焦爐煤氣變壓吸附制氫工藝優(yōu)化應(yīng)用實踐

胡云濤，胥中平，陳 勇，史小勇，楊 濤

（攀鋼釩能源動力分公司燃氣作業(yè)，四川攀枝花 617067）

1 冷軋氣體保護站概況

攀鋼釩能源動力分公司冷軋氣體保護站生產(chǎn)冷軋廠罩式爐、1#鍍鋅生產(chǎn)線、2#～3#鍍鋅鋁生產(chǎn)線保護、還原性氣體——高純氫氣和高純氮氣。產(chǎn)品氣純度99.999%；氧含量≤5×10－6；總碳雜質(zhì)含量≤5×10－6；露點≤-60 ℃。

2 2#制氫裝置工藝過程及步驟

2.1 原料氣及產(chǎn)品組成

（1）原料氣組成

原料焦爐煤氣來源于煉焦生產(chǎn)副產(chǎn)品，各組分及微量雜質(zhì)含量相對穩(wěn)定，見表1、表2。

表1 原料氣組份 %

表2 雜質(zhì)含量 單位：mg/m3

（2）產(chǎn)品氣主要參數(shù)

該裝置產(chǎn)品為工業(yè)純氫，用于冷軋廠罩式爐及鍍鋅鋁生產(chǎn)線做保護還原氣體用，副產(chǎn)品為解吸 氣。產(chǎn)品氫氣純度達99.999%，基本參數(shù)見表3。

表3 產(chǎn)品氫氣主要參數(shù)

2.2 主要工藝流程

吸附分離一般分為變溫吸附（TSA）和變壓吸附（PSA）兩大類［1］，變溫吸附工藝通常用于微量雜質(zhì)或難解吸雜質(zhì)的凈化；變壓吸附工藝則廣泛用于大氣量組份氣體的分離與提純，在實際應(yīng)用中，通常TSA+PSA 工藝配合使用［2］［3］。該套裝置共分為四個主要工序：100#預(yù)凈化、200#TSA 預(yù)處理、300#PSAH2、400#脫氧干燥。

100#預(yù)凈化：原料焦爐煤氣經(jīng)煤氣壓縮機一級加壓送入脫萘裝置脫除萘、焦油和部分H2S、HCN、NH3等微量雜質(zhì)及壓縮機油后，進行二、三級壓縮至約1.52 MPa，送入100#工序，該凈化部分不采用再生方式，每年定期更換。

200#TSA 預(yù)處理：200#工序由4 座吸附塔組成，每2 個塔一組，交替工作，采用變溫吸附（TSA）工藝。由吸附（A）、逆向放壓（D）、加熱（H）、冷卻（C）、充壓（R）五個工藝步驟循環(huán)實現(xiàn)吸附與再生。

300#PSA-H2：300#PSA-H2工序是變壓吸附制氫裝置的核心，由增加的四臺吸附器與原有四臺吸附器合并成八塔組成，二塔為一組，分為四組，有8-2-3/P、7-2-3/P、6-2-3/P 及4-1-2/P 四種運行方式選擇。

由吸附（A）、第1次均壓降（E1D）、第2次均壓降（E2D）、第3 次均壓降（E3D）、順放一（PP1）、順放二（PP2）、逆放（D）、沖洗二（P2）、沖洗一（P1）、第3 次均壓升（E3R）、第2 次均壓升（E2R）、第1 次均壓升（E1R）和終充（FR）等步序組成。依次交替循環(huán)操作，達到原料氣不斷輸入，產(chǎn)品氣不斷輸出的目的。

400#脫氧干燥：此工序脫除微量氧氣并經(jīng)等壓干燥獲得露點和純度合格的產(chǎn)品氫氣進入氫氣主管網(wǎng)。

3 2#制氫裝置工藝參數(shù)優(yōu)化

2#制氫裝置采用新的八塔工藝后，找出最優(yōu)工藝參數(shù)，確定吸附時間最佳范圍，指導(dǎo)2#制氫裝置運行操作，是必須解決的現(xiàn)實問題。

3.1 影響裝置吸附能力的主要因素

2#制氫裝置是TSA+PSA 工藝配合使用，吸附主要受原料氣組分、操作壓力、操作溫度、產(chǎn)品純度的影響。原料氣組分相對穩(wěn)定，主要探討系統(tǒng)運行壓力、200#（TSA）、300#（PSA）參數(shù)優(yōu)化。

3.2 系統(tǒng)操作壓力優(yōu)化

制氫裝置煤壓機設(shè)計額定排氣壓力為1.8 MPa，裝置設(shè)計運行壓力為1.7 MPa，裝置運行初期即按運行壓力1.7 MPa 組織生產(chǎn)，一段時間后，出現(xiàn)系列問題。

