焦?fàn)t煤氣變壓吸附制氫關(guān)鍵問題分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

周亮文（山鋼股份萊蕪分公司，山東萊蕪271104）

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焦?fàn)t煤氣變壓吸附制氫關(guān)鍵問題分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

周亮文
（山鋼股份萊蕪分公司，山東萊蕪271104）

摘要：針對(duì)變壓吸附制氫工藝的原料氣焦?fàn)t煤氣含雜質(zhì)多、單塔產(chǎn)品流間斷、系統(tǒng)控制復(fù)雜等問題，周期性對(duì)制氫工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)對(duì)焦?fàn)t煤氣進(jìn)行凈化和預(yù)處理，確保制氫工藝安全穩(wěn)定；采用6塔工藝，保證適當(dāng)?shù)木鶋捍螖?shù)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品連續(xù)穩(wěn)定輸出；同時(shí)對(duì)復(fù)雜的控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)了制氫機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，產(chǎn)品回收率80%，氫氣純度99.999%。關(guān)鍵詞：制氫；焦?fàn)t煤氣；變壓吸附（PSA）；煤氣凈化；6塔工藝

鋼鐵企業(yè)利用資產(chǎn)資源焦?fàn)t煤氣制取氫氣是實(shí)現(xiàn)資源價(jià)值開發(fā)的途徑之一，PSA制氫裝置的工藝介質(zhì)和設(shè)備狀況是變壓吸附制氫穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵［1］。山鋼股份萊蕪分公司對(duì)焦?fàn)t煤氣變壓吸附制氫技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)和多塔工藝進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，建設(shè)了1 300 m3/h變壓吸附制氫機(jī)組，產(chǎn)品氫氣純度99.999%，并因地制宜將余熱蒸汽應(yīng)用于制氫工藝。

1　問題分析

焦?fàn)t變壓吸附制氫工藝基本構(gòu)成如圖1所示。

圖1　焦?fàn)t煤氣變壓吸附制氫工藝基本構(gòu)成

制氫工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括原料氣預(yù)處理、PSA產(chǎn)品流及全系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。分析認(rèn)為，該工藝系統(tǒng)存在以下問題：

1）原料氣—焦?fàn)t煤氣中含雜質(zhì)多。焦?fàn)t煤氣中雜質(zhì)較多，組分十分復(fù)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(jī)硫、焦油等，這些都是高沸點(diǎn)組分，很難在常溫下脫附。對(duì)變壓吸附采用的吸附劑而言，吸附能力強(qiáng)以至于難于解吸。

2）單塔變壓吸附循環(huán)工作，產(chǎn)品流是間歇的。單個(gè)吸附塔在一次工作循環(huán)中經(jīng)歷高壓下吸附、減壓脫附、充壓等過程，原料氣的輸入和產(chǎn)品氫氣輸出是間歇的，不能滿足用戶需求，應(yīng)選擇多塔交替運(yùn)行工藝，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品氫氣連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。

3）系統(tǒng)控制比較復(fù)雜。選擇6塔交替運(yùn)行PSA工藝，運(yùn)行過程要求根據(jù)系統(tǒng)的各種工藝參數(shù)對(duì)各步驟按預(yù)定程序進(jìn)行切換。工藝中要求在線監(jiān)控的組分多，其中原料氣中的氫含量是計(jì)算裝置回收率的重要指標(biāo)，產(chǎn)品氫中微量水和微量氫是考核工藝產(chǎn)品質(zhì)量的重要參數(shù)。因此系統(tǒng)的控制和操作非常復(fù)雜。

2　工藝原理［2］

經(jīng)過壓縮的焦?fàn)t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(diǎn)組份，達(dá)到預(yù)凈化焦?fàn)t煤氣的目的；然后再經(jīng)過變壓吸附工藝除去氧以外的所有雜質(zhì)組份，獲得99.899%純度的產(chǎn)品氫氣；最終通過催化反應(yīng)除去氫氣中的氧，并經(jīng)變溫吸附干燥，獲得99.999%純度的產(chǎn)品氫氣。

