變壓吸附氫氣收率提升措施研究

姜 超， 劉福明， 孟慶寶

（唐山唐鋼氣體有限公司， 河北 唐山 063000）

0 引言

變壓吸附是目前最常見的一種氣體分離技術(shù)，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、電子、石油和冶金等領(lǐng)域。相比較其他氣體分離技術(shù)，變壓吸附具有低能耗、產(chǎn)品純度高、調(diào)節(jié)靈活、投資小和工藝流程簡單等優(yōu)勢。但在很多冷軋廠應(yīng)用當(dāng)中，由于制氫設(shè)備長時(shí)間應(yīng)用，且廠內(nèi)生產(chǎn)規(guī)模逐步擴(kuò)大，導(dǎo)致氫氣生產(chǎn)供應(yīng)量難以達(dá)到冶金生產(chǎn)需求[1]。因此，以變壓吸附為基礎(chǔ)，對(duì)制氫裝置進(jìn)行改造和工藝升級(jí)，在保證氫氣純度的情況下提高氫氣收率，成為冷軋廠重點(diǎn)攻關(guān)的課題。

1 問題的提出

某冷軋廠氫氣供應(yīng)主要采用變壓吸附制氫工藝裝置，該裝置由4 臺(tái)吸附器和相關(guān)閥門構(gòu)成。在氫氣生產(chǎn)過程中，原料氣在1.3 MPa 壓力和40 ℃左右溫度下進(jìn)入工藝吸附塔，原料氣組成成分情況如表1 所示。工藝吸附塔在任一時(shí)刻均處于吸附狀態(tài)，原料氣在進(jìn)入吸附塔中會(huì)依次經(jīng)過吸附、一/二/三/四次均壓降壓、順放、一/二次逆向放壓、一/二次沖洗、一/二/三/四次均壓充壓和終止充壓。原料氣從吸附床上端走向下端，其中的組分和雜質(zhì)被吸附，氫氣直接從吸附塔頂部排出，純度在99.9%以上。對(duì)氫氣得率進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，該產(chǎn)線在長時(shí)間應(yīng)用中得率僅為71.81%，已經(jīng)低于原氫氣生產(chǎn)線設(shè)計(jì)值（75%），對(duì)冷軋廠的正常生產(chǎn)產(chǎn)生了一定的影響。究其原因，由于設(shè)備長時(shí)間運(yùn)行，部分管路出現(xiàn)堵塞，部分器件已經(jīng)老化，制氫部分工序并未完全發(fā)揮作用。針對(duì)此種情況，本文從工藝角度入手，對(duì)其進(jìn)行改造優(yōu)化，提高變壓吸附制氫收率。

表1 原料氣組分情況

2 變壓吸附氫氣收率影響因素

對(duì)變壓吸附制氫裝置的運(yùn)行記錄進(jìn)行分析研究，由于變壓吸附氫氣裝置的壓力設(shè)定是一套完善的工藝，并不會(huì)隨著原料組分的變化而改變壓力值。因此，只需保證裝置的壓力值符合最初設(shè)定值即可，本次研究只針對(duì)吸附時(shí)間以及原料氣量進(jìn)行分析。

2.1 吸附時(shí)間和吸附氣量的關(guān)系

對(duì)某冷軋廠變壓吸附制氫裝置運(yùn)行情況進(jìn)行記錄，結(jié)果如圖1 所示。

圖1 吸附氣量與吸附時(shí)間關(guān)系

由圖1 可知，在吸附制氫工藝條件不變的情況下，原料氣量越大，其中所蘊(yùn)含的氫氣量越大，在實(shí)際制氫過程中，吸附雜質(zhì)的速率會(huì)加快，產(chǎn)生同樣氫氣量所需要的吸附時(shí)間也會(huì)相應(yīng)縮短。反之，如果原料氣量降低，想要提高產(chǎn)品的得率，則需要延長吸附時(shí)間。但在變壓吸附情況下，隨著氣量的增大，其中所蘊(yùn)含的雜質(zhì)相應(yīng)增多，制出氫氣的純度會(huì)降低。

