淺談焦?fàn)t煤氣制氫工藝存在的問題和應(yīng)對(duì)方案

王國志

前言

目前，氫氣制取方法較多，優(yōu)選經(jīng)濟(jì)適用的制氫方法能促進(jìn)貴州黔桂天能焦化有限責(zé)任公司苯加氫生產(chǎn)工作順利進(jìn)行，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成生產(chǎn)目標(biāo)，最終氫氣制作效果能夠達(dá)到預(yù)期要求。由此可見，焦?fàn)t煤氣制氫工藝具有應(yīng)用必要性和重要性，掌握工藝應(yīng)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(yōu)勢(shì)全面發(fā)揮。

1 焦?fàn)t煤氣制氫裝置介紹及特點(diǎn)

1.1 介紹

焦?fàn)t煤氣制氫裝置最初由熱吸附凈化空氣裝置升級(jí)而來，隨著美國工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，20世紀(jì)60年代裝置升級(jí)為變壓吸附四床工藝技術(shù)，簡稱變壓吸附技術(shù)，社會(huì)發(fā)展進(jìn)步的同時(shí)，這一技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，常用于冶金行業(yè)、石油化工行業(yè)、環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域。該技術(shù)適用于高溫環(huán)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(shí)，根據(jù)壓力變化影響氣體吸附效果這一規(guī)律有序分離。

1.2 特點(diǎn)

焦?fàn)t煤氣制氫裝置特點(diǎn)表現(xiàn)為：聯(lián)合應(yīng)用變溫吸附方式和變壓吸附方式，這能提高相同吸附時(shí)間內(nèi)空氣凈化度，結(jié)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(dòng)化特點(diǎn)顯著，由于該裝置介質(zhì)氣體燃點(diǎn)較低，并極易爆炸，因此，需要借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行閥門控制，合理設(shè)置、調(diào)節(jié)各項(xiàng)參數(shù)，同時(shí)，計(jì)算機(jī)技術(shù)操作十分便捷，能高效檢測(cè)產(chǎn)品合格率；能耗低又是該裝置的主要特點(diǎn)，氫氣制作完成后，解吸氣體重復(fù)利用效率較高，在提高解吸氣體利用效率的同時(shí)，還能全面監(jiān)督裝置應(yīng)用效果，一旦裝置有氣體泄漏現(xiàn)象發(fā)生，則警報(bào)裝置會(huì)即刻報(bào)警，同時(shí)，中控計(jì)算機(jī)會(huì)細(xì)致檢測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)，控制產(chǎn)品質(zhì)量，做好參數(shù)數(shù)值調(diào)節(jié)工作，以此降低故障發(fā)生幾率。

2 焦?fàn)t煤氣制氫工藝具體分析

2.1 基本原理

焦?fàn)t煤氣制氫工藝的系統(tǒng)組成部分主要有三種，第一種組成部分即制氫系統(tǒng)，第二種組成部分即變溫系統(tǒng)，第三種組成部分即氫氣精制系統(tǒng)，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(guān)系變化情況如圖1所示。當(dāng)溫度不變時(shí)，壓力與吸附容量呈正比例相關(guān)；當(dāng)壓力保持不變時(shí)，溫度與吸附容量呈反比例相關(guān)。因此，氫氣實(shí)際制作的過程中，應(yīng)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(huán)時(shí)間較短、用量較少，吸附劑浪費(fèi)量較少，常用于提取組分氣體或者多量氣體，應(yīng)用過程中無需更換換熱設(shè)備。變溫吸附原理：循環(huán)時(shí)間較長、成本投入較多，常用于提取少許雜質(zhì)氣體或者雜質(zhì)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(zhì)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?fàn)t煤氣狀態(tài)會(huì)失去穩(wěn)定性，一旦焦?fàn)t煤氣制作期間長時(shí)間解除于空氣，極易發(fā)生爆炸現(xiàn)象。再加上，焦?fàn)t煤氣組分種類較多，其在凈化處理過程中應(yīng)對(duì)雜質(zhì)高效處理，并合理設(shè)計(jì)制作工序（如圖2），選擇優(yōu)質(zhì)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(biāo)，并將其輸送至第二道工序；第二道工序負(fù)責(zé)深入祛除有害成分，具體包括氣體機(jī)油、苯、硫化物、焦油、高級(jí)烴類、萘等；第三道工序負(fù)責(zé)祛除雜質(zhì)，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?dú)?，確保氫氣純度達(dá)到要求的標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 焦?fàn)t煤氣制作氫氣工序

2.2.2 吸附工藝

變壓吸附工藝：應(yīng)用于該工藝的吸附劑只能吸附定量雜質(zhì)，因此，應(yīng)做好深度吸附相關(guān)操作，在這一過程中，首先進(jìn)行降壓操作，針對(duì)塔內(nèi)氫氣通過順向、逆向降壓操作回收；然后沖洗吸附劑雜質(zhì)；最后做好沖壓準(zhǔn)備。

變溫吸附工藝：該工藝持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，高效應(yīng)用預(yù)處理器，同時(shí)，對(duì)塔進(jìn)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(yīng)完成雜質(zhì)吸附目的。

3 常見問題及應(yīng)對(duì)方案

貴州黔桂天能焦化有限責(zé)任公司利用焦?fàn)t煤氣制氫工藝進(jìn)行氫氣制取時(shí)，焦?fàn)t煤氣處理后，其組分及含量如表1所示，這與制氫要求的焦?fàn)t煤氣清潔度存在較大差距，問題總結(jié)、問題應(yīng)對(duì)方案如下。

