昆鋼制氫站二次凈化系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)

閆 莉

(昆明鋼鐵集團有限責(zé)任公司動力能源分公司，云南安寧650302)

昆鋼動力能源分公司制氫站投產(chǎn)于2002年，當(dāng)時采用干法脫萘、脫硫工藝，該工藝需要定期對脫萘塔吸附劑進(jìn)行再生。因再生廢氣排入大氣造成污染，引起周邊居民多次上訪。為解決環(huán)境污染問題，于2006年經(jīng)考查后新建一座濕式脫萘塔，用0#柴油脫除焦?fàn)t煤氣中的萘。該塔建成后雖然解決了脫萘塔再生廢氣的污染問題，但脫萘效果不理想，并且運行費用高等問題相繼顯現(xiàn):按昆鋼使用經(jīng)驗，每兩個月就更換1次柴油，每次最少45t，年需柴油270t，費用約230萬元;柴油循環(huán)利用技術(shù)處于探索階段，目前因無現(xiàn)成的提取萘晶體及萘產(chǎn)品深加工的相關(guān)工藝裝置及萘的回收量偏小等原因，未能很好地解決柴油循環(huán)利用問題。為了進(jìn)一步降低制氫系統(tǒng)原料氣體中的萘含量，有效延長三級壓縮機及100#預(yù)處理工序的運行周期，2008年12月完成制氫系統(tǒng)的工藝改造，專門利用3#脫萘塔和一組脫硫塔對制氫系統(tǒng)所用原料氣體進(jìn)行精處理。制氫站煤氣二次凈化系統(tǒng)原凈化裝置的生產(chǎn)運行狀況基本能滿足原焦?fàn)t煤氣的凈化能力和凈化指標(biāo)要求，但由于原裝置技術(shù)存在缺陷，給生產(chǎn)和環(huán)保帶來一系列問題。

1 制氫系統(tǒng)原裝置存在的缺陷及帶來的問題

1.1 原裝置存在的缺陷

(1)脫硫與脫萘流程順序不合理:原裝置采取“先脫萘后脫硫”工藝;

(2)脫硫工序與脫萘工序流程設(shè)計不合理:采取完全串并聯(lián);

(3)脫硫塔的進(jìn)氣方式和出氣方式不合理:原裝置采取“塔頂進(jìn)氣塔底出氣”工藝;

(4)TSA塔的填料配置不合理:TSA塔中的焦炭裝填量過大，而活性炭裝填量過小;

(5)脫硫塔和TSA塔的安全設(shè)計不完善:脫硫塔和TSA塔的進(jìn)出口未設(shè)計有效切斷裝置;

(6)采取再生方式不合理:原裝置采取過熱蒸汽對TSA塔進(jìn)行加熱再生;

(7)再生工藝不完善:原裝置對再生所產(chǎn)生的尾氣未采取有效的處理方式。

1.2 原裝置缺陷帶來的問題

(1)吸附劑和脫硫劑的使用壽命低。

(2)采用焦?fàn)t煤氣干法脫萘、脫硫工藝，需要定期再生，存在再生廢氣的對空排放，不僅會造成環(huán)境污染，不符合國家環(huán)保要求，而且如不能再生利用，使用周期只有10～12個月，定期一次性更換年需要材料費約80萬元，造成運行成本過高，不經(jīng)濟。

(3)采用濕法脫萘工藝，即采用柴油進(jìn)行清洗脫萘，柴油脫萘工藝解決環(huán)境污染問題，但油蒸氣易帶入制氫系統(tǒng)預(yù)處理裝置，導(dǎo)致除油器、除萘器和變溫吸附塔吸附劑污染，嚴(yán)重影響吸附劑使用壽命。原設(shè)計除萘器和變溫吸附塔使用周期為1a，除油器3個月;目前除萘器和變溫吸附塔年使用周期只有0.5a，除油器只有2個月，無形當(dāng)中運行周期縮短了一半，增加生產(chǎn)成本20萬元左右。運行成本高，不利于降本增效。使用柴油脫萘塔，每年需柴油費用230萬元，加之制氫系統(tǒng)預(yù)處理裝置增加的生產(chǎn)成本20萬元，年共計250萬元，干式脫萘塔年更換吸附劑費用約100萬元，相比而言，年可節(jié)約150萬元運行成本。