（1）裝置運行壓力1.7 MPa，煤壓機三級出口壓力1.72 MPa，十分接近額定排氣壓力，煤壓機出力接近設(shè)計極限值，各級運行參數(shù)逼近報警及保護聯(lián)鎖值。導(dǎo)致煤壓機故障率極高，保產(chǎn)十分困難。

（2）煤壓機電機采用的380 V 低壓電機，大負荷運行，電流大，電機本體及配電系統(tǒng)發(fā)熱嚴重，對安全運行十分不利。

（3）制氫裝置對密封性能要求非常高，且裝置工藝管線復(fù)雜，塔、罐及各式閥門設(shè)備多，系統(tǒng)高壓狀態(tài)下運行，導(dǎo)致裝置本身發(fā)生泄漏幾率大大增加，威脅裝置運行安全。

（4）冷軋廠對氫氣壓力需求最高僅0.4 MPa，需調(diào)壓站兩級降壓后才能正常使用。高壓運行導(dǎo)致制氫耗電量居高不下，運行極不經(jīng)濟。

綜合冷軋用氫氣壓力及用量情況，利用2 座200 m3氫氣球罐儲存氫氣量保證制氫系統(tǒng)全停情況下能滿足用戶8 h 正常生產(chǎn)為前提，經(jīng)計算最終確定裝置運行壓力1.5 MPa。

3.3 原料氣溫度對吸附能力的影響

在一定的溫度和壓力下，吸附劑與吸附質(zhì)充分接觸，最后吸附質(zhì)在兩相中的分布達到平衡的過程稱之為吸附平衡，可用吸附平衡曲線圖進行描述［4］，由吸附平衡曲線圖可知，在其他條件相同的情況下，原料氣溫度越高，吸附平衡曲線就越靠下，吸附劑容量越小，吸附、解吸、再生的循環(huán)時間越短，吸附塔的處理能力越低。

原料氣經(jīng)活塞式壓縮機經(jīng)三級加壓后送入裝置，三級出口排氣溫度高達130 ℃，不滿足系統(tǒng)常溫下吸附要求，在煤壓機出口設(shè)置冷卻器冷卻后，確保原料氣的入口溫度為≤40 ℃，保證了吸附裝置的吸附能力。

3.4 200#（TSA）工序參數(shù)優(yōu)化

200#TSA預(yù)處理系統(tǒng)有4臺處理器（新增2臺），脫除少量硫化物、氨、苯、HCN及CnHm高烴組分等。一組塔吸附、另一組塔再生。設(shè)計原料氣處理能力1 500 m3/h。吸附時間為8 h，可保證為300#工序輸送合格原料氣。設(shè)計各步序運行時間如表4。

表4 200#TSA設(shè)計運行參數(shù)

對表4設(shè)計運行參數(shù)經(jīng)實際運行驗證：逆放（D）和沖壓（R）均為0.5 h，參數(shù)合理，均能滿足工藝需求；加熱（H）和冷吹（C）時間各3.5 h，經(jīng)實際運行觀察發(fā)現(xiàn)，冷吹（C）時間只需3 h 即可將吸附劑溫度降至40 ℃以下而滿足吸附溫度要求，于是縮短至3 h，而將加熱時間延長至4 h，保證總的吸附時間8 h 不變。延長加熱時間后，吸附劑再生加熱出口溫度由設(shè)計的環(huán)境溫度+30 ℃，提高到環(huán)境溫度+50 ℃，且保持時間延長了20 min。讓吸附劑吸附的硫化物、氨、苯、HCN 及CnHm 等雜質(zhì)充分解吸，提高再生質(zhì)量。優(yōu)化后各步序運行時間如表5。

表5 200#TSA優(yōu)化后運行參數(shù)

3.5 300#（PSA）工序各分周期時間參數(shù)設(shè)定

2#制氫改造為八塔工藝后主要運行方式為8-2-3/P，為了處理裝置零星故障而設(shè)置了另外三種臨時運行方式，即7-2-3/P、6-2-3/P、4-1-2/P。臨時運行方式不宜長期運行，故障處理完后，應(yīng)恢復(fù)主要運行方式運行。故主要探討8-2-3/P 運行工藝參數(shù)設(shè)定。

3.5.1 300#（PSA）工序8-2-3/P工藝步驟

300#（PSA）工序由8 臺吸附器、程序控制閥以及調(diào)節(jié)閥構(gòu)成。每臺吸附器與7 臺程序控制閥相連，入口端連接2 臺、出口端連接5 臺。程序控制閥位號的編制說明如圖1。

