鋼鐵廠富氫尾氣綜合利用工藝開(kāi)發(fā)

郭明鋼 卞 冰 米盼盼 楊曉航 李?？?/p>

(1.大連理工大學(xué)盤(pán)錦產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院， 遼寧 盤(pán)錦 124221;2.沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)輔機(jī)成套工程有限公司， 遼寧 沈陽(yáng) 110869)

0 前言

氫能清潔無(wú)排放，能源利用效率高，儲(chǔ)存運(yùn)輸方便，能直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，并且氫能的原料?lái)源廣，制取方式豐富。因此，氫能被稱(chēng)作21世紀(jì)最具開(kāi)發(fā)價(jià)值的二次能源之一，可解決當(dāng)下的能源短缺、環(huán)境污染等世界性難題[1]。氫能的應(yīng)用主要有作為清潔能源使用和化工原料等方面[2]。鋼鐵工業(yè)中就用到了大量氫氣?，F(xiàn)階段，氫氣在鋼鐵廠主要用于直接還原鐵、冷軋車(chē)間的退火過(guò)程、加氫精制過(guò)程等[3]，詳見(jiàn)表1。

表1 H2在鋼鐵廠中的應(yīng)用

鋼鐵廠的煉焦過(guò)程會(huì)產(chǎn)生富氫氣體——焦?fàn)t煤氣。焦?fàn)t煤氣含氫量為55%～66%，是一種極具經(jīng)濟(jì)價(jià)值的氣體能源。2012年，我國(guó)焦炭的產(chǎn)量就已經(jīng)達(dá)到了4.4億t左右，約占全球焦炭總產(chǎn)量的70%。通常每生產(chǎn)1 t焦炭，會(huì)產(chǎn)生大約430 m3的焦?fàn)t煤氣。目前，國(guó)內(nèi)大部分大型鋼鐵廠將焦?fàn)t煤氣用作加熱燃料，少部分將焦?fàn)t煤氣用于發(fā)電、合成、制備氫氣和直接還原鐵等過(guò)程[4-7]。若焦?fàn)t煤氣用作加熱燃料，焦化企業(yè)僅可回收24%左右的焦?fàn)t煤氣副產(chǎn)品，損失了大部分可利用能源，并會(huì)排放大量二氧化碳。如果能將這部分損失的焦?fàn)t煤氣轉(zhuǎn)化為更具能源價(jià)值的產(chǎn)品，將大幅提高中國(guó)鋼鐵行業(yè)的能源效率。

目前氫氣回收的技術(shù)[8-13]主要有深冷分離法、變壓吸附氣體分離法、氣體膜分離法。深冷分離法[8]利用氫氣(沸點(diǎn)-252.6 ℃)與其他組分(沸點(diǎn)大于-195.8 ℃)的沸點(diǎn)差，通過(guò)降低氣體溫度，將沸點(diǎn)較高的雜質(zhì)氣體組分冷凝為液體。在實(shí)際的深冷分離操作過(guò)程中，需要使用壓縮機(jī)和氣體冷卻設(shè)備，能耗和成本均較高，并且該方法處理不同組成的原料氣的靈活性差，有時(shí)需要補(bǔ)充制冷劑，目前已不用于工業(yè)中氫氣的回收利用[9]。變壓吸附氣體分離方法(PSA)是目前工業(yè)上常用的一種氣體分離工藝，通過(guò)改變吸附過(guò)程的壓力，在吸附裝置內(nèi)進(jìn)行氣體的吸附、解吸循環(huán)過(guò)程，具有能耗低且吸附、解吸循環(huán)周期短等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛地用于分離和回收混合氣體中的氫氣，以及氮?dú)狻⒀鯕?、二氧化碳及其他氣體的提純[10]。但變壓吸附法提純氫氣存在閥口故障率高，氫氣回收率不高，尾氣壓力低、再利用困難等缺點(diǎn)[11]。氣體膜分離法是利用在一定的壓力條件下，混合氣體通過(guò)膜組件時(shí)，不同的氣體組分具有不同滲透速率的原理實(shí)現(xiàn)氣體組分的分離[12]。氣體膜分離法具有裝置簡(jiǎn)便、能耗低、分離效率高的優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是21世紀(jì)最有應(yīng)用前景的新技術(shù)之一[13]，但存在氫氣濃度偏低等缺點(diǎn)。