表1 處理后焦?fàn)t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(jié)冰，并且緩沖罐內(nèi)部已被帶進(jìn)冷凝液，最終會(huì)弱化煤氣壓縮機(jī)應(yīng)用狀態(tài)，增加設(shè)備運(yùn)行阻力，同時(shí)，吸附壓力也會(huì)受到不利影響。應(yīng)對(duì)方案：氮?dú)饧訜崽幚砗?，?yīng)用熱氮?dú)夥情g斷吹掃，以此加快冬季脫萘器再生速度[2]。

3.2 煤氣壓縮機(jī)一級(jí)排氣壓力較強(qiáng)

一級(jí)排氣壓力增強(qiáng)情況極易發(fā)生于試車階段，此時(shí)，煤氣壓縮機(jī)出口壓力在0.25～0.29MPa之間，待壓力值接近0.35MPa后，極易出現(xiàn)一級(jí)安全閥起跳現(xiàn)象。之所以會(huì)發(fā)生這一現(xiàn)象，主要受二級(jí)進(jìn)氣閥泄露影響。應(yīng)對(duì)方案：細(xì)致處理進(jìn)氣閥，適當(dāng)降低或者及時(shí)更換進(jìn)氣閥墊。

3.3 煤氣壓縮機(jī)進(jìn)口壓力較弱

受季節(jié)氣溫溫差過大影響，冬季白天氣溫高于夜晚，煤氣壓縮機(jī)進(jìn)口壓力受夜晚低溫影響不斷降低，最后需要進(jìn)行粗脫萘器更換操作。主要是因?yàn)樵偕^程中會(huì)因蒸汽凝結(jié)成將粗脫萘器出口封閉。應(yīng)對(duì)方案：適當(dāng)降低粗脫萘器閥門點(diǎn)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(shí)際應(yīng)用的過程中會(huì)產(chǎn)生大量廢氣，這類廢氣會(huì)在蒸汽帶動(dòng)下混于空氣，一旦所在環(huán)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(fā)生后，極易增加安全風(fēng)險(xiǎn)。這一問題出現(xiàn)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(zhì)極易被蒸汽水帶進(jìn)污水槽，由于雜質(zhì)會(huì)散發(fā)有害氣態(tài)，進(jìn)而會(huì)間接威脅人體健康。應(yīng)對(duì)方案：安裝冷卻器于適當(dāng)位置，該設(shè)備通過將蒸汽轉(zhuǎn)換為液態(tài)水，并將其引至污水槽，以免雜質(zhì)直接暴露于空氣。需要注意的是，調(diào)節(jié)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(tǒng)改造工作

為了在短時(shí)間內(nèi)優(yōu)化煤氣質(zhì)量，務(wù)必對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)順利改造，這不僅能夠促進(jìn)壓縮機(jī)有序、平穩(wěn)運(yùn)行，而且還能提高氫氣穩(wěn)定性。系統(tǒng)改造期間，應(yīng)堅(jiān)持基本原則，如低成本、較小占地空間、較短改造時(shí)間，同時(shí)，適當(dāng)減少設(shè)備、程控閥、管線等對(duì)象的更換量，盡可能提高原有設(shè)備應(yīng)用效率，對(duì)于吸附劑，應(yīng)以高性能為選擇標(biāo)準(zhǔn)，這能促進(jìn)改造目的順利實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)具體改造介紹如下：

預(yù)處理系統(tǒng)：增設(shè)不同類型程控閥數(shù)量，其中，DN50型兩臺(tái)，DN100一臺(tái)；調(diào)整現(xiàn)有系統(tǒng)程序；預(yù)處理工序操作壓強(qiáng)設(shè)置為2.4MPa。

壓縮系統(tǒng)：應(yīng)用直接進(jìn)焦?fàn)t煤氣；將一級(jí)加壓系統(tǒng)壓力增至0.23MPa。

增設(shè)焦?fàn)t煤氣高效凈化濾潔器：該設(shè)備能夠提高雜質(zhì)祛除效率，設(shè)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(jìn)氣均布器、不銹鋼波紋凈化器等。設(shè)備工作原理為：焦?fàn)t煤氣途徑均布器進(jìn)入脫焦凈化層，在這一過程中，焦炭能夠?qū)褂挽F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(huì)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(shí)現(xiàn)液滴、氣液分離[3]。

4 結(jié)論

綜上所述，貴州黔桂天能焦化有限責(zé)任公司針對(duì)苯加氫進(jìn)行生產(chǎn)管理時(shí)，應(yīng)用焦?fàn)t煤氣制氫工藝提高氫氣純度，針對(duì)常見問題采取針對(duì)性措施和系統(tǒng)改造方法進(jìn)行妥善處理，這不僅能夠發(fā)揮焦?fàn)t煤氣制氫工藝的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，而且還能降低氫氣制作成本。因此，相關(guān)學(xué)者應(yīng)對(duì)這一工藝深入研究，掌握該工藝的應(yīng)用技巧，這對(duì)企業(yè)生產(chǎn)效益增加，企業(yè)持續(xù)發(fā)展有重要意義。

[1]姚鑫.焦?fàn)t煤氣制氫工藝研究現(xiàn)狀[N].世界金屬導(dǎo)報(bào)，2015-10-06（B10）.

[2]楊志彬.焦?fàn)t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(yīng)工程學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（上冊(cè)）[C].中國金屬學(xué)會(huì)、冶金反應(yīng)工程學(xué)分會(huì)，2013：8.

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