焦炉煤气变压吸附制氢关键问题分析及优化设计

周亮文（山钢股份莱芜分公司，山东莱芜271104）



焦炉煤气变压吸附制氢关键问题分析及优化设计

周亮文
（山钢股份莱芜分公司，山东莱芜271104）

摘要：针对变压吸附制氢工艺的原料气焦炉煤气含杂质多、单塔产品流间断、系统控制复杂等问题，周期性对制氢工艺进行优化设计。设计对焦炉煤气进行净化和预处理，确保制氢工艺安全稳定；采用6塔工艺，保证适当的均压次数，实现了产品连续稳定输出；同时对复杂的控制系统进行了优化设计。实现了制氢机组稳定运行，产品回收率80%，氢气纯度99.999%。关键词：制氢；焦炉煤气；变压吸附（PSA）；煤气净化；6塔工艺

钢铁企业利用资产资源焦炉煤气制取氢气是实现资源价值开发的途径之一，PSA制氢装置的工艺介质和设备状况是变压吸附制氢稳定运行的关键［1］。山钢股份莱芜分公司对焦炉煤气变压吸附制氢技术的关键点和多塔工艺进行了优化设计，建设了1 300 m3/h变压吸附制氢机组，产品氢气纯度99.999%，并因地制宜将余热蒸汽应用于制氢工艺。

1　问题分析

焦炉变压吸附制氢工艺基本构成如图1所示。

图1　焦炉煤气变压吸附制氢工艺基本构成

制氢工艺的关键环节包括原料气预处理、PSA产品流及全系统的稳定控制。分析认为，该工艺系统存在以下问题：

1）原料气—焦炉煤气中含杂质多。焦炉煤气中杂质较多，组分十分复杂，除含有大量CH4和一定量的N、CO、CO1、O1外，还有少量的高碳烃类、萘、无机硫、焦油等，这些都是高沸点组分，很难在常温下脱附。对变压吸附采用的吸附剂而言，吸附能力强以至于难于解吸。

2）单塔变压吸附循环工作，产品流是间歇的。单个吸附塔在一次工作循环中经历高压下吸附、减压脱附、充压等过程，原料气的输入和产品氢气输出是间歇的，不能满足用户需求，应选择多塔交替运行工艺，实现产品氢气连续稳定生产。

3）系统控制比较复杂。选择6塔交替运行PSA工艺，运行过程要求根据系统的各种工艺参数对各步骤按预定程序进行切换。工艺中要求在线监控的组分多，其中原料气中的氢含量是计算装置回收率的重要指标，产品氢中微量水和微量氢是考核工艺产品质量的重要参数。因此系统的控制和操作非常复杂。

2　工艺原理［2］

经过压缩的焦炉煤气首先通过变温吸附工艺除去C5以上的烃类和其他高沸点组份，达到预净化焦炉煤气的目的；然后再经过变压吸附工艺除去氧以外的所有杂质组份，获得99.899%纯度的产品氢气；最终通过催化反应除去氢气中的氧，并经变温吸附干燥，获得99.999%纯度的产品氢气。

2.1变温吸附（TSA）工艺

变温吸附是利用吸附剂对气体的吸附容量随温度的不同而有较大差异的特性，在吸附剂选择吸附的条件下，常温吸附高沸点杂质组份。高温脱附这些杂质，并使吸附剂获得再生，循环操作达到连续净化原料气及干燥的目的。本工程200号工序预处理及300号工序的干燥均是采用此工艺。吸附剂的再生通过降压、加温、冷却、充压步骤完成。

2.2变压吸附（PSA）工艺

变压吸附制氢技术就是利用吸附剂对气体的选择性吸附特性，在较高的压力下吸附原料中的杂质CH4、N2、CO、CO2等，不宜吸附的组份—氢气及氧气则穿过吸附床作为粗产品输出，再通过降低吸附床压力使杂质组份脱附解吸，从而使吸附剂可获得再生。

2.3脱氧工艺

从变压吸附工序获得含有少量氧的粗氢产品，在钯触媒存在下通过催化反应，使氧与氢生成水，达到脱除氧的目的。

3　优化设计

3.1原料气净化和预处理

焦炉煤气净化系统主要用来脱除焦炉煤气中的焦油、H2S、萘等杂质，由电捕焦油、湿法脱硫、干法脱硫、变温吸附（TSA）脱萘等工艺组成，达到变压吸附原料气中杂质的要求。