根據(jù)鋼鐵廠富氫氣體的特點(diǎn)和生產(chǎn)實(shí)際工況，為回收鋼鐵廠富氫氣體，現(xiàn)階段急需開(kāi)發(fā)將不同分離技術(shù)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的耦合工藝，因此本文開(kāi)發(fā)了以膜技術(shù)為核心的膜分離技術(shù)與變壓吸附技術(shù)耦合的工藝。

1 過(guò)程設(shè)計(jì)與優(yōu)化

1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

某煉鋼廠焦?fàn)t煤氣溫度為40 ℃，壓力為100 kPa，流量為2 400 Nm3/h，組成見(jiàn)表2。

表2 焦?fàn)t煤氣組成

1.2 氫氣分離膜性能及模擬

聚酰亞胺(PI)中空纖維氣體分離膜常用于分離回收氣體中的氫氣[14]，為了使研究得到的分離工藝具有較好的分離效率和較低的能耗，并且使模擬結(jié)果接近實(shí)際的分離過(guò)程，本文選取Permea公司商業(yè)化的Prism-Ⅱ聚酰亞胺中空纖維分離膜來(lái)分離回收鋼鐵廠焦?fàn)t煤氣中的氫氣。鋼鐵廠焦?fàn)t煤氣中各氣體組分在該膜中的滲透速率J見(jiàn)表3。

表3 鋼鐵廠焦?fàn)t煤氣中各組分在聚酰亞胺膜中的滲透速率

流程模擬軟件Aspen HYSYS中沒(méi)有成熟的膜分離單元操作模型。起初，Hyprotech公司根據(jù)膜分離的市場(chǎng)需求設(shè)計(jì)出了膜分離單元操作模型，但是該模型的問(wèn)題在于規(guī)定了滲透測(cè)氣體的壓力為0 kPa，直接忽略了膜滲透測(cè)的壓力大小對(duì)于膜分離過(guò)程的影響。在實(shí)際的膜分離過(guò)程中，分離條件和分離要求不同，膜滲透測(cè)的壓力是變化的，導(dǎo)致該模型在實(shí)際的模擬過(guò)程中存在較大誤差。

大連理工大學(xué)聶飛等[15]對(duì)原有的膜分離模型進(jìn)行改進(jìn)，使用新的操作頁(yè)面，定義改進(jìn)后的膜分離單元為“Optimization”，但是在實(shí)際的操作中發(fā)現(xiàn)，該膜分離模型的計(jì)算靈敏性和收斂性較差，無(wú)法達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求。王鵬宇[16]利用Aspen HYSYS模擬軟件中的電子計(jì)算表(Spreadsheet)、切割器(Component Splitter)和調(diào)節(jié)器(Adjust)之間的關(guān)聯(lián)來(lái)進(jìn)行膜分離過(guò)程的迭代運(yùn)算?；谕貔i宇的研究，大連理工大學(xué)陳博開(kāi)發(fā)出了最新的膜分離插件MemCal.dll。添加該插件后，可以直接在Aspen HYSYS模擬軟件中加入膜分離單元，并根據(jù)實(shí)際的氣體分離情況設(shè)置膜組件參數(shù)、膜面積的大小、膜兩側(cè)壓力等操作參數(shù)，提高了膜分離模擬過(guò)程的準(zhǔn)確性。膜分離單元模塊如圖1所示，膜分離單元的參數(shù)設(shè)計(jì)界面如圖2所示。

圖1 膜分離單元模塊

圖2 膜分離單元的參數(shù)設(shè)計(jì)界面

2 膜分離-變壓吸附耦合回收工藝

2.1 回收工藝流程構(gòu)建

膜分離-變壓吸附耦合回收工藝流程如圖3所示。由于壓力較低，原料氣焦?fàn)t煤氣需要先經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)K-1加壓和冷卻器E-1冷凝，然后進(jìn)入變溫吸附裝置除去H2S、萘、焦油及NH3等雜質(zhì)。經(jīng)過(guò)除雜后的氣體再通過(guò)壓縮機(jī)K-2和冷卻器E-2，以及壓縮機(jī)K-3和冷卻器E-3進(jìn)行兩級(jí)壓縮冷凝，接著進(jìn)入氫氣膜分離(HM)裝置進(jìn)行氫氣的初步提純。在膜分離階段，焦?fàn)t煤氣在選擇性分離膜的分離作用下，絕大部分的CH4、CO、CO2、N2和其他烴類(lèi)雜質(zhì)氣體被截留在膜的滲余側(cè)。經(jīng)過(guò)膜分離裝置初步提純得到的滲透氣壓力較低，不能直接進(jìn)入變壓吸附(PSA)裝置進(jìn)行吸附除雜，因此需要經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)K-4和冷卻器E-4，以及壓縮機(jī)K-5和冷卻器E-5進(jìn)行兩級(jí)壓縮冷凝，再通過(guò)PSA裝置中吸附劑的選擇性吸附進(jìn)行進(jìn)一步的氫氣提純，得到純度約99.9%的產(chǎn)品氫氣；而經(jīng)過(guò)PSA裝置得到的解吸氣熱值較高，因此將這部分解吸氣和膜分離裝置的滲余氣混合作為燃料氣，送入燃料氣管網(wǎng)燃燒。

