焦?fàn)t煤氣制氫尾氣回收

張淑娟+孫建俊

摘 要：制氫尾氣不能回收利用，造成環(huán)境污染、能源浪費(fèi)。該文通過對焦?fàn)t煤氣變壓吸附制氫技術(shù)的原理解釋，解決濟(jì)鋼冷軋廠的制氫尾氣的回收改造問題。此項技術(shù)雖然有投資小，產(chǎn)量大，技術(shù)安全等優(yōu)點，但由于長期以來，原設(shè)計方案將制氫尾氣大量散到空氣中，造成大面積環(huán)境污染。該文針對制氫尾氣的組成成分，對舊尾氣管路進(jìn)行改造，將制氫尾氣引到酸再生機(jī)組，變廢為寶，這樣既可消除煤氣制氫尾氣放散存在的安全隱患，減少焦轉(zhuǎn)混合煤氣的使用量，又能保證冷軋北區(qū)周圍的大氣環(huán)境不受煤氣污染，還能解決煤氣放散浪費(fèi)的問題，可謂一舉多得。

關(guān)鍵詞：制氫尾氣 變壓吸附 回收率 高壓

中圖分類號：YQ028.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

1制氫尾氣的來源及組成

1.1制氫尾氣的來源

改革開放三十幾年來，隨著我國鋼產(chǎn)量的穩(wěn)步提升，焦碳產(chǎn)業(yè)也日益發(fā)展壯大起來。1979年，我國焦碳年產(chǎn)量4892萬噸，截止2012年2月，我國焦炭月產(chǎn)量3430.4萬噸，僅2012年1～2月焦炭累計產(chǎn)量達(dá)6893.2萬噸。在煤碳煉焦過程中，產(chǎn)生大量的焦?fàn)t煤氣（coke oven gas），它的主成分是H2，CH4 和CO等可燃性氣體。目前采用變壓吸附制氫技術(shù)（Pressure Swing Adsorption，簡稱PSA）從焦?fàn)t煤氣中提取純度為99.9%以上的氫氣，這種方法是解決焦?fàn)t煤氣的有效途徑。它的特點在于：制氫純度高，操作方便，易于實現(xiàn)自動化，可完全實現(xiàn)計算機(jī)控制，吸附劑使用時間較長，現(xiàn)廣泛使用PSA吸附劑，它失活后還可再生。

1.2制氫尾氣的組成

將氫分離，還會產(chǎn)生大量高沸點尾氣。據(jù)實驗數(shù)據(jù)分析，來自濟(jì)鋼冷軋北區(qū)（原彩板廠）煤氣制氫站，使用焦?fàn)t煤氣制氫，制氫產(chǎn)生的煤氣尾氣主要成分是： H25%～10%， O2 0.4%～0.8%， N2 6%～10%， CO 10%～16%， CO2 3%～6%， CH4 46%～56%， CmHn 2%～4%； 平均壓力0.8 MPa； 平均熱值29 308 kJ/m3。制氫尾氣所產(chǎn)生的熱量比制氫前的焦?fàn)t煤氣的熱量高約80%。按照廠區(qū)內(nèi)機(jī)組的實際產(chǎn)量， 每小時的制氫尾氣大約有800立方[1]。每天不間斷運(yùn)行，按照一年320 d生產(chǎn)日，可計算得出每年排放到空氣中的有害氣體（尾氣）達(dá)620萬立方。對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，并且不滿足現(xiàn)代社會公眾對廠區(qū)的要求，若不進(jìn)行設(shè)備改造，機(jī)組就要關(guān)停。特別對于生活在廠區(qū)的人們，危害很大，引起了社會的關(guān)注。但若是只對尾氣進(jìn)行過濾，成本就會大大提高。針對這一問題，已經(jīng)提出了改造方案并進(jìn)行了實施，既消除了空氣污染，又對尾氣進(jìn)行了回收利用，一舉兩得。

2原設(shè)計缺陷

在冷軋廠（南區(qū)）退火機(jī)原設(shè)計用于鍍鋅退火爐，但由于鍍鋅斷續(xù)生產(chǎn)，所以制氫后的煤氣尾氣只能經(jīng)放散管直接排放到大氣中。每小時實際放散的煤氣尾氣在1000立方左右，致使冷軋北區(qū)存在較大的安全隱患，造成周圍大氣環(huán)境污染和大量高熱值的煤氣資源白白浪費(fèi)。每年尾氣放散量為620萬立方，排放到空氣中造成了環(huán)境大面積污染，浪費(fèi)了大量能源。而且退火機(jī)組和酸再生機(jī)組的生產(chǎn)組織過程中，又存在著煤氣使用的矛盾，兩機(jī)組都通過一根管道使用焦轉(zhuǎn)混合煤氣。退火機(jī)組所需煤氣熱值最高為2000 kcal，而酸再生機(jī)組所需煤氣最低熱值為2100 kcal，目前通過煤氣管道輸送到冷軋的焦轉(zhuǎn)混合煤氣的熱值為2000～2100 kcal，也就是說集團(tuán)公司向冷軋輸送的焦轉(zhuǎn)混合煤氣的熱值剛達(dá)到冷軋退火機(jī)組所需的上限和酸再生機(jī)組的下限，為此，酸再生機(jī)組往往由于煤氣熱值不夠被迫停產(chǎn)，造成酸洗線產(chǎn)生的廢酸處理不掉，從而經(jīng)常造成酸洗-軋機(jī)生產(chǎn)線的非計劃停產(chǎn)，并且由于酸再生的停產(chǎn)使得煤氣輸送管道中壓力不斷變化，從而影響了退火機(jī)組溫度的不穩(wěn)定。