将压力为8～10 kPa的焦炉煤气经3台煤气压缩机（C0101A、B、C，两开一备）三级压缩至1.8 MPa，然后进入两台可串并联的除油器（T0101A、B）脱除气体压缩所带的油，再进入两台并联的预处理器（T0102A、B）脱除其中的烷烃、芳烃及硫化物等，达到变压吸附所需压力及原料气净化要求。预处理器的再生用200号工序经，再生气加热器（E0101）加热到150℃的解吸气从上到下进行再生。再生后的解吸气经再生气冷却器（E0102）冷却至常温后送出界外。预处理工序控制参数：吸附压力1.8 Nm3/h（干基），吸附温度40℃；再生压力0.02～0.05 MPa，再生温度150℃；周期16 h；蒸汽压力0.8～1.0 MPa。

3.2采用6塔交替运行工艺

多塔变压吸附的意义在于保证在任何时刻都有相同数量的吸附床处于吸附状态，使产品能连续稳定地输出，保证适当的均压次数，使产品有较高的回收率。

变压吸附6—2—3/p操作工艺，设6个吸附床，任何时刻均有2个吸附床同时进料（处于吸附状态），实现3次均压，同时采用冲洗步骤。6个吸附床交替循环切换操作，产品氢气连续稳定输出。每台吸附器在不同时间依次经历吸附、第1级压力均衡降（1E1D）、第2级压力均衡降（2E2D）、顺向降压、第3级压力均衡降（3E3D）、逆向放压、冲洗、第3级压力均衡升（3E3R）、第2级压力均衡升（2E2R）、第1级压力均衡升（1E1R）和最终升压（FR）10个步骤，合计循环周期720 s（见表1），每个步骤温度参数均≤40℃。吸附器所有的压力均衡降用于其他吸附器的压力均衡升，以充分回收再生器中的氢气。逆放步骤排除了吸附器中吸留的大部分杂质，剩余的杂质通过顺向降压排除的氢气进行解吸。

表1　变压吸附循环各步骤压力及时间控制

3.3控制系统设计

本系统采用两级自动控制，下位机采用小型集散控制系统（DCS）。

1）顺序控制。对全部程控开关阀进行可靠的开关控制，保证各程序开关阀按照工艺给定的条件和顺序开关，实现PSA装置的正常切换。所有程控开关阀均由防爆电磁阀驱动，所有程控阀均带阀位传感器。计算机可随时监控、显示所有程控阀的动作情况，并可对程控阀故障进行自动报警和联锁处理。顺序控制功能还可以实现多种切塔和恢复的控制，运行多套程序。

2）均压速度调节。PSA装置在运行过程中，除处于吸附状态的吸附塔外，其余吸附塔均处在再生的某降压和升压过程中，要求气流均衡、稳定，特别是均压过程，如果过快升降会严重影响吸附剂的使用寿命。本系统的程控阀门都具有开启速度调节功能，可控制均压的速度，保证吸附剂的寿命。

3）回路调节。控制系统的回路调节功能可实现可靠的PID调节、串级调节、分程调节等多种控制功能，保证PSA系统的稳定可靠运行，所有控制回路均由计算机进行监控，参数修改方便，并可自动对各参数的异常进行报警和联锁处理。

4）自适应随动控制。对于影响吸附效果的关键调节回路，产品气升压回路和冲洗控制回路采用自适应随动控制，可使产品升压过程和冲洗过程随着其他吸附参数自动调整。

5）优化控制。控制系统的优化控制功能可依据PSA迸料量的大小和产品氢气的纯度自动地调整影响吸附的最主要参数：吸附循环时间参数，在保证产品氧气纯度的同时保证装置的产量最大，使装置自动处于最佳的运行状态。

6）联锁控制。控制系统的联锁控制可实现压缩机故障时的自动保护（由压缩机内部PLC实现），吸附塔故障时的自动连锁切除，压缩机系统超压时自动连锁放空与保护，系统超温或燃气泄漏时的安全联锁，产品质量不合格时的联锁放空控制等。