2 改進(jìn)優(yōu)化方案

2.1 優(yōu)化方案

原裝置存在的問題都是由于裝置的工藝技術(shù)不合理和不完善所致，故要從根本上徹底解決裝置存在的問題，必須對相關(guān)工藝技術(shù)進(jìn)行必要改進(jìn)和優(yōu)化完善，以達(dá)到裝置安全穩(wěn)定運行要求。以下就相關(guān)問題提出具體解決方案:

(1)為適應(yīng)現(xiàn)有的原料煤氣氣質(zhì)和精制煤氣的質(zhì)量要求，首先對裝置的工藝流程進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，將原先的“先脫萘后脫硫”工藝改造為“先脫硫后脫萘”工藝。

(2)對工藝管道的接口進(jìn)行調(diào)整，對脫硫工序的管道流程改造為“串并方式”，最大限度利用脫硫劑和吸附劑的理化性能。

(3)對脫硫塔的進(jìn)出方式由原有的“上進(jìn)下出”方式改為“下進(jìn)上出”方式。

(4)對脫硫塔和TSA塔的工作制度進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。脫硫為2塔在線工作，4臺備用;脫萘為2塔在線工作，另1臺再生備用。

(5)根據(jù)現(xiàn)有脫硫塔規(guī)格對脫硫塔內(nèi)的脫硫劑等裝填物料類型、規(guī)格、數(shù)量和裝填方式進(jìn)行重新調(diào)整，使脫硫劑的裝填量由60.0t/塔調(diào)整為49.625t/塔。脫硫劑的更換周期約為1a。

(6)根據(jù)現(xiàn)有TSA塔規(guī)格對TSA塔的吸附劑等裝填物料類型、規(guī)格、數(shù)量和裝填方式進(jìn)行重新調(diào)整，提高吸附劑的有效裝填量。TSA塔只裝填吸附劑，不裝焦炭。TSA塔單塔再生周期由11d左右提高到35d左右，可有效減少再生能耗。

(7)配置優(yōu)質(zhì)的脫硫劑和吸附劑。確保各項工藝指標(biāo)合格，確保脫硫劑和吸附劑的使用壽命。

(8)采用安全環(huán)保的新工藝對TSA塔進(jìn)行再生，使吸附劑使用壽命提高到3a以上，大大降低運行成本。新的再生工藝可以采用以下技術(shù):用精制煤氣作熱載體對吸附劑進(jìn)行加熱再生，再生尾氣回到煤氣管網(wǎng)。采用蒸汽加熱器對精制煤氣加熱，取消原有的電加熱器。TSA塔的再生溫度由350℃調(diào)整為120℃，徹底解決再生尾氣對生產(chǎn)環(huán)境的污染，顯著降低再生能耗。

(9)在每臺脫硫塔和TSA塔的進(jìn)出口增設(shè)手動盲板閥，對每臺脫硫塔和TSA塔進(jìn)行有效切斷，以確保脫硫塔和TSA塔在更換填料和維修時的系統(tǒng)安全和人身安全。

(10)建立完善裝置的控制分析方法和制度，采用相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)對系統(tǒng)中的H2S、萘、焦油進(jìn)行定期檢驗，確保各項控制指標(biāo)合格。

2.2 工藝流程

本裝置采用“兩段串聯(lián)塔式全干法凈化”工藝，在脫除焦?fàn)t煤氣中H2S的同時一次性除去焦油、萘、NH3和HCN等雜質(zhì)，得到合格的精制煤氣。