圖3 膜分離-變壓吸附耦合回收工藝

2.2 膜進(jìn)料壓力對(duì)工藝的影響

通過(guò)分離回收原料氣焦?fàn)t煤氣中的氫氣組分可知，去除原料氣中80%的氫氣組分后，剩余的混合氣體熱值為27.69 MJ/Nm3；去除原料氣中95%的氫氣組分后，剩余的混合氣體熱值為28.37 MJ/Nm3。由此可見(jiàn)，對(duì)原料氣中的氫氣組分進(jìn)行分離提純后，剩余混合氣體的熱值變化范圍較小，為27.7～28.4 MJ/Nm3。因此，在產(chǎn)品氫氣濃度達(dá)標(biāo)(99.9%)的前提下，考慮保持燃料氣穩(wěn)定燃燒的熱值恒定為27.9 MJ/Nm3，研究膜操作壓力變化對(duì)膜面積、氫氣回收率、壓縮機(jī)總功耗和年經(jīng)濟(jì)效益的影響。

2.2.1 膜面積和壓縮機(jī)總功耗

膜的推動(dòng)力發(fā)生變化，即膜兩側(cè)的分壓差發(fā)生變化，膜面積和壓縮機(jī)的總功耗也會(huì)發(fā)生變化。在混合燃料氣的熱值固定為27.9 MJ/Nm3的前提下，不同膜進(jìn)料壓力對(duì)膜面積、壓縮機(jī)總功耗的影響如圖4所示。

圖4 膜進(jìn)料壓力對(duì)膜面積和壓縮機(jī)總功耗的影響

從圖4可以看出，隨著膜進(jìn)料壓力的增加，膜兩側(cè)的分壓差增加，導(dǎo)致所需的膜面積減小，而膜裝置投資主要由膜面積的大小決定，因此膜裝置投資減小，但是膜兩側(cè)分壓差的增加會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)的總功耗增加。當(dāng)膜分離器的進(jìn)料壓力由1 500 kPa提高至3 000 kPa，膜面積由1 150 m2下降至436 m2；同時(shí)，壓縮機(jī)總功耗由560 kW提高至644 kW。從圖4中還可以看出，膜進(jìn)料壓力由1 500 kPa增加到2 250 kPa時(shí)，膜面積減小的幅度較大；隨著進(jìn)料壓力的進(jìn)一步提高，膜面積減小的趨勢(shì)變緩。這是由于當(dāng)操作壓力較低時(shí)，膜分離過(guò)程由壓力控制，此時(shí)壓力的改變會(huì)對(duì)膜分離過(guò)程產(chǎn)生很大影響；隨著壓力逐漸增大，其他條件會(huì)成為膜分離過(guò)程的主要影響因素。

2.2.2 氫氣回收率和氫氣純度

膜進(jìn)料壓力對(duì)氫氣回收率的影響如圖5所示。保持PSA解吸氣和膜滲余氣二者混合氣的熱值不變，經(jīng)過(guò)模擬可知，這一股混合氣的流量和組成不受膜進(jìn)料壓力改變的影響，說(shuō)明氫氣回收率不受影響，同時(shí)當(dāng)壓力超過(guò)2 500 kPa后,產(chǎn)品氫氣的純度始終為99.9%。

圖5 膜進(jìn)料壓力對(duì)氫氣回收率和產(chǎn)品氫氣純度的影響

2.2.3 經(jīng)濟(jì)效益

2.2.3.1 經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)

原料氣的成本價(jià)格和混合燃料氣的產(chǎn)品價(jià)格根據(jù)天然氣的熱值(31.4 MJ/Nm3)折算，天然氣價(jià)格取2.5元/Nm3，原料氣的價(jià)格為1.65元/Nm3。保持混合燃料氣的熱值為27.9 MJ/Nm3不變，則混合燃料氣的產(chǎn)品價(jià)格為2.22元/Nm3，高純氫氣的價(jià)格按2.0元/Nm3計(jì)算。

