焦爐煤氣變壓吸附制氫新工藝的開發(fā)和應用

薛利軍

（晉能控股煤業(yè)集團雙創(chuàng)中心，山西 大同 037000）

引言

結合某煤業(yè)集團中的富余焦爐煤氣而言，通過焦爐煤氣變壓吸附（PSA）制氫技術的應用，可以從雜質多和提純難的焦爐煤氣中不斷持續(xù)和穩(wěn)定的提出氫氣，不僅可以解決煤氣富余燃燒帶來的環(huán)境污染問題，也能帶給煤業(yè)集團一定的經(jīng)濟效益，有著較高的應用價值。不過在實際建設使用中，還存在著一些問題制約了該技術的應用價值，因此有必要對該技術的實際制氫過程和方案進行了解，進而結合問題原因提出解決措施，不斷提高該技術的經(jīng)濟效益跟社會效益。

1 焦爐煤氣PSA 制氫新工藝

在傳統(tǒng)的焦爐煤氣制氫技術中，其工藝流程有以下幾點：第一，對焦爐煤氣進行焦化預處理，完成對大部分烴類物質的脫除；第二，對初步凈化的煤氣進行濕法脫硫、干法脫萘和精脫萘、精脫硫，然后通過變溫吸附（TSA）系統(tǒng)；第三，利用PSA 制氫工藝完成氫氣的提純。在傳統(tǒng)的工藝流程中，有著設備投資大、環(huán)境污染嚴重、工業(yè)處理難度大的問題，因此傳統(tǒng)的制氫技術未得到全面推廣。結合目前的制氫新工藝看，在工藝流程和方案上進行了有效優(yōu)化，新技術上有著分步壓縮法、二段脫硫法和冷凍凈化等方面，能夠解決傳統(tǒng)煤氣制氫中的雜質分離難問題，也能降低成本提高效率，值的在工業(yè)中推廣。

2 PSA 制氫新工藝流程

在PSA 制氫新工藝中，主要有原料氣壓縮、冷凍凈化分離、PSA-C/R 和精脫硫、半成品氣壓縮、PSA-H2和脫氧等工序，具體可以流程，如圖1 所示。結合以上工藝流程，分別有以下內(nèi)容：第一，在原料氣壓縮中，可以使用螺桿壓縮機進行加壓，具體加壓到0.58 MPa在冷卻到40 ℃～45 ℃后輸出，結合煤氣中的奈、苯組分會造成吸附劑的性能減低，需要進行冷凍分離工序；第二，在冷凍凈化分離中，會對上述雜質進行脫除，為避免分離后仍有微量重組分雜質蒸汽帶進煤氣中需要在冷凍分離后增設除油器，避免出現(xiàn)吸附劑中毒現(xiàn)象；第三，在PSA-C/R 和精脫硫中，需要脫除煤氣中強吸附組分HCN、CO2、C2+、H2S、NO、NH3、有機硫以及大部分CO、CH4、N2等；第四，在半成品氣壓縮中，需要使用一級活塞式壓縮工藝將半成品氣壓縮到1.25 MPa；第五，在PSA-H2工序和脫氧中，結合脫氧反應會生成水分，因此未設置脫氧工序，同時系統(tǒng)選用二段法工藝，可以降級操作費用，有著較高的應用效果。作為氫氣的提純環(huán)節(jié)會將體積分數(shù)為95%～98%的原料氣提純到99.99%，效果顯著[1]。

圖1 焦爐煤氣變壓吸附制氫新工藝流程

3 PSA 制氫新工藝關鍵技術分析

3.1 螺桿式壓縮機

結合制氫需要，決定使用分步壓縮的方案，也就是低壓段使用螺桿壓縮機，在完成雜質組分脫除后，再使用活塞式壓縮機升壓,在低壓段會將焦爐煤氣壓縮在0.55 MPa～0.60 MPa 之間。結合螺桿式壓縮機的特點，和傳統(tǒng)的往復式壓縮機比較，有著結構簡單、檢修頻率小的優(yōu)點，和活塞式壓縮機相比較有著無需頻繁維修氣閥的優(yōu)點，此外其本身也有著運行時間長和安全穩(wěn)定的特點，在制氫工藝中不斷發(fā)揮著價值。

3.2 冷凍凈化分離工藝

傳統(tǒng)工藝需要在整個工藝氣的處理中，需要進行脫硫脫苯、脫萘和除氨等預處理工藝，同時還需要借助電捕焦油器和風機等附屬設備在成本和工藝上存在一定限制。而在新的制氫工藝中國，可以通過冷凍凈化分離工藝，在低溫下將原料氣中的大部分高碳烴類、萘和苯等重組分雜質脫除有效降低了原料氣預處理系統(tǒng)的運行成本工藝復雜性。