2.1變溫吸附（TSA）工藝

變溫吸附是利用吸附劑對(duì)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(diǎn)雜質(zhì)組份。高溫脫附這些雜質(zhì)，并使吸附劑獲得再生，循環(huán)操作達(dá)到連續(xù)凈化原料氣及干燥的目的。本工程200號(hào)工序預(yù)處理及300號(hào)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(shù)就是利用吸附劑對(duì)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(zhì)CH4、N2、CO、CO2等，不宜吸附的組份—?dú)錃饧把鯕鈩t穿過吸附床作為粗產(chǎn)品輸出，再通過降低吸附床壓力使雜質(zhì)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(chǎn)品，在鈀觸媒存在下通過催化反應(yīng)，使氧與氫生成水，達(dá)到脫除氧的目的。

3　優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1原料氣凈化和預(yù)處理

焦?fàn)t煤氣凈化系統(tǒng)主要用來脫除焦?fàn)t煤氣中的焦油、H2S、萘等雜質(zhì)，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(dá)到變壓吸附原料氣中雜質(zhì)的要求。

將壓力為8～10 kPa的焦?fàn)t煤氣經(jīng)3臺(tái)煤氣壓縮機(jī)（C0101A、B、C，兩開一備）三級(jí)壓縮至1.8 MPa，然后進(jìn)入兩臺(tái)可串并聯(lián)的除油器（T0101A、B）脫除氣體壓縮所帶的油，再進(jìn)入兩臺(tái)并聯(lián)的預(yù)處理器（T0102A、B）脫除其中的烷烴、芳烴及硫化物等，達(dá)到變壓吸附所需壓力及原料氣凈化要求。預(yù)處理器的再生用200號(hào)工序經(jīng)，再生氣加熱器（E0101）加熱到150℃的解吸氣從上到下進(jìn)行再生。再生后的解吸氣經(jīng)再生氣冷卻器（E0102）冷卻至常溫后送出界外。預(yù)處理工序控制參數(shù)：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(yùn)行工藝

多塔變壓吸附的意義在于保證在任何時(shí)刻都有相同數(shù)量的吸附床處于吸附狀態(tài)，使產(chǎn)品能連續(xù)穩(wěn)定地輸出，保證適當(dāng)?shù)木鶋捍螖?shù)，使產(chǎn)品有較高的回收率。

變壓吸附6—2—3/p操作工藝，設(shè)6個(gè)吸附床，任何時(shí)刻均有2個(gè)吸附床同時(shí)進(jìn)料（處于吸附狀態(tài)），實(shí)現(xiàn)3次均壓，同時(shí)采用沖洗步驟。6個(gè)吸附床交替循環(huán)切換操作，產(chǎn)品氫氣連續(xù)穩(wěn)定輸出。每臺(tái)吸附器在不同時(shí)間依次經(jīng)歷吸附、第1級(jí)壓力均衡降（1E1D）、第2級(jí)壓力均衡降（2E2D）、順向降壓、第3級(jí)壓力均衡降（3E3D）、逆向放壓、沖洗、第3級(jí)壓力均衡升（3E3R）、第2級(jí)壓力均衡升（2E2R）、第1級(jí)壓力均衡升（1E1R）和最終升壓（FR）10個(gè)步驟，合計(jì)循環(huán)周期720 s（見表1），每個(gè)步驟溫度參數(shù)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(zhì)，剩余的雜質(zhì)通過順向降壓排除的氫氣進(jìn)行解吸。

表1　變壓吸附循環(huán)各步驟壓力及時(shí)間控制

3.3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用兩級(jí)自動(dòng)控制，下位機(jī)采用小型集散控制系統(tǒng)（DCS）。

1）順序控制。對(duì)全部程控開關(guān)閥進(jìn)行可靠的開關(guān)控制，保證各程序開關(guān)閥按照工藝給定的條件和順序開關(guān)，實(shí)現(xiàn)PSA裝置的正常切換。所有程控開關(guān)閥均由防爆電磁閥驅(qū)動(dòng)，所有程控閥均帶閥位傳感器。計(jì)算機(jī)可隨時(shí)監(jiān)控、顯示所有程控閥的動(dòng)作情況，并可對(duì)程控閥故障進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警和聯(lián)鎖處理。順序控制功能還可以實(shí)現(xiàn)多種切塔和恢復(fù)的控制，運(yùn)行多套程序。

2）均壓速度調(diào)節(jié)。PSA裝置在運(yùn)行過程中，除處于吸附狀態(tài)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(wěn)定，特別是均壓過程，如果過快升降會(huì)嚴(yán)重影響吸附劑的使用壽命。本系統(tǒng)的程控閥門都具有開啟速度調(diào)節(jié)功能，可控制均壓的速度，保證吸附劑的壽命。