氫氣分離回收過(guò)程用到的設(shè)備主要是壓縮機(jī)和氫氣分離膜。壓縮機(jī)價(jià)格按4 000元/kW電機(jī)功率核算,折舊周期為15年，折舊系數(shù)為0.066 7。聚酰亞胺氣體分離膜組件按1 500元/m2核算,折舊周期為5年，折舊系數(shù)為0.2。由文獻(xiàn)[17-18]可知，工藝流程中換熱器、管道及儀表控制等其他設(shè)備的投資按占設(shè)備總投資的20%核算，折舊周期為15年。運(yùn)行費(fèi)用主要包括壓縮機(jī)的電耗費(fèi)用和換熱過(guò)程的循環(huán)水費(fèi)用，各項(xiàng)公用工程的經(jīng)濟(jì)性參數(shù)按照多家石化企業(yè)的平均價(jià)格計(jì)算，分離回收過(guò)程的電費(fèi)為0.6元/kW·h，循環(huán)水費(fèi)用為0.22元/t。壓縮機(jī)的功耗通過(guò)Aspen HYSYS軟件中的壓縮機(jī)單元模擬得到；循環(huán)水用量由軟件中換熱器單元的換熱量計(jì)算得到。

年經(jīng)濟(jì)效益的計(jì)算公式[18]如式(1)。

經(jīng)濟(jì)效益=產(chǎn)品價(jià)值-原料價(jià)格-運(yùn)行費(fèi)用-設(shè)備折舊費(fèi)用

(1)

2.2.3.2 膜進(jìn)料壓力對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的影響

膜進(jìn)料壓力對(duì)年經(jīng)濟(jì)效益的影響如圖6所示。隨著膜進(jìn)料壓力的增加，年經(jīng)濟(jì)效益降低。當(dāng)膜進(jìn)料壓力由1 500 kPa增加至3 000 kPa時(shí)，年經(jīng)濟(jì)效益由6.05×106元降至5.78×106元，原因是隨著膜進(jìn)料壓力的增加，壓縮機(jī)電耗量和壓縮機(jī)設(shè)備投資費(fèi)用增加，而膜面積的減小對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的影響與壓縮機(jī)相比較小，即壓縮機(jī)的功耗是決定膜分離-變壓吸附耦合工藝經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵因素。

圖6 膜進(jìn)料壓力對(duì)年經(jīng)濟(jì)效益的影響

2.2.3.3 經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算

根據(jù)圖6，隨著膜操作壓力增加，膜分離-變壓吸附耦合工藝年經(jīng)濟(jì)效益逐漸減小。在1 500 kPa的膜進(jìn)料壓力下，年經(jīng)濟(jì)效益最大，氫氣產(chǎn)品純度基本保持恒定。結(jié)合膜的實(shí)際使用壽命及操作裕度，該工藝的最佳進(jìn)料壓力選擇為2 500 kPa。在最佳操作壓力2 500 kPa的條件下，該流程的模擬結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 膜進(jìn)料壓力為2 500 kPa時(shí)的模擬結(jié)果

由表4可知，當(dāng)進(jìn)料壓力為2 500 kPa時(shí)，膜面積為550 m2，氫氣的回收率為81.1%，設(shè)備總投資費(fèi)用約為4.13×106元，總運(yùn)行費(fèi)用約為3.07×106元，設(shè)備折舊費(fèi)用約為3.85×105元，年經(jīng)濟(jì)效益約為5.89×106元。

3 結(jié)束語(yǔ)

以某鋼鐵廠富氫焦?fàn)t煤氣為研究對(duì)象，采用膜分離-變壓吸附耦合工藝回收氫氣，并將該工藝用于某大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)生產(chǎn)裝置中，利用Aspen HYSYS模擬軟件，模擬優(yōu)化工藝流程。綜合分析膜進(jìn)料壓力對(duì)膜面積、壓縮機(jī)功耗、氧氣回收率、經(jīng)濟(jì)效率的影響，確定最佳膜進(jìn)料壓力為2 500 kPa。在此條件下，膜面積為550 m2，氫氣回收率為81.1%，產(chǎn)品氫氣純度達(dá)到99.9%，年經(jīng)濟(jì)效益為5.89×106元。膜分離-變壓吸附耦合回收工藝可以實(shí)現(xiàn)高純度、高回收率地回收利用焦?fàn)t煤氣中的氫氣。