QHS-800氫氣凈化系統(tǒng)在氫還原工藝的應(yīng)用

孟慶偉

（吉林吉恩鎳業(yè)股份有限公司，吉林 磐石 132311）

0 前言

吉林吉恩鎳業(yè)股份有限公司第三精煉廠以氫氣還原氧化鎳作為生產(chǎn)羰基鎳粉的原料，還原過程產(chǎn)出的尾氣經(jīng)過簡單水洗除塵后配以純氫重新進(jìn)入系統(tǒng)循環(huán)使用。然而，經(jīng)過簡單處理后的尾氣由于水分含量高，不能滿足生產(chǎn)要求。公司經(jīng)分析論證，決定與有關(guān)單位合作，采用氫氣凈化裝置對還原后氣體進(jìn)行處理，處理后的氫氣再循環(huán)使用。該裝置于2009年7月投入使用，滿足了生產(chǎn)要求。

1 氫氣凈化系統(tǒng)的工作原理和工藝流程

1.1 工作原理

用氫設(shè)備排出的含有固體和氣體雜質(zhì)的氫氣經(jīng)布袋過濾除去大部分固體雜質(zhì)后，進(jìn)入淋洗塔用水除去微塵，同時氫氣溫度降至室溫左右，部分水被除去，之后再進(jìn)入冷卻系統(tǒng)進(jìn)一步冷卻除去大部分水，回收凈化后的氫氣與補(bǔ)充氫氣合并后進(jìn)入干燥塔,經(jīng)分子篩吸附,達(dá)到所需要的露點,再送入用氫設(shè)備循環(huán)使用。

1.2 工藝流程

還原爐出來的高溫廢氫氣經(jīng)過淋洗塔水洗，其中攜帶的粉塵及微小顆粒雜質(zhì)被洗去，然后進(jìn)入緩沖罐，經(jīng)過冷凝，氣液分離，廢氫氣中的大部分水被除去，氣體的露點可達(dá)到5～10℃，然后進(jìn)入循環(huán)壓縮風(fēng)機(jī)（羅茨風(fēng)機(jī)）進(jìn)行增壓；經(jīng)風(fēng)機(jī)加壓后的廢氫氣進(jìn)入除油罐，除去系統(tǒng)前級帶來的油等雜質(zhì)，進(jìn)入氫氣凈化裝置，使得氣體的氧含量及露點達(dá)到要求值；凈化后的氫氣進(jìn)入純氣緩沖罐，作為原料氣供給還原爐使用。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 主要參數(shù)

主要設(shè)計參數(shù)：最大處理量（標(biāo)）≥800m3/h，產(chǎn)品氫氣壓力≥0.01MPa（可調(diào)），產(chǎn)品氫氣露點≤-60℃。

2.2 系統(tǒng)組成

整個裝置由降溫淋洗、增壓除油、凈化干燥、壓力調(diào)節(jié)、自動控制五部分組成。

2.2.1 降溫淋洗

淋洗（水洗）主要是洗去廢氫氣中攜帶的粉塵及微小顆粒雜質(zhì)。淋洗塔內(nèi)用篩板隔成3層，每層鋪100 mm左右厚的瓷球，以使氣液充分接觸，有效地除去廢氫氣中的粉塵及微小顆粒雜質(zhì)。在淋洗塔的頂部封頭內(nèi)裝有瓷球，可過濾氣體攜帶的水。

淋洗塔配有兩臺增壓水泵（一開一備），用于淋洗塔內(nèi)水循環(huán)噴淋。運(yùn)行過程中，觀察水箱的液位，液位的高度不小于水箱的80%，同時觀察水質(zhì)，若明顯變臟，則對水箱內(nèi)的水進(jìn)行置換?？梢圆扇⊥瑫r排水和補(bǔ)水的方式進(jìn)行置換，這樣即不影響系統(tǒng)正常工作，也利于控制水箱內(nèi)的水質(zhì)，具體操作依據(jù)現(xiàn)場實際情況而定。

2.2.2 增壓除油

降溫淋洗后的廢氫氣進(jìn)行增壓除油，具體工藝步驟如下：

（1）淋洗處理后的廢氫氣先進(jìn)入10 m3緩沖罐，部分水分析出，緩沖罐底部設(shè)有排污口，由程序控制自動排污，排污時間依據(jù)現(xiàn)場情況確定。隨后進(jìn)行冷凝和氣水分離，除去氣體中的大部分水，氣體的露點可達(dá)到5～10℃。

（2）廢氫氣（壓力約為200 Pa左右）進(jìn)入羅茨風(fēng)機(jī)，將壓力提升到0.035～0.05 MPa，但不高于0.05 MPa。系統(tǒng)共兩臺羅茨風(fēng)機(jī)，羅茨風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中會發(fā)熱，溫度一般在50～60℃，可用冷卻水噴淋降溫。運(yùn)行使用過程中要定期檢查風(fēng)機(jī)的油位，油位不得低于窺視孔。

（3）增壓后的廢氫氣進(jìn)入除油罐，除油罐內(nèi)裝有專用除油劑，廢氫氣從除油罐的底部進(jìn)入頂部排出，其中的油污在通過除油罐時被吸附，以免油被后級的催化劑或分子篩吸附，影響分子篩的性能。