脫硫工序由6臺脫硫塔組成，從流程上形成并聯(lián)組合。2臺脫硫塔同時在線工作，氣體從塔底進(jìn)入。并通過手動實現(xiàn)對脫硫塔的切換。脫硫塔內(nèi)裝填常溫高效脫硫劑，由焦炭、常溫氧化鐵脫硫劑和瓷球等構(gòu)成脫硫復(fù)合床。

脫萘工序由3臺TSA塔組成，從流程上形成并聯(lián)組合。2臺TSA塔同時在線工作，1臺再生備用。并通過手動控制方式實現(xiàn)對TSA塔的控制過程切換，以實現(xiàn)各個操作步序。塔內(nèi)裝填專用吸附劑，由吸附劑和瓷球等構(gòu)成脫萘復(fù)合床。

吸附劑在常溫下吸附焦?fàn)t煤氣中的H2S、焦油、萘及NH3、HCN等雜質(zhì)，當(dāng)吸附達(dá)到飽和后，切換到再生操作。用加熱的精制煤氣再生吸附劑，使吸附于吸附劑微孔內(nèi)的雜質(zhì)得到解析脫附。再生完全后，冷卻床層，并可再次投入吸附操作。再生用的煤氣為加壓精制煤氣。加壓精制煤氣通過調(diào)壓計量，經(jīng)蒸汽加熱器加熱后供給。再生使用后的煤氣進(jìn)入低壓煤氣管道回收。

脫萘塔再生步驟包括以下幾個步驟:

(1)逆放。逆放吸附方向，即朝著入口端回收凈化煤氣，回收煤氣去界外。

(2)加熱解吸雜質(zhì)。用凈化后的煤氣經(jīng)加熱器加熱到110～140℃后，逆著吸附方向吹掃TSA塔內(nèi)吸附床層，使塔內(nèi)吸附劑吸附的萘、焦油、NH3及其它芳香族化合物在加熱并沖洗下得以完全脫附再生。再生后的煤氣送出界區(qū)。

(3)冷卻吸附劑。解吸完畢后，停止加熱再生氣，此時吸附劑床層的溫度較高，吸附雜質(zhì)的容量較低，為達(dá)到較好吸附雜質(zhì)的目的，須將吸附劑的溫度降低。再生后吸附塔在一定溫度段內(nèi)采用自然冷卻，然后使用凈化煤氣逆著TSA塔進(jìn)氣方向吹掃吸附劑床層，使之冷卻至常溫。吹冷后的煤氣也送出界區(qū)。

(4)吸附塔等待再使用。

3 實施效果

制氫站二次凈化系統(tǒng)改造工程于2010年10月18日動工，于2011年1月3日竣工。改造投產(chǎn)以來，先后對加壓機及部分閥門進(jìn)行優(yōu)化整改，3月、4月、7月分別對1#、2#、3#脫萘塔順利進(jìn)行了再生，效果十分明顯。該方案的實施，不僅取得了良好的環(huán)境效益、社會效益，還取得了較好的經(jīng)濟效益。

3.1 改造前后的工藝變化及效果

(1)二次凈化由“先脫萘再脫硫”改為“先脫硫后脫萘”，減少了單質(zhì)硫的堵塞現(xiàn)象。

(2)對脫硫塔的進(jìn)出方式由原有的“上進(jìn)下出”方式改為“下進(jìn)上出”方式，并對工藝管道的接口進(jìn)行調(diào)整，對脫硫工序的管道流程改為“串并方式”，最大限度地利用了脫硫劑和吸附劑的理化性能。

(3)對脫硫塔內(nèi)的脫硫劑等裝填物料類型、數(shù)量和裝填方式進(jìn)行調(diào)整，原來全部裝填脫硫劑 (60t/塔)改為裝填“7.225t(焦炭)+42.4t(脫硫劑)/塔”。脫硫劑的更換周期由不到1a延長為1～2a。

