雙氣源變壓吸附制氫系統(tǒng)的研究與應用

郭 峰，郭 慧

（山東鋼鐵集團日照有限公司，山東日照 276800）

冶金行業(yè)生產冷軋板和鍍鋅板時，處理線機組的連續(xù)式退火爐需利用氫氣作為爐內還原保護氣體。目前，冶金行業(yè)較多采用的天然氣或焦爐煤氣為原料氣，利用變壓吸附的方式制取氫氣[1]。山鋼日照公司通過對自產氣源的充分研究，采用LNG 副產品富氫氣體為主要原料氣，焦爐煤氣為備用原料氣，建成雙氣源變壓吸附制氫站，并成功投入使用。

1 原料選擇

山鋼日照公司焦化廠設計有LNG 項目，該項目工藝用焦爐煤氣作為原料，經過壓縮對煤氣進行凈化，然后通過催化反應，使甲烷液化并分離，生產出LNG，同時產出副產品：富氫氣體。LNG項目生產過程中可為制氫站穩(wěn)定供應富氫氣體。根據自產氣體特點，選取LNG 的副產品富氫氣為制取氫氣的主要原料氣，考慮廠內LNG 運行穩(wěn)定性，使用焦爐煤氣為備用原料氣，采取可切換的雙氣源方式進行變壓吸附制氫，氣體成分如表1所列。

表1 原料氣組成 單位：%

2 工藝流程

LNG 富氫氣為原料氣設計工藝流程主要由變壓吸附工序、脫氧工序以及儲存工序組成。考慮焦爐煤氣作為備用氣源，系統(tǒng)額外配置備用的變溫吸附工序和壓縮工序，具體工藝流程如圖1所示。

圖1 焦爐煤氣或富氫氣制氫工藝流程圖

當采用富氫氣體制氫時，由于不含苯、萘、焦油等高分子雜質，同時氣源壓力可達1.8 MPa，因此富氫氣體可直接進入變壓吸附工序。當采用焦爐煤氣制氫時，其工藝流程主要包括變溫吸附工序、壓縮工序、變壓吸附工序、脫氧干燥工序以及儲存等。

變溫吸附工序保證進入壓縮機氣體的萘含量＜10 mg/m3，焦油處理到約5 mg/m3，同時脫除C4 以上雜質。焦爐煤氣經過粗過濾器過濾后，進入處于吸附步驟的脫萘塔，脫除大部分萘、焦油、C4以上雜質，再進入焦爐煤氣緩沖罐供焦爐煤氣壓縮機加壓。脫萘塔再生氣使用來自變壓吸附工序的解吸氣。

壓縮工序使用來自變溫吸附工序的焦爐煤氣，壓力約為10 kPa，由于變壓吸附工序壓力要求約為1.8 MPa。壓縮工序主要由2 臺螺桿壓縮機構成，單臺壓縮機處理氣量為700 m3/h，當要求產品氫氣量較大時，需同時啟動2臺壓縮機，并聯(lián)使用。

變壓吸附（PSA）工序由精密過濾器、吸附塔、順放氣緩沖罐、解吸氣緩沖罐和粗氫緩沖罐構成。裝置可滿足富氫氣或焦爐煤氣獨立生產高純氫氣，吸附塔內吸附劑主要由氧化鋁、脫碳吸附劑和分子篩等組成，填裝量根據焦爐煤氣制氫工況進行計算，此填裝量可同時滿足以富氫氣為原料的情況下的使用。變壓吸附采用5-1-3 變壓吸附工藝，即1 個吸附塔始終處于進料吸附狀態(tài)，其它4 個塔則處于解吸再生狀態(tài)。5 個吸附塔交替進行吸附、再生操作，從而實現(xiàn)氣體的連續(xù)分離與提純。

脫氧凈化工序分為脫氧和脫水兩部份，從變壓吸附（PSA）工序來的氫氣含有少量氧氣，純度尚達不到要求，需要脫除其中的氧氣。在脫氧塔中裝填的新型Ba 催化劑的催化下，氧和氫反應生成水，經干燥后產出產品氫。

儲存工序包括氫氣緩沖罐及氫氣純度測試裝置。在裝置啟車初期先將2 個氫氣緩沖罐置換充滿，再通過另外一條管線減壓后供應至冷軋?zhí)幚砭€機組。

3 氣源切換

當LNG 富氫氣氣源供應存在問題時，可在線切換至焦爐煤氣制氫。首先，操作進氣閥門，切斷富氫氣體供應，將原料氣變?yōu)榻範t煤氣。其次，啟動變溫吸附工序和壓縮工序，壓縮工序氣體達到要求壓力后逐漸向后工序緩慢投料。切換初期，不合格粗氫氣經管道返回焦爐煤氣管網。最后，將合格粗氫氣送入脫氧工序，即可快速實現(xiàn)由富氫氣至焦爐煤氣的氣源變更。整個切換過程在1 h 內完成，期間由氫氣緩存罐向下游用戶供應氫氣。

當LNG 富氫氣氣源供應恢復時，可在線切回至富氫氣制氫。停止壓縮機運行，關閉變溫吸附工序和壓縮工序。將焦爐煤氣切換至富氫氣體，緩慢送入PSA 工序，即可實現(xiàn)富氫氣制氫的快速切回。如氫氣純度存在問題，可在切換氣源系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，調整變壓吸附的吸附壓力和吸附時間。

4 富氫氣體制氫優(yōu)勢

目前，LNG 富氫氣體供應相對穩(wěn)定，可滿足制氫站全年連續(xù)穩(wěn)定生產。為預防壓縮機長時間停機造成設備故障，根據下游用氣情況，每月選取連續(xù)的4～12 h 切換至焦爐煤氣制氫，其余時間均采用富氫氣制氫。采用富氫氣體制取氫氣，產品氫氣純度可達到99.999%，氧含量＜2×10-6，露點＜-65 ℃。當提高原料進氣量時，可實現(xiàn)最高500 m3/h 的氫氣產量的要求，氫氣回收率可達80%。與常規(guī)焦爐煤氣、天然氣變壓吸附制氫相比，實現(xiàn)短流程的變壓吸附制氫。極大地降低設備運行的能源和物料消耗，減少壓縮機設備維護，同時無含焦油、萘等的危險廢棄物產生。

5 結論

（1）采用LNG 富氫氣和焦爐煤氣雙原料氣變壓吸附制氫，可滿足純度99.999 %、氧含量＜2×10-6、露點＜-65 ℃的要求。

（2）采用富氫氣短流程工藝制氫，極大地降低設備運行的能源和物料消耗，減少壓縮機設備維護，同時無含焦油、萘等的危險廢棄物產生。

（3）機組采用雙原料氣設計，可實現(xiàn)雙原料氣的在線快速切換，最大程度實現(xiàn)氫氣供應的穩(wěn)定。