組分氣體或者多量氣體，應用過程中無需更換換熱設備。變溫吸附原理：循環時間較長、成本投入較多，常用于提取少許雜質氣體或者雜質解析難度較高的氣體，具有良好的再生效果[1]。

圖1 差異溫度下吸附容量、解吸壓力、吸附壓力變化情況

2.2 制氫過程

2.2.1 基本工序

由于焦煤質量有高低之別，并且焦化過程不盡相同，受這兩種因素影響，焦爐煤氣狀態會失去穩定性，一旦焦爐煤氣制作期間長時間解除于空氣，極易發生爆炸現象。再加上，焦爐煤氣組分種類較多，其在凈化處理過程中應對雜質高效處理，并合理設計制作工序（如圖2），選擇優質焦煤，以此提高氫氣純度。

其中，第一道工序主要以祛除苯、NH3、萘、H2S、焦油為目標，并將其輸送至第二道工序；第二道工序負責深入祛除有害成分，具體包括氣體機油、苯、硫化物、焦油、高級烴類、萘等；第三道工序負責祛除雜質，確保提取高濃度氫氣；最后一道工序主要祛除些許水分和氮氣，確保氫氣純度達到要求的標準。

圖2 焦爐煤氣制作氫氣工序

2.2.2 吸附工藝

變壓吸附工藝：應用于該工藝的吸附劑只能吸附定量雜質，因此，應做好深度吸附相關操作，在這一過程中，首先進行降壓操作，針對塔內氫氣通過順向、逆向降壓操作回收；然后沖洗吸附劑雜質；最后做好沖壓準備。

變溫吸附工藝：該工藝持續運轉的過程中，高效應用預處理器，同時，對塔進行吸附、逆向放壓、溫度增加、溫度冷卻、壓力增加這一步驟的處理。

脫氧干燥工藝：增加適量催化劑，借助催化反應完成雜質吸附目的。

3 常見問題及應對方案

貴州黔桂天能焦化有限責任公司利用焦爐煤氣制氫工藝進行氫氣制取時，焦爐煤氣處理后，其組分及含量如表1所示，這與制氫要求的焦爐煤氣清潔度存在較大差距，問題總結、問題應對方案如下。

表1 處理后焦爐煤氣組分及含量

3.1 冬季脫萘器再生難度較高

冬季脫萘器再生過程中，蒸汽熱吹處理后極易結冰，并且緩沖罐內部已被帶進冷凝液，最終會弱化煤氣壓縮機應用狀態，增加設備運行阻力，同時，吸附壓力也會受到不利影響。應對方案：氮氣加熱處理后，應用熱氮氣非間斷吹掃，以此加快冬季脫萘器再生速度[2]。

3.2 煤氣壓縮機一級排氣壓力較強

一級排氣壓力增強情況極易發生于試車階段，此時，煤氣壓縮機出口壓力在0.25～0.29MPa之間，待壓力值接近0.35MPa后，極易出現一級安全閥起跳現象。之所以會發生這一現象，主要受二級進氣閥泄露影響。應對方案：細致處理進氣閥，適當降低或者及時更換進氣閥墊。

3.3 煤氣壓縮機進口壓力較弱

受季節氣溫溫差過大影響，冬季白天氣溫高于夜晚，煤氣壓縮機進口壓力受夜晚低溫影響不斷降低，最后需要進行粗脫萘器更換操作。主要是因為再生過程中會因蒸汽凝結成將粗脫萘器出口封閉。應對方案：適當降低粗脫萘器閥門點位置，以便更好的滿足防水需要，保證出口順暢度。

3.4 脫萘器再生廢氣量較多

脫萘器實際應用的過程中會產生大量廢氣，這類廢氣會在蒸汽帶動下混于空氣，一旦所在環境溫度過高，則極易腐蝕與之接觸的電線或者泵體，漏電事故發生后，極易增加安全風險。這一問題出現的原因即，脫萘器填料無序添加，在高溫蒸汽作用下，所析出的雜質極易被蒸汽水帶進污水槽，由于雜質會散發有害氣態，進而會間接威脅人體健康。應對方案：安裝冷卻器于適當位置，該設備通過將蒸汽轉換為液態水，并將其引至污水槽，以免雜質直接暴露于空氣。需要注意的是，調節冷卻器位置，使其在排污口下方，以此提高冷卻器利用效率。

3.5 做好系統改造工作

為了在短時間內優化煤氣質量，務必對當前系統順利改造，這不僅能夠促進壓縮機有序、平穩運行，而且還能提高氫氣穩定性。系統改造期間，應堅持基本原則，如低成本、較小占地空間、較短改造時間，同時，適當減少設備、程控閥、管線等對象的更換量，盡可能提高原有設備應用效率，對于吸附劑，應以高性能為選擇標準，這能促進改造目的順利實現，系統具體改造介紹如下：

預處理系統：增設不同類型程控閥數量，其中，DN50型兩臺，DN100一臺；調整現有系統程序；預處理工序操作壓強設置為2.4MPa。

壓縮系統：應用直接進焦爐煤氣；將一級加壓系統壓力增至0.23MPa。

增設焦爐煤氣高效凈化濾潔器：該設備能夠提高雜質祛除效率，設備組成部分主要為煤氣凈化吸附劑、筒體、凈化濾料支架、除焦凈化濾料、進氣均布器、不銹鋼波紋凈化器等。設備工作原理為：焦爐煤氣途徑均布器進入脫焦凈化層，在這一過程中，焦炭能夠對焦油霧起到良好的吸附作用，最后在吸附層和活性炭的作用下，焦油霧會被更好的吸收。焦油煤氣處理后，將其引入不銹鋼波紋凈化器，實現液滴、氣液分離[3]。

4 結論

綜上所述，貴州黔桂天能焦化有限責任公司針對苯加氫進行生產管理時，應用焦爐煤氣制氫工藝提高氫氣純度，針對常見問題采取針對性措施和系統改造方法進行妥善處理，這不僅能夠發揮焦爐煤氣制氫工藝的應用優勢，而且還能降低氫氣制作成本。因此，相關學者應對這一工藝深入研究，掌握該工藝的應用技巧，這對企業生產效益增加，企業持續發展有重要意義。

[1]姚鑫.焦爐煤氣制氫工藝研究現狀[N].世界金屬導報，2015-10-06（B10）.

[2]楊志彬.焦爐煤氣甲烷重整制氫工藝研究[A].第十七屆（2013年）全國冶金反應工程學學術會議論文集（上冊）[C].中國金屬學會、冶金反應工程學分會，2013：8.

[3]張國富.日本焦爐煤氣制氫技術[J].燃料與化工，2012，43（04）：58～59.