圖1 程序控制閥位號的編制說明

以8-2-3/P方式運行時，總有2臺吸附器處于進入原料氣、產(chǎn)出氫氣的吸附步驟，其余6臺吸附器處于吸附器再生的不同步驟。每臺吸附器經(jīng)歷相同的步驟程序，表6反映了8-2-3/P具體工藝步驟及開始給定的運行時序。

表6 8-2-3/P工藝步驟及開始給定的運行時序

300#（PSA）工序程序運行共設(shè)置10 個分周期，時間分別用T1～T10進行表示。

3.5.2 8-2-3/P工藝步驟與各分周期時間關(guān)系

分周期吸附時間：A=T1+T2+T3+T4+T5+T6+T7+T8+T9+T10

其中T1=2 s、T4=3 s、T5=3 s、T6=2 s、T8=3 s、T10=2 s 為程序設(shè)置滯后時間，為固定值。T9 為運行操作人員根據(jù)原料氣量、產(chǎn)品氣質(zhì)量等進行操作調(diào)整的修改值，通過修改分周期時間T9，實現(xiàn)逆放、順放1、順放2、終充及吸附時間調(diào)整目的。

（1）E1D=E1R=T2；

（2）E2D=E2R=T7+T8；

（3）E3D=E3R=T2+T3；

（4）D=T7+T8+T9+T10；

（5）PP1=T7+T8+T9+T10；

（6）PP2=T2+T3+T4+T5；

（7）FR=T3+T4+T5+T6+T7+T8+T9。

在裝置投運初期由表6 給定的運行時序可知：E1D、E2D、E3D、PP1、PP2、D、P2、P1、E3R、E2R、E1R、FR 所設(shè)置時間均為45 s。因煤壓機無負荷調(diào)節(jié)，額定排氣量相對穩(wěn)定，分周期吸附時間A也就相對固定。開始給定的運行時間經(jīng)實際運行驗證，設(shè)置不合理，系統(tǒng)壓力波動大；各步驟運行結(jié)束時，無法滿足所需要的壓力要求，根本無法產(chǎn)出合格氫氣。

3.5.3 8-2-3/P工藝各步驟時間設(shè)置分析

E1D（E1R）、E2D（E2R）、E3D（E3R）設(shè)置時間過長，在分周期吸附時間“A”一定的情況下，嚴重擠占其余步驟時間，可修改分周期時間T9調(diào)整范圍十分有限，由工藝步驟與各分周期時間關(guān)系可知，這直接導(dǎo)致逆放（D）、順放（PP1/PP2）及終充（FR）時間不足，而這三個步驟是PSA 工藝最為核心的三步，直接關(guān)系吸附效果、再生效果。

3.5.3.1 逆放（D）時間不夠造成的影響

（1）逆放速度過快，加速吸附劑磨損，嚴重時可沖破篩網(wǎng)導(dǎo)致吸附劑漏入工藝管線而堵塞管道、卡澀閥門。

（2）逆放效果不佳，影響吸附分壓的進一步降低，導(dǎo)致雜質(zhì)解吸不夠。

（3）影響沖洗效果，沖洗時壓力越低越好，理想狀態(tài)是在表壓為“0”的狀態(tài)下沖洗，但最高不能高于50 kPa。

3.5.3.2 順放（PP1/PP2）時間不夠造成的影響

（1）順放結(jié)束達不到該步驟結(jié)束所需的低壓力要求，直接影響下一步驟逆放效果。

（2）順放時間短意味著沖洗時間也短，無法讓吸附劑吸附的雜質(zhì)充分解吸。

3.5.3.3 終充（FR）時間不足造成的影響

終充（FR）時間不足導(dǎo)致終充結(jié)束，達不到系統(tǒng)設(shè)定吸附壓力要求，造成系統(tǒng)吸附壓力波動大，而吸附壓力相對穩(wěn)定是PSA 工藝最核心的要素，直接關(guān)系能否產(chǎn)出質(zhì)量合格的氫氣。

3.5.4 8-2-3/P工藝各步驟時間優(yōu)化設(shè)置

分周期吸附時間“A”為T1～T10 之和，其中T1、T4、T5、T6、T8、T10為程序設(shè)置滯后時間，固定不變；T9 為運行操作人員根據(jù)原料氣量、產(chǎn)品氣質(zhì)量等因素進行操作調(diào)整的可修改值。故只需對T2、T3 及T7合理設(shè)置即可完成8-2-3/P工藝各步驟時間的優(yōu)化設(shè)置，經(jīng)反復(fù)摸索、驗證，最終確定各步驟時間如下為最優(yōu)運行參數(shù)：