(4)對脫萘塔內(nèi)的脫硫劑等裝填物料類型、數(shù)量和裝填方式進(jìn)行調(diào)整，原來裝填“25t(活性炭)+20t(焦炭)”改為裝填“活性炭40.25t/塔”，極大地提高了吸附劑的有效裝填量。脫萘塔單塔再生周期由11d左右提高到約35d左右，可有效減少再生能耗。

(5)脫萘塔再生使用過熱蒸汽改為用精制煤氣做熱載體對吸附劑進(jìn)行加熱再生，再生尾氣回到煤氣管網(wǎng)。采用蒸汽加熱器對精制煤氣加熱，取消原有的電加熱器，節(jié)約了電費。脫萘塔再生溫度由350℃調(diào)整為120℃，徹底解決了再生尾氣對周圍環(huán)境的污染，顯著降低了再生能耗。采用安全環(huán)保的新工藝對脫萘塔進(jìn)行再生，使吸附劑使用周期延長到1～2a，大大降低運行成本。

(6)對脫萘塔、脫硫塔進(jìn)、出口分析化驗結(jié)果的統(tǒng)計 (表1)顯示，新工藝完全能滿足生產(chǎn)工藝要求(脫硫塔出口含H2S量標(biāo)準(zhǔn)值為:≤10 mg/Nm3，脫萘塔出口的含萘量標(biāo)準(zhǔn)值為:≤100 mg/Nm3)。

表1 脫萘塔、脫硫塔進(jìn)、出口分析化驗結(jié)果統(tǒng)計 (mg/Nm3)

3.2 經(jīng)濟效益分析

2011年活性炭價格為8000～10000元/t，焦炭價格為5000～6000元/t，脫硫劑價格為4000～4500 元/t。

(1)單個脫硫塔新裝填工藝節(jié)約費用:

60×4000－ (7.225×5000+42.4×4000)=34275元，

兩個塔可節(jié)約費用:2×34275=68550元。

(2)脫硫劑使用壽命可延長一個周期，減少吸附劑費用:

60×4000×2=480000元。

(3)脫萘塔新裝填工藝增加費用:

(25×8000+20×5000)－40.25×8000=－22000元。

(4)按照新工藝脫萘塔吸附劑壽命可延長一個周期，減少吸附劑費用:

25×8000+20×5000=300000元。

(5)脫萘塔原來使用過熱蒸汽再生，加熱蒸汽用2臺400kW的電加熱器串聯(lián)使用，按每年再生1～2次，每次加熱需10d左右，若電費按0.50元/kWh計算，新工藝用蒸汽間接加熱焦?fàn)t煤氣，不耗電，年節(jié)約電費為:

400×24×10×0.5×2×2=192000元。

由此可知，方案實施后5項合計可減少生產(chǎn)運行成本101.855萬元。

3.3 環(huán)境效益及社會效益

因新工藝所用的再生氣和解析氣均是焦?fàn)t煤氣，所產(chǎn)生的廢氣直接送至昆鋼軋鋼混鐵爐燃燒使用。所以該方案的實施，不僅徹底解決了制氫站再生廢氣污染環(huán)境的問題以及采用濕式脫萘塔所帶來的煤氣嚴(yán)重帶油問題，而且還消除了對周圍居民的健康影響，具有較好的環(huán)境效益和社會效益。

4 結(jié)語

昆鋼制氫站通過將近兩年的運行證明，制氫站二次凈化系統(tǒng)的優(yōu)化改造新工藝不僅能滿足生產(chǎn)需要，而且還徹底解決了困擾企業(yè)多年的再生廢氣污染環(huán)境問題，解析廢氣得到充分回收利用，實現(xiàn)了節(jié)能減排，極大地降低了生產(chǎn)運行成本，具有廣泛的推廣運用價值。