3）回路調(diào)節(jié)?？刂葡到y(tǒng)的回路調(diào)節(jié)功能可實(shí)現(xiàn)可靠的PID調(diào)節(jié)、串級(jí)調(diào)節(jié)、分程調(diào)節(jié)等多種控制功能，保證PSA系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，所有控制回路均由計(jì)算機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，參數(shù)修改方便，并可自動(dòng)對(duì)各參數(shù)的異常進(jìn)行報(bào)警和聯(lián)鎖處理。

4）自適應(yīng)隨動(dòng)控制。對(duì)于影響吸附效果的關(guān)鍵調(diào)節(jié)回路，產(chǎn)品氣升壓回路和沖洗控制回路采用自適應(yīng)隨動(dòng)控制，可使產(chǎn)品升壓過程和沖洗過程隨著其他吸附參數(shù)自動(dòng)調(diào)整。

5）優(yōu)化控制?？刂葡到y(tǒng)的優(yōu)化控制功能可依據(jù)PSA迸料量的大小和產(chǎn)品氫氣的純度自動(dòng)地調(diào)整影響吸附的最主要參數(shù)：吸附循環(huán)時(shí)間參數(shù)，在保證產(chǎn)品氧氣純度的同時(shí)保證裝置的產(chǎn)量最大，使裝置自動(dòng)處于最佳的運(yùn)行狀態(tài)。

6）聯(lián)鎖控制?？刂葡到y(tǒng)的聯(lián)鎖控制可實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)故障時(shí)的自動(dòng)保護(hù)（由壓縮機(jī)內(nèi)部PLC實(shí)現(xiàn)），吸附塔故障時(shí)的自動(dòng)連鎖切除，壓縮機(jī)系統(tǒng)超壓時(shí)自動(dòng)連鎖放空與保護(hù)，系統(tǒng)超溫或燃?xì)庑孤r(shí)的安全聯(lián)鎖，產(chǎn)品質(zhì)量不合格時(shí)的聯(lián)鎖放空控制等。

7）壓縮機(jī)控制。本系統(tǒng)壓縮機(jī)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)采用PLC控制，壓縮機(jī)系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)安全放空控制由系統(tǒng)PLC控制。

4　結(jié)論

4.1焦?fàn)t煤氣富含氫氣、甲烷、一氧化碳等，但同時(shí)含有多種雜質(zhì)，除C2～C5等飽和烴和非飽和烴之外，還有苯族化合物、萘、有機(jī)硫、無機(jī)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(chǎn)安全穩(wěn)定運(yùn)行，關(guān)鍵點(diǎn)之一是焦?fàn)t煤氣凈化和預(yù)處理達(dá)到指標(biāo)要求。

4.2采用六塔吸附工藝，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品連續(xù)穩(wěn)定輸出，保證適當(dāng)?shù)木鶋捍螖?shù)，產(chǎn)品回收率80%以上，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。變壓吸附制氫機(jī)組塔多、工藝變換多、參數(shù)多，運(yùn)行控制要求高，系統(tǒng)具有完善的控制設(shè)計(jì)、可靠的程控閥等，才能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、連續(xù)運(yùn)行。

4.3解決了焦?fàn)t煤氣中苯含量高、余熱蒸汽不穩(wěn)定等問題，實(shí)現(xiàn)了制氫機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)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(shè)計(jì)中用于燃料用戶，沒有實(shí)現(xiàn)更高的價(jià)值利用，若能與焦?fàn)t煤氣制天然氣工藝結(jié)合，將會(huì)實(shí)現(xiàn)更大的價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

［1］張敏.焦?fàn)t煤氣變壓吸附制氫在寶鋼的應(yīng)用［J］.冶金動(dòng)力，2006（6）：23-25．

［2］張建偉.變壓吸附原理在工業(yè)制氫中的應(yīng)用［J］.制冷技術(shù)，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(jiǎn)則