2.2 吸附時(shí)間與氫氣收率的關(guān)系

由上文可知，在提高氫氣回收率的同時(shí)，會(huì)導(dǎo)致變壓吸附裝置內(nèi)部的雜質(zhì)處理量越來越多。由于裝置內(nèi)部吸附劑動(dòng)態(tài)吸附量不會(huì)改變，因此，隨著雜質(zhì)量的不斷增多，氫氣純度會(huì)有所降低。經(jīng)過對(duì)變壓吸附制氫裝置最佳狀態(tài)下的運(yùn)行記錄分析發(fā)現(xiàn)，在原料氣量與其他工藝條件不發(fā)生改變的情況下，氫氣收率和吸附時(shí)間的關(guān)系如圖2 所示。

圖2 氫氣收率和吸附時(shí)間關(guān)系圖

由圖2 可知，隨著吸附時(shí)間的變化，氫氣收率會(huì)發(fā)生一定的改變。從圖中可知，變壓吸附制氫過程中，吸附時(shí)間與氫氣收率并沒有明確的線性關(guān)系，吸附時(shí)間在135 s 時(shí)，氫氣收率為91.03%。吸附時(shí)間在136 s 時(shí)，氫氣收率為91.32%。吸附時(shí)間在143 s 時(shí)，氫氣收率最低，為86.77%。

3 變壓吸附制氫裝置的工藝優(yōu)化方案

3.1 工藝優(yōu)化方案

3.1.1 壓力優(yōu)化

經(jīng)過對(duì)變壓吸附制氫裝置生產(chǎn)過程中的壓力監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，原入口設(shè)計(jì)壓力為1.4 MPa，現(xiàn)在實(shí)際生產(chǎn)過程中入口壓力為1.2～1.3 MPa，并沒有達(dá)到預(yù)設(shè)值。因此，在優(yōu)化過程中要提高入口壓力，實(shí)現(xiàn)原料氣中CO、CO2和N2等氣體的分壓，從而提高變壓吸附裝置對(duì)雜質(zhì)的吸附能力，實(shí)現(xiàn)氫氣收率的提升。

3.1.2 吸附時(shí)間優(yōu)化

由上述分析可知，氫氣收率與吸附時(shí)間有著直接的聯(lián)系，并且也與吸附氣量以及氫氣的純度有著一定的關(guān)系。某冷軋廠變壓吸附制氫系統(tǒng)所應(yīng)用的原料氣為生產(chǎn)過程中焦?fàn)t所產(chǎn)生的尾氣，在生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)規(guī)模不變的情況下，原料氣當(dāng)中的組分和含量不會(huì)發(fā)生較大改變。因此，對(duì)吸附時(shí)間的優(yōu)化依據(jù)上文分析結(jié)果，將吸附時(shí)間控制在136 s，能夠在保證氫氣純度的情況下，提高氫氣收率。

3.1.3 沖洗再生過程優(yōu)化

在變壓吸附制氫過程中，吸附劑在吸附完成后需要進(jìn)行再生，該環(huán)節(jié)需要通過逆放和沖洗工序來完成。在變壓吸附制氫工藝設(shè)定過程中，為了確保制氫過程中產(chǎn)生的廢氣能夠順利進(jìn)入廢氣柜，在壓力設(shè)計(jì)時(shí)，逆放位置的壓力設(shè)定得較高。在長時(shí)間應(yīng)用中，管路積塞問題嚴(yán)重，導(dǎo)致裝置制氫單元解吸氣背壓越來越高。在逆放工序完成后，吸附器的壓力依舊處于較高水平，導(dǎo)致吸附器的沖洗效果較差。由于廢氣管路積塞問題處理困難，需要投入大量資金，并且還需要長時(shí)間停產(chǎn)，不符合冷軋廠的生產(chǎn)要求。因此，本次優(yōu)化適當(dāng)降低制氫單元解吸氣背壓。同時(shí)，還需要保證廢氣能夠正常輸入至廢氣柜中。本次將去火炬的廢氣總管壓力設(shè)置為3.5～4.5 kPa。并且對(duì)制氫單元的吸附時(shí)間合理分配，將一/二次逆向放壓改變?yōu)橐淮文嫦蚍艍?，并縮短時(shí)間，加快放壓速率。將兩次沖洗改變?yōu)橐淮螞_洗，延長沖洗時(shí)間，將逆向放壓所節(jié)約出的時(shí)間增加至沖洗部分，從而提高吸附塔的沖洗效果，提高吸附劑的再生效率，提高廢氣處理量。