2.2.3 凈化干燥

采用一種特殊處理過的分子篩干燥氫氣。分子篩的孔徑為4埃，可吸附小于4埃的任何分子。氫氣流經(jīng)干燥器時，大多數(shù)水分子和雜質(zhì)等被4埃分子篩吸附，氫分子則穿透分子篩床層流出干燥器。分子篩使用一段時間后，上面的水分子和雜質(zhì)將達(dá)到飽和，需進(jìn)行再生處理。分子篩的再生是通過加熱吹掃完成的，高溫時，所吸附的水分子和雜質(zhì)蒸發(fā)，然后通過吹掃氣進(jìn)行傳熱和引流。當(dāng)分子篩達(dá)到一定溫度后，上面的所有水分子和雜質(zhì)被脫附，并在吹掃氣的作用下被排空。為了連續(xù)供氣，在一個干燥器為生產(chǎn)狀態(tài)時，另一個干燥器處于再生狀態(tài)。系統(tǒng)的最佳操作壓力為不大于0.05 MPa。

干燥過程通過PLC控制氣動碟閥，實現(xiàn)各組干燥器的吸附與再生。除水干燥部分的再生流量控制在200～450 m3/h，用來給予再生干燥器一定量的再生氣以幫助再生干燥器的解吸，此流量第一次開機(jī)調(diào)試好后基本不再調(diào)節(jié)，保持當(dāng)初的開度即可。

干燥器再生使用外加熱器，再生時將電控箱面板上的“加熱器電源開關(guān)”打開，調(diào)節(jié)溫控儀（第一次調(diào)節(jié)好后，以后無需再調(diào)節(jié)），開始加熱再生。再生溫度高有利于再生完全，但溫度過高使吸附劑使用壽命縮短，甚至燒壞，而且也會降低電加熱棒的使用壽命。加熱器的加熱溫度由加熱器頂部及側(cè)面熱電偶控制（即“加熱器溫控”和“加熱器監(jiān)控”），設(shè)定在330℃左右，不得超過350℃。

當(dāng)再生干燥器下端溫度計顯示為120～150℃時，表示干燥器再生結(jié)束，此時可關(guān)閉“加熱器電源開關(guān)”。從開始加溫至再生加熱結(jié)束一般要經(jīng)過6 h左右，可根據(jù)設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)整。

干燥后的回收氣再經(jīng)過過濾器，除去干燥時帶入的微量粉塵。過濾器用剛玉管作過濾組件，使用一段時間后，若出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象（可通過過濾器前后的壓差來判斷），將濾芯拆卸下來用水清洗，吹掃干凈后恢復(fù)原狀可重復(fù)使用。

2.2.4 壓力調(diào)節(jié)

經(jīng)過純化的回收氣進(jìn)入10 m3儲氣罐，依據(jù)還原爐的使用要求，壓力控制在0～0.05 MPa，故在純氣管路上安裝一套自立式調(diào)節(jié)閥，用以穩(wěn)定系統(tǒng)的出口壓力，從而達(dá)到穩(wěn)定還原爐工作壓力的目的。

為了維持系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，在系統(tǒng)的高壓端進(jìn)行補(bǔ)氫，自立式壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)試完畢后，不可隨意調(diào)節(jié)，以免造成壓力波動。

2.2.5 自動控制

控制系統(tǒng)由德國西門子CPU224型程序邏輯控制器（PLC）、露點儀、氫分儀、控氧儀、溫控儀、流量計及輔助線路等構(gòu)成。

控制系統(tǒng)按一定的時序發(fā)出信號，控制各氣動閥門的開閉。

控溫儀連續(xù)監(jiān)控再生干燥器及除氧器的監(jiān)控溫度和溫控溫度，在規(guī)定的加熱時間內(nèi)，若溫度高于設(shè)定值，控制系統(tǒng)會切斷電源停止加熱，若溫度低于設(shè)定值，則會接通電源繼續(xù)加熱。

3 生產(chǎn)實踐

3.1 實際運(yùn)行

QHS-800氫氣凈化裝置2008年末開始建造，2009年5月進(jìn)行安裝調(diào)試，7月正式投入生產(chǎn)，經(jīng)過試車和性能考核，各項技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求：最大處理量（標(biāo)）≥800 m3/h，產(chǎn)品氫氣壓力≥0.01 MPa（可調(diào)），產(chǎn)品氫氣露點≤-60℃，滿足氧化鎳還原窯的用氫需求。

3.2 存在的問題

雖然本裝置工藝和設(shè)備運(yùn)行良好，然而受手動蝶閥密封效果不好和人為操作等因素的影響，系統(tǒng)運(yùn)行一段時間后有少量氫氣泄漏，導(dǎo)致氫氣回收率降低。

4 結(jié)束語

QHS-800氫氣凈化裝置工藝簡單，自動化程度高，操作簡便，運(yùn)行安全可靠，能耗低，經(jīng)過試車和性能考核，各項指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求，具有很好的推廣應(yīng)用價值。