3.3 兩段法提高氫氣回收率

與傳統(tǒng)PSA 制氫工藝比較，可以由以往的平均75%氫氣回收率提高到95%以上，在新的氫氣回收裝置中，氫氣回收率低，就會增加原料的氣量，進而會增加壓縮功耗和裝置對雜質組分的處理量，因此會出現(xiàn)裝置運行費用增大的問題，直接影響到了氫氣成本的提高。在新的氫氣回收裝置中，選擇使用兩段法吸附技術，具體可以從以下流程了解其吸附原理：第一，將PSA 二段制氫的逆放廢氣進行回收當做該裝置的升壓氣；第二，將PSA 二段制氫的解吸氣用于PSA 一段脫碳的沖洗氣；第三，將抽空解吸氣和PSA 脫碳的逆放氣用于TSA 系統(tǒng)冷吹氣和除油器使用；第四，解吸氣全部返回管網(wǎng)。

3.4 脫氧系統(tǒng)無需干燥設備

結合傳統(tǒng)的PSA 制氫裝置，只要對產(chǎn)品中的氧氣含量有要求下，普遍會設計鈀催化劑加等壓干燥的系統(tǒng)?究其原因在于氧氣、氫氣的分離系數(shù)較小?僅通過變壓吸附無法滿足氫氣產(chǎn)品對氧氣含量的要求（體積分數(shù)需要＜1×10-5）。在新的制氫工藝中，并沒有設置干燥系統(tǒng)，如果產(chǎn)品氣需要水的體積分數(shù)≤6×10-5只需要將脫氧系統(tǒng)置于PSA-H2二段后面便可；如果產(chǎn)品氣中要求水的體積分數(shù)≤1×10-5則可以將脫氧系統(tǒng)放在PSA-C/R 和PSA-H2二段之間實現(xiàn)，無需設置干燥系統(tǒng)。

4 缺陷整改與運行效果分析

4.1 缺陷整改

該技術在實際運行中存在一些問題，制約了制氫的效果，具體有以下幾個方面：第一。制冷機組的制冰量不足，結合冬季溫度較低，可以實現(xiàn)生產(chǎn)的半負荷狀態(tài)，能基本滿足制氫需要，不過在夏季中卻達不到預期的制冷效果；第二，當冷凝系統(tǒng)和除油器進行蒸汽再生時，系統(tǒng)伴熱導淋和脫氧器導淋也會排進高低位水池中，因此池中會存在大量的萘和苯會對周圍環(huán)境造成一定污染。因此需要做好以下幾點工作，避免以上問題的出現(xiàn)，提高制氫效果：第一，需要增設一套苯、萘的回收裝置，避免環(huán)境污染；第二，需要增設一臺制冷量大的冰機和強制性風冷塔，提高夏季制氫效率。

4.2 運行效果分析

在應用以上介紹的焦爐煤氣變壓吸附制氫新工藝時，以年為單位，整體運行情況較為穩(wěn)定。在效益上不僅可以使煤業(yè)集團充分對有效資源進行合理利用，也能在避免富裕煤氣在排空過程中對環(huán)境的污染，值得注意的是，該新工藝的利用不僅有著環(huán)境效益，也有著經(jīng)濟效益和社會效益，具體可以提高煤業(yè)集團的經(jīng)濟收益，以新工藝制氫的投資成本和年制氫利潤看，僅需三年該制氫項目便可以回本，且每年保證煤業(yè)集團新增收益1 800 萬元，在社會效益上可以提供一些就業(yè)崗位并促進地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展，因此制氫新技術有著較高的應用價值。

5 結語

結合傳統(tǒng)的焦爐煤氣制氫新工藝，存在著成本高、污染重和技術復雜的問題，因此并不能實現(xiàn)對焦爐煤氣的有效利用。不過在當前變壓吸附制氫工藝的升級下，可以在流程的優(yōu)化和方案的合理選擇下提高制氫的效果，滿足煤業(yè)集團的可持續(xù)發(fā)展需要。具體在工藝方案選擇中，需要強調(diào)壓縮過程中螺桿式壓縮機的選擇和原料氣預處理中的凈化分離工藝選擇，同時也要注重原料氣脫硫對PSA 技術應用和氫氣回收中的兩段法技術應用，最終在明確脫氧系統(tǒng)的組成后，實現(xiàn)高效率、高質量和低成本的制氫工作，促進煤礦化工行業(yè)的發(fā)展。