《山東冶金》雜志1979年創(chuàng)刊，以促進(jìn)山東冶金工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新和科技發(fā)展為宗旨，主要刊登地質(zhì)水文、采選工藝、焦化、耐火、冶煉、軋鋼、材料、理化檢測(cè)、自動(dòng)控制、冶金設(shè)備、經(jīng)濟(jì)與管理以及相關(guān)學(xué)科的科研成果，同時(shí)也報(bào)道有關(guān)學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)和科技信息等。注重報(bào)道實(shí)施低成本戰(zhàn)略、樹立科學(xué)發(fā)展觀、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、清潔生產(chǎn)、綠色制造、安全環(huán)保、節(jié)能減排的先進(jìn)成果和經(jīng)驗(yàn)；注重報(bào)道構(gòu)建和諧企業(yè)，資源節(jié)約型、環(huán)境友好型企業(yè)，資本運(yùn)營(yíng)、國(guó)企改制、增強(qiáng)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展能力的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和做法；注重報(bào)道對(duì)冶金工業(yè)技術(shù)改造、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化、裝備結(jié)構(gòu)調(diào)整、新產(chǎn)品開發(fā)、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、信息化建設(shè)、走新型工業(yè)化道路等有實(shí)際指導(dǎo)意義的文章。熱誠歡迎省內(nèi)外相關(guān)大專院校、科研院所專家、學(xué)者及冶金工程技術(shù)和管理人員向本刊投稿。

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2論文排列格式：題名→作者→單位→摘要→關(guān)鍵詞→英文題名→作者漢語拼音名→單位英文名稱→英文摘要→英文關(guān)鍵詞→正文→參考文獻(xiàn)→作者簡(jiǎn)介。

3題名要求確切、簡(jiǎn)潔、鮮明、便于檢索。一般不超過20個(gè)字。若文章內(nèi)容是某項(xiàng)資金資助項(xiàng)目也請(qǐng)標(biāo)出，如：*國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（59975054）等。

4作者署名，同一單位不超過5人；2個(gè)以上單位的，每單位不超過3人，并在每個(gè)作者的右上角，按單位順序標(biāo)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(gè)單位，應(yīng)分別列出，并按作者標(biāo)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(jiǎn)介，包括：姓名，性別，出生年，畢業(yè)時(shí)間、院校、專業(yè)?，F(xiàn)職務(wù)、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(yīng)有200字左右的中文摘要，內(nèi)容包括研究的目的、方法、結(jié)果和結(jié)論等，應(yīng)盡量反映文章的主要信息，寫成報(bào)道性短文；列出3～8個(gè)關(guān)鍵詞。

7英文題名以短語為主要形式，應(yīng)少于10個(gè)實(shí)詞；英文摘要與中文摘要對(duì)應(yīng)，一般不超過150個(gè)實(shí)詞；英文關(guān)鍵詞應(yīng)與中文關(guān)鍵詞一一對(duì)應(yīng)。

8層次標(biāo)題一般分3層，用阿拉伯?dāng)?shù)字連續(xù)編號(hào)，如“1”，“2.1”，“3.1.1”……，后空2格排標(biāo)題；應(yīng)簡(jiǎn)短明確，不易過長(zhǎng)（一般不超過15個(gè)字）。也可不用3級(jí)標(biāo)題，只寫順序號(hào)，如1）、2）、3）等。

9文中的圖表采用阿拉伯?dāng)?shù)字順序編號(hào)，先見文，后見圖表。圖表題名應(yīng)簡(jiǎn)明確切。表的結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)潔，空白項(xiàng)為未測(cè)或無此項(xiàng),“－”為未發(fā)現(xiàn),“0”表示實(shí)測(cè)結(jié)果為0。圖要精選，內(nèi)容不得與文字或表格內(nèi)容重復(fù)。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(yīng)有放大倍數(shù)或比例尺。

10使用國(guó)家法定計(jì)量單位及符號(hào)；名詞術(shù)語應(yīng)統(tǒng)一；一篇文章中一種符號(hào)只能代表一種含義，變量符號(hào)用斜體；正確標(biāo)注所用符號(hào)的大小寫、上下標(biāo)。

生產(chǎn)技術(shù)

作者簡(jiǎn)介：周亮文，男，1971年生，1995年畢業(yè)于南昌航空大學(xué)無損檢測(cè)專業(yè)?，F(xiàn)為山鋼股份萊蕪分公司能源環(huán)保部高級(jí)工程師，從事能源管理和鋼鐵余熱余能開發(fā)研究工作。

收稿日期：2015-04-14

中圖分類號(hào)：TQ116.2+3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-4620（2015）06-0029-03