（1）T2=25 s；T3=10 s；T7=25 s

（2）E1D=E1R=T2=25 s；

（3）E2D=E2R=T7+T8=28 s；

（4）E3D=E3R=T2+T3=35 s；

（5）D=T7+T8+T9+T10=30 s+T9（運行設(shè)定）；

（6）PP1=T7+T8+T9+T10=30 s+T9（運行設(shè)定）；

（7）PP2=T2+T3+T4+T5=41 s；

（8）FR=T3+T4+T5+T6+T7+T8+T9=46 s+T9（運行設(shè)定）。

同理，對7-2-3/P、6-2-3/P、4-1-2/P 另三種運行方式也依據(jù)該方法找出了最優(yōu)運行參數(shù)，不再贅述。

4 優(yōu)化后運行效果

4.1 系統(tǒng)操作壓力1.7 MPa→1.5 MPa后

（1）2#制氫裝置氫氣產(chǎn)能及質(zhì)量完全滿足用戶需求。

（2）煤壓機故障、電氣故障及裝置故障均大幅下降，提高了制氫裝置運行穩(wěn)定性，增強了氫氣系統(tǒng)保產(chǎn)能力。

（3）煤壓機運行電流降低30 A，日均節(jié)約用電約380 kWh/日·臺，節(jié)能降耗效益十分顯著。

4.2 200#（TSA）工序參數(shù)優(yōu)化后

（1）優(yōu)化后，吸附劑再生加熱出口溫度由環(huán)境溫度+30 ℃提高到環(huán)境溫度+50 ℃，且保持時間延長了20 min。雜質(zhì)解吸充分，活性炭再生效果更優(yōu)。

（2）因活性炭每次再生較徹底，僅微量殘留，大大延長了活性炭使用壽命。由設(shè)計使用18 個月延長至30 個月更換一次，以裝置運行20 年計可減少更換次數(shù)5 次，節(jié)約活性炭（變壓吸附制氫專用）約45 t。

（3）推廣應(yīng)用于400#脫氧干燥工序及5 套氮氣精制裝置，干燥劑（活性氧化鋁、粗孔硅膠、細孔硅膠）使用壽命由設(shè)計使用36 個月延長至72 個月更換一次。以裝置運行20 年計可減少更換次數(shù)3 次，節(jié)約干燥劑約21 t。

4.3 8-2-3/P工藝各步驟時間優(yōu)化設(shè)置后

（1）滿足300#8-2-3/P 工藝各步驟運行壓力要求，裝置氫氣產(chǎn)能及質(zhì)量完全滿足需求。

（2）將各步驟時間T1～T8、T10 固化入程序，操作人員只需對T9一個時間參數(shù)進行調(diào)整即可，讓制氫系統(tǒng)操作變得簡單、快捷、易學易懂。

（3）將“運行2 臺機T9 調(diào)整范圍55～60 s；運行一臺機T9 調(diào)整范圍100～105 s”寫入運行技術(shù)操作規(guī)程、標準化作業(yè)程序表卡，規(guī)范操作。

5 結(jié)論

2#制氫裝置自建成以來，經(jīng)參數(shù)優(yōu)化調(diào)試投入運行后，運行效果良好。氫氣產(chǎn)能及質(zhì)量完全滿足用戶需求，氫氣收得率一直穩(wěn)定在85%以上。

（1）系統(tǒng)操作壓力由1.7 MPa 降至1.5 MPa 后，經(jīng)實際運行驗證是非常成功的。煤壓機、電氣及裝置故障均大幅下降，且煤壓機運行電流降低30 A，日均節(jié)約用電約380 kWh/臺，節(jié)能降耗效益顯著。

（2）200#（TSA）工序調(diào)整加熱、冷吹時間分配，由各3.5 h 改為加熱4 h，冷吹3 h。提高吸附劑再生質(zhì)量，延長吸附劑使用周期，經(jīng)實際運行驗證效果良好。

（3）300#（PSA）工藝各步驟時間優(yōu)化：E1D（E1R）由45 s 調(diào)整為25 s；E2D（E2R）由45 s 調(diào)整為28 s；E3D（E3R）由45 s 調(diào)整為35 s；D（PP1）由45 s調(diào)整為30 s+T9（運行設(shè)定）；PP2 由45 s調(diào)整為41 s；FR 由45 s 調(diào)整為46 s+T9（運行設(shè)定）。優(yōu)化后經(jīng)實際運行驗證，裝置氫氣產(chǎn)能及質(zhì)量完全滿足要求，系統(tǒng)操作變得簡單、快捷、易學易懂。