3.2 優(yōu)化效果分析

在本次工藝優(yōu)化完成后，選取2019—2022 年同一時(shí)期的氫氣收率進(jìn)行對(duì)比，以此降低氣候溫度對(duì)焦?fàn)t廢氣組分所產(chǎn)生的影響。工藝優(yōu)化時(shí)間為2020 年9 月，優(yōu)化前后，某冷軋廠的生產(chǎn)力并沒有發(fā)生較大改變，且3—8 月的產(chǎn)量基本一致。因此，數(shù)據(jù)具有可比性。對(duì)比結(jié)果如圖3 所示。

圖3 工藝優(yōu)化前后氫氣收率變化情況

由圖3 可知，在工藝優(yōu)化前，氫氣收率已經(jīng)低于設(shè)計(jì)值75%，對(duì)冷軋廠生產(chǎn)造成了一定的影響。經(jīng)過優(yōu)化后，氫氣收率得到有效提升。2021 年和2022 年，氫氣平均收率達(dá)到了80.05%和79.35%，雖與設(shè)備使用初期有一定差距，但相比較改造前有了較大的提升，并且能夠滿足冷軋廠對(duì)氫氣收75%的最低需求。

3.3 優(yōu)化后經(jīng)濟(jì)性分析

某冷軋廠變壓吸附制氫裝置所處理的原料氣一直由焦?fàn)t供應(yīng)，經(jīng)檢測，焦?fàn)t能夠提供給變壓吸附制氫裝置的原料氣量約為20 000 m3/h，其中，氫氣含量為20 000 m3/h×58.92%=11 784 m3/h。工藝優(yōu)化后，氫氣收率提高8.5%，氫氣收集量可提高11 784 m3/h×8.5%=1 001.64 m3/h。該冷軋廠在改造前需要外購氫氣進(jìn)行補(bǔ)充。工藝優(yōu)化后，氫氣供應(yīng)量不僅能夠達(dá)到日常生產(chǎn)需求，而且還有多余氫氣可儲(chǔ)存在容器中，以備吸附制氫裝置保養(yǎng)維修時(shí)使用。目前，外購液態(tài)氫氣成本為3 000 元/t，冷軋廠變壓吸附制氫裝置全年運(yùn)行330d 左右，1m3氫氣重量為89.88g，全年可降低成本330 d×24 h/d×1 001.64 m3/h×89.88 g/m3×3 000元/t÷1 000 000 g/t=213.9 萬元。

4 結(jié)語

基于某冷軋廠變壓吸附制氫工藝裝置的工藝流程，對(duì)變壓吸附制氫裝置的運(yùn)行情況進(jìn)行記錄，對(duì)影響氫氣收率的因素進(jìn)行分析，從而得出在不影響氫氣純度情況下的最佳吸附時(shí)間。從壓力、吸附時(shí)間和流程工藝方面對(duì)某冷軋廠變壓吸附制氫工藝進(jìn)行優(yōu)化，將吸附時(shí)間控制在136 s，將一/二次逆向放壓和一/二次沖洗合并，縮短逆向放壓時(shí)間，延長沖洗時(shí)間，從而提高吸附劑的再生效率。經(jīng)過工藝改動(dòng)，2021—2022 年，氫氣收率顯著提升，全年可降低成本213.9萬元。