雙氣源變壓吸附制氫系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

郭 峰，郭 慧

（山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司，山東日照 276800）

冶金行業(yè)生產(chǎn)冷軋板和鍍鋅板時(shí)，處理線(xiàn)機(jī)組的連續(xù)式退火爐需利用氫氣作為爐內(nèi)還原保護(hù)氣體。目前，冶金行業(yè)較多采用的天然氣或焦?fàn)t煤氣為原料氣，利用變壓吸附的方式制取氫氣[1]。山鋼日照公司通過(guò)對(duì)自產(chǎn)氣源的充分研究，采用LNG 副產(chǎn)品富氫氣體為主要原料氣，焦?fàn)t煤氣為備用原料氣，建成雙氣源變壓吸附制氫站，并成功投入使用。

1 原料選擇

山鋼日照公司焦化廠(chǎng)設(shè)計(jì)有LNG 項(xiàng)目，該項(xiàng)目工藝用焦?fàn)t煤氣作為原料，經(jīng)過(guò)壓縮對(duì)煤氣進(jìn)行凈化，然后通過(guò)催化反應(yīng)，使甲烷液化并分離，生產(chǎn)出LNG，同時(shí)產(chǎn)出副產(chǎn)品：富氫氣體。LNG項(xiàng)目生產(chǎn)過(guò)程中可為制氫站穩(wěn)定供應(yīng)富氫氣體。根據(jù)自產(chǎn)氣體特點(diǎn)，選取LNG 的副產(chǎn)品富氫氣為制取氫氣的主要原料氣，考慮廠(chǎng)內(nèi)LNG 運(yùn)行穩(wěn)定性，使用焦?fàn)t煤氣為備用原料氣，采取可切換的雙氣源方式進(jìn)行變壓吸附制氫，氣體成分如表1所列。

表1 原料氣組成 單位：%

2 工藝流程

LNG 富氫氣為原料氣設(shè)計(jì)工藝流程主要由變壓吸附工序、脫氧工序以及儲(chǔ)存工序組成。考慮焦?fàn)t煤氣作為備用氣源，系統(tǒng)額外配置備用的變溫吸附工序和壓縮工序，具體工藝流程如圖1所示。

圖1 焦?fàn)t煤氣或富氫氣制氫工藝流程圖

當(dāng)采用富氫氣體制氫時(shí)，由于不含苯、萘、焦油等高分子雜質(zhì)，同時(shí)氣源壓力可達(dá)1.8 MPa，因此富氫氣體可直接進(jìn)入變壓吸附工序。當(dāng)采用焦?fàn)t煤氣制氫時(shí)，其工藝流程主要包括變溫吸附工序、壓縮工序、變壓吸附工序、脫氧干燥工序以及儲(chǔ)存等。

變溫吸附工序保證進(jìn)入壓縮機(jī)氣體的萘含量＜10 mg/m3，焦油處理到約5 mg/m3，同時(shí)脫除C4 以上雜質(zhì)。焦?fàn)t煤氣經(jīng)過(guò)粗過(guò)濾器過(guò)濾后，進(jìn)入處于吸附步驟的脫萘塔，脫除大部分萘、焦油、C4以上雜質(zhì)，再進(jìn)入焦?fàn)t煤氣緩沖罐供焦?fàn)t煤氣壓縮機(jī)加壓。脫萘塔再生氣使用來(lái)自變壓吸附工序的解吸氣。

壓縮工序使用來(lái)自變溫吸附工序的焦?fàn)t煤氣，壓力約為10 kPa，由于變壓吸附工序壓力要求約為1.8 MPa。壓縮工序主要由2 臺(tái)螺桿壓縮機(jī)構(gòu)成，單臺(tái)壓縮機(jī)處理氣量為700 m3/h，當(dāng)要求產(chǎn)品氫氣量較大時(shí)，需同時(shí)啟動(dòng)2臺(tái)壓縮機(jī)，并聯(lián)使用。

變壓吸附（PSA）工序由精密過(guò)濾器、吸附塔、順?lè)艢饩彌_罐、解吸氣緩沖罐和粗氫緩沖罐構(gòu)成。裝置可滿(mǎn)足富氫氣或焦?fàn)t煤氣獨(dú)立生產(chǎn)高純氫氣，吸附塔內(nèi)吸附劑主要由氧化鋁、脫碳吸附劑和分子篩等組成，填裝量根據(jù)焦?fàn)t煤氣制氫工況進(jìn)行計(jì)算，此填裝量可同時(shí)滿(mǎn)足以富氫氣為原料的情況下的使用。變壓吸附采用5-1-3 變壓吸附工藝，即1 個(gè)吸附塔始終處于進(jìn)料吸附狀態(tài)，其它4 個(gè)塔則處于解吸再生狀態(tài)。5 個(gè)吸附塔交替進(jìn)行吸附、再生操作，從而實(shí)現(xiàn)氣體的連續(xù)分離與提純。