3改造設(shè)計

計劃一：如果把煤氣制氫站放散的尾氣直接引到鍍鋅線，得出結(jié)論，尾氣可完全滿足還原退火爐的需要。鍍鋅線還原退火爐每小時用焦?fàn)t煤氣量約為1 300 立方，經(jīng)過計算，得到還原退火爐每小時所需尾氣量為742立方[2]。在鍍鋅機(jī)組還原退火爐和制氫機(jī)組同時連續(xù)生產(chǎn)的情況下，制氫機(jī)組產(chǎn)生的尾氣仍約有58立方放散掉， 尾氣利用率為92.75%。該改造于 2010年 8月份對該方案進(jìn)行了實施， 效果完全可行。但是這種方法不能完全解決制氫尾氣的回收。

計劃二：如果把煤氣制氫站放散的高熱值尾氣引到酸再生，尾氣不足部分可用原焦轉(zhuǎn)混合煤氣補(bǔ)充，可以最大限度發(fā)揮酸再生機(jī)組的生產(chǎn)能力，這樣既可消除煤氣制氫尾氣放散存在的安全隱患，減少焦轉(zhuǎn)混合煤氣的使用量，又能保證冷軋北區(qū)周圍的大氣環(huán)境不受煤氣污染，還能解決煤氣放散浪費(fèi)的問題，可謂一舉多得。經(jīng)過反復(fù)論證后，決定將制氫尾氣引到酸再生機(jī)組。

酸再生機(jī)組是冷軋工序的輔助機(jī)組， 它主要用來處理酸洗線產(chǎn)生的廢鹽酸。廢鹽酸成分包括游離鹽酸 （HCl）以及氯化亞鐵 （ FeCl2）。酸再生焙燒爐一直是和退火機(jī)組共用一根煤氣管道。在酸再生設(shè)備 （ ARP）中， 廢鹽酸首先在文氏管洗滌塔內(nèi)由傳導(dǎo)熱進(jìn)行濃縮， 來自焙燒爐的廢氣溫度將在此從 400℃ 降低到大約 90℃[3]。在上述過程中， 焙燒爐的主要燃料是焦轉(zhuǎn)混合煤氣， 消耗量 1800 m3/h 。焦轉(zhuǎn)煤氣的組成成分為焦?fàn)t煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣，它們的比例為1：9，綜合熱值達(dá)到8364～9200 KJ/m3。

綜合以上分析， 我們把制氫尾氣引入到酸再生機(jī)組作為焙燒爐的燃料使用， 解決的焙燒爐的燃料問題。同時， 測得尾氣平均壓力0.8 MPa；平均熱值29308 kJ/m3，高于酸再生焙燒爐用氣設(shè)計壓力 （ 0.1 MPa）， 為保證焙燒爐的安全穩(wěn)定生產(chǎn)， 我們在新增管路上設(shè)計了一套煤氣減壓閥， 用以保障焙燒爐用氣壓力的穩(wěn)定。該方案投資大， 設(shè)計復(fù)雜， 整改周期較長， 優(yōu)點是尾氣利用效率高， 尾氣利用率可達(dá)到 100 %。第二種方案于2012年10月進(jìn)行了實施，效果很好。方案簡圖如下。

圖1 制氫尾氣改造方案簡圖

4 改造后帶來的經(jīng)濟(jì)社會效益

經(jīng)過對制氫機(jī)組工藝的改造，增強(qiáng)了對煤氣中萘、硫化氫的預(yù)處理能力，基本解決了三級壓縮單元控制閥的堵塞問題，實現(xiàn)了制氫機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行[4]，使機(jī)組的檢修周期由原來的一周一次變成了四周一次的正常計劃檢修，提高了機(jī)組的作業(yè)率；通過對制氫尾氣的回收利用，每年可節(jié)省焦?fàn)t煤氣534萬m3，按目前焦?fàn)t煤氣0.82元/m3的價格計算，則每年可直接創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益437.88萬元，同時減輕了環(huán)境污染，創(chuàng)造了社會效益。

參考文獻(xiàn)

[1] 戴四新.變壓吸附技術(shù)在焦?fàn)t煤氣制氫中的應(yīng)用[J].山東冶金，2002（2）：65-66.

[2] 王世安.焦?fàn)t煤氣變壓吸附制氫裝置的設(shè)計及流程改進(jìn)[D].大連理工大學(xué)，2009.

[3] 薛垂義，邵傳收，董凱，等.變壓吸附制氫工藝填料結(jié)構(gòu)優(yōu)化與尾氣回收方案探討[J].冶金設(shè)備，2010（4）：49-52.

[4] 薛垂義，邵傳收，董凱，等.全國首臺熔煉拔渣機(jī)投入運(yùn)行[J].冶金設(shè)備，2010（4）：52-52.