7）压缩机控制。本系统压缩机现场控制系统采用PLC控制，压缩机系统压力调节安全放空控制由系统PLC控制。

4　结论

4.1焦炉煤气富含氢气、甲烷、一氧化碳等，但同时含有多种杂质，除C2～C5等饱和烃和非饱和烃之外，还有苯族化合物、萘、有机硫、无机硫、氮氧化合物、氨、焦油等微量组分，因此要保证变压吸附制氢生产安全稳定运行，关键点之一是焦炉煤气净化和预处理达到指标要求。

4.2采用六塔吸附工艺，实现了产品连续稳定输出，保证适当的均压次数，产品回收率80%以上，实现稳定经济运行。变压吸附制氢机组塔多、工艺变换多、参数多，运行控制要求高，系统具有完善的控制设计、可靠的程控阀等，才能实现稳定、连续运行。

4.3解决了焦炉煤气中苯含量高、余热蒸汽不稳定等问题，实现了制氢机组的稳定运行，氢气纯度为99.999%，合格率为100%，满足了冷轧罩式退火炉、苯加氢工艺等的需要。解析气主要成分甲烷，在本设计中用于燃料用户，没有实现更高的价值利用，若能与焦炉煤气制天然气工艺结合，将会实现更大的价值。

参考文献：

［1］张敏.焦炉煤气变压吸附制氢在宝钢的应用［J］.冶金动力，2006（6）：23-25．

［2］张建伟.变压吸附原理在工业制氢中的应用［J］.制冷技术，2001（3）：41-44．

Key Problem and Design Optimization of Pressure Swing Adsorption Hydrogen Making Process of Coke Oven Gas

ZHOU Liangwen
（Laiwu Branch Company of Shandong Iron and Steel Co., Ltd., Laiwu 271104, China）

Abstrraacctt:: The key problems of the coke oven gas pressure swing adsorption hydrogen production process are impurities of coke oven gas and cyclicity product flow of single-tower process, and the optimization design of pressure swing adsorption hydrogen production was put forward with six- tower process and suitable voltage- sharing times. The 99.999% purity and 80% yield of hydrogen production had been obtained by solving the problem.

Key worrddss:: hydrogen production; coke oven gas; pressure swing adsorption; gas purification; six-tower process

《山东冶金》征稿简则

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5作者单位，包含单位名称（全称）、地址和邮编。若作者出自多个单位，应分别列出，并按作者标注的顺序，分别在各自单位名称前加“1”、“2”、“3”，各作者单位之间加“；”。文末注明论文第一作者简介，包括：姓名，性别，出生年，毕业时间、院校、专业。现职务、职称，从事工作或研究方向等。注明通信地址、电话、Email等。

6正文前应有200字左右的中文摘要，内容包括研究的目的、方法、结果和结论等，应尽量反映文章的主要信息，写成报道性短文；列出3～8个关键词。

7英文题名以短语为主要形式，应少于10个实词；英文摘要与中文摘要对应，一般不超过150个实词；英文关键词应与中文关键词一一对应。

8层次标题一般分3层，用阿拉伯数字连续编号，如“1”，“2.1”，“3.1.1”……，后空2格排标题；应简短明确，不易过长（一般不超过15个字）。也可不用3级标题，只写顺序号，如1）、2）、3）等。

9文中的图表采用阿拉伯数字顺序编号，先见文，后见图表。图表题名应简明确切。表的结构要简洁，空白项为未测或无此项,“－”为未发现,“0”表示实测结果为0。图要精选，内容不得与文字或表格内容重复。尽量采用Auto CAD绘制或Excel图，可打开编辑。照片要求清晰、层次分明、反差适中；金相及TEM、SEM等照片应有放大倍数或比例尺。

10使用国家法定计量单位及符号；名词术语应统一；一篇文章中一种符号只能代表一种含义，变量符号用斜体；正确标注所用符号的大小写、上下标。

生产技术

作者简介：周亮文，男，1971年生，1995年毕业于南昌航空大学无损检测专业。现为山钢股份莱芜分公司能源环保部高级工程师，从事能源管理和钢铁余热余能开发研究工作。

收稿日期：2015-04-14

中图分类号：TQ116.2+3

文献标识码：B

文章编号：1004-4620（2015）06-0029-03