脫氧凈化工序分為脫氧和脫水兩部份，從變壓吸附（PSA）工序來(lái)的氫氣含有少量氧氣，純度尚達(dá)不到要求，需要脫除其中的氧氣。在脫氧塔中裝填的新型Ba 催化劑的催化下，氧和氫反應(yīng)生成水，經(jīng)干燥后產(chǎn)出產(chǎn)品氫。

儲(chǔ)存工序包括氫氣緩沖罐及氫氣純度測(cè)試裝置。在裝置啟車(chē)初期先將2 個(gè)氫氣緩沖罐置換充滿(mǎn)，再通過(guò)另外一條管線(xiàn)減壓后供應(yīng)至冷軋?zhí)幚砭€(xiàn)機(jī)組。

3 氣源切換

當(dāng)LNG 富氫氣氣源供應(yīng)存在問(wèn)題時(shí)，可在線(xiàn)切換至焦?fàn)t煤氣制氫。首先，操作進(jìn)氣閥門(mén)，切斷富氫氣體供應(yīng)，將原料氣變?yōu)榻範(fàn)t煤氣。其次，啟動(dòng)變溫吸附工序和壓縮工序，壓縮工序氣體達(dá)到要求壓力后逐漸向后工序緩慢投料。切換初期，不合格粗氫氣經(jīng)管道返回焦?fàn)t煤氣管網(wǎng)。最后，將合格粗氫氣送入脫氧工序，即可快速實(shí)現(xiàn)由富氫氣至焦?fàn)t煤氣的氣源變更。整個(gè)切換過(guò)程在1 h 內(nèi)完成，期間由氫氣緩存罐向下游用戶(hù)供應(yīng)氫氣。

當(dāng)LNG 富氫氣氣源供應(yīng)恢復(fù)時(shí)，可在線(xiàn)切回至富氫氣制氫。停止壓縮機(jī)運(yùn)行，關(guān)閉變溫吸附工序和壓縮工序。將焦?fàn)t煤氣切換至富氫氣體，緩慢送入PSA 工序，即可實(shí)現(xiàn)富氫氣制氫的快速切回。如氫氣純度存在問(wèn)題，可在切換氣源系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，調(diào)整變壓吸附的吸附壓力和吸附時(shí)間。

4 富氫氣體制氫優(yōu)勢(shì)

目前，LNG 富氫氣體供應(yīng)相對(duì)穩(wěn)定，可滿(mǎn)足制氫站全年連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。為預(yù)防壓縮機(jī)長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)造成設(shè)備故障，根據(jù)下游用氣情況，每月選取連續(xù)的4～12 h 切換至焦?fàn)t煤氣制氫，其余時(shí)間均采用富氫氣制氫。采用富氫氣體制取氫氣，產(chǎn)品氫氣純度可達(dá)到99.999%，氧含量＜2×10-6，露點(diǎn)＜-65 ℃。當(dāng)提高原料進(jìn)氣量時(shí)，可實(shí)現(xiàn)最高500 m3/h 的氫氣產(chǎn)量的要求，氫氣回收率可達(dá)80%。與常規(guī)焦?fàn)t煤氣、天然氣變壓吸附制氫相比，實(shí)現(xiàn)短流程的變壓吸附制氫。極大地降低設(shè)備運(yùn)行的能源和物料消耗，減少壓縮機(jī)設(shè)備維護(hù)，同時(shí)無(wú)含焦油、萘等的危險(xiǎn)廢棄物產(chǎn)生。

5 結(jié)論

（1）采用LNG 富氫氣和焦?fàn)t煤氣雙原料氣變壓吸附制氫，可滿(mǎn)足純度99.999 %、氧含量＜2×10-6、露點(diǎn)＜-65 ℃的要求。

（2）采用富氫氣短流程工藝制氫，極大地降低設(shè)備運(yùn)行的能源和物料消耗，減少壓縮機(jī)設(shè)備維護(hù)，同時(shí)無(wú)含焦油、萘等的危險(xiǎn)廢棄物產(chǎn)生。

（3）機(jī)組采用雙原料氣設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)雙原料氣的在線(xiàn)快速切換，最大程度實(shí)現(xiàn)氫氣供應(yīng)的穩(wěn)定。