焦炉煤气变压吸附制氢新工艺的开发和应用

薛利军

（晋能控股煤业集团双创中心，山西 大同 037000）

引言

结合某煤业集团中的富余焦炉煤气而言，通过焦炉煤气变压吸附（PSA）制氢技术的应用，可以从杂质多和提纯难的焦炉煤气中不断持续和稳定的提出氢气，不仅可以解决煤气富余燃烧带来的环境污染问题，也能带给煤业集团一定的经济效益，有着较高的应用价值。不过在实际建设使用中，还存在着一些问题制约了该技术的应用价值，因此有必要对该技术的实际制氢过程和方案进行了解，进而结合问题原因提出解决措施，不断提高该技术的经济效益跟社会效益。

1 焦炉煤气PSA 制氢新工艺

在传统的焦炉煤气制氢技术中，其工艺流程有以下几点：第一，对焦炉煤气进行焦化预处理，完成对大部分烃类物质的脱除；第二，对初步净化的煤气进行湿法脱硫、干法脱萘和精脱萘、精脱硫，然后通过变温吸附（TSA）系统；第三，利用PSA 制氢工艺完成氢气的提纯。在传统的工艺流程中，有着设备投资大、环境污染严重、工业处理难度大的问题，因此传统的制氢技术未得到全面推广。结合目前的制氢新工艺看，在工艺流程和方案上进行了有效优化，新技术上有着分步压缩法、二段脱硫法和冷冻净化等方面，能够解决传统煤气制氢中的杂质分离难问题，也能降低成本提高效率，值的在工业中推广。

2 PSA 制氢新工艺流程

在PSA 制氢新工艺中，主要有原料气压缩、冷冻净化分离、PSA-C/R 和精脱硫、半成品气压缩、PSA-H2和脱氧等工序，具体可以流程，如图1 所示。结合以上工艺流程，分别有以下内容：第一，在原料气压缩中，可以使用螺杆压缩机进行加压，具体加压到0.58 MPa在冷却到40 ℃～45 ℃后输出，结合煤气中的奈、苯组分会造成吸附剂的性能减低，需要进行冷冻分离工序；第二，在冷冻净化分离中，会对上述杂质进行脱除，为避免分离后仍有微量重组分杂质蒸汽带进煤气中需要在冷冻分离后增设除油器，避免出现吸附剂中毒现象；第三，在PSA-C/R 和精脱硫中，需要脱除煤气中强吸附组分HCN、CO2、C2+、H2S、NO、NH3、有机硫以及大部分CO、CH4、N2等；第四，在半成品气压缩中，需要使用一级活塞式压缩工艺将半成品气压缩到1.25 MPa；第五，在PSA-H2工序和脱氧中，结合脱氧反应会生成水分，因此未设置脱氧工序，同时系统选用二段法工艺，可以降级操作费用，有着较高的应用效果。作为氢气的提纯环节会将体积分数为95%～98%的原料气提纯到99.99%，效果显著[1]。

图1 焦炉煤气变压吸附制氢新工艺流程

3 PSA 制氢新工艺关键技术分析

3.1 螺杆式压缩机

结合制氢需要，决定使用分步压缩的方案，也就是低压段使用螺杆压缩机，在完成杂质组分脱除后，再使用活塞式压缩机升压,在低压段会将焦炉煤气压缩在0.55 MPa～0.60 MPa 之间。结合螺杆式压缩机的特点，和传统的往复式压缩机比较，有着结构简单、检修频率小的优点，和活塞式压缩机相比较有着无需频繁维修气阀的优点，此外其本身也有着运行时间长和安全稳定的特点，在制氢工艺中不断发挥着价值。

3.2 冷冻净化分离工艺

传统工艺需要在整个工艺气的处理中，需要进行脱硫脱苯、脱萘和除氨等预处理工艺，同时还需要借助电捕焦油器和风机等附属设备在成本和工艺上存在一定限制。而在新的制氢工艺中国，可以通过冷冻净化分离工艺，在低温下将原料气中的大部分高碳烃类、萘和苯等重组分杂质脱除有效降低了原料气预处理系统的运行成本工艺复杂性。

3.3 两段法提高氢气回收率

与传统PSA 制氢工艺比较，可以由以往的平均75%氢气回收率提高到95%以上，在新的氢气回收装置中，氢气回收率低，就会增加原料的气量，进而会增加压缩功耗和装置对杂质组分的处理量，因此会出现装置运行费用增大的问题，直接影响到了氢气成本的提高。在新的氢气回收装置中，选择使用两段法吸附技术，具体可以从以下流程了解其吸附原理：第一，将PSA 二段制氢的逆放废气进行回收当做该装置的升压气；第二，将PSA 二段制氢的解吸气用于PSA 一段脱碳的冲洗气；第三，将抽空解吸气和PSA 脱碳的逆放气用于TSA 系统冷吹气和除油器使用；第四，解吸气全部返回管网。

3.4 脱氧系统无需干燥设备

结合传统的PSA 制氢装置，只要对产品中的氧气含量有要求下，普遍会设计钯催化剂加等压干燥的系统?究其原因在于氧气、氢气的分离系数较小?仅通过变压吸附无法满足氢气产品对氧气含量的要求（体积分数需要＜1×10-5）。在新的制氢工艺中，并没有设置干燥系统，如果产品气需要水的体积分数≤6×10-5只需要将脱氧系统置于PSA-H2二段后面便可；如果产品气中要求水的体积分数≤1×10-5则可以将脱氧系统放在PSA-C/R 和PSA-H2二段之间实现，无需设置干燥系统。

4 缺陷整改与运行效果分析

4.1 缺陷整改

该技术在实际运行中存在一些问题，制约了制氢的效果，具体有以下几个方面：第一。制冷机组的制冰量不足，结合冬季温度较低，可以实现生产的半负荷状态，能基本满足制氢需要，不过在夏季中却达不到预期的制冷效果；第二，当冷凝系统和除油器进行蒸汽再生时，系统伴热导淋和脱氧器导淋也会排进高低位水池中，因此池中会存在大量的萘和苯会对周围环境造成一定污染。因此需要做好以下几点工作，避免以上问题的出现，提高制氢效果：第一，需要增设一套苯、萘的回收装置，避免环境污染；第二，需要增设一台制冷量大的冰机和强制性风冷塔，提高夏季制氢效率。

4.2 运行效果分析

在应用以上介绍的焦炉煤气变压吸附制氢新工艺时，以年为单位，整体运行情况较为稳定。在效益上不仅可以使煤业集团充分对有效资源进行合理利用，也能在避免富裕煤气在排空过程中对环境的污染，值得注意的是，该新工艺的利用不仅有着环境效益，也有着经济效益和社会效益，具体可以提高煤业集团的经济收益，以新工艺制氢的投资成本和年制氢利润看，仅需三年该制氢项目便可以回本，且每年保证煤业集团新增收益1 800 万元，在社会效益上可以提供一些就业岗位并促进地区的经济发展，因此制氢新技术有着较高的应用价值。

5 结语

结合传统的焦炉煤气制氢新工艺，存在着成本高、污染重和技术复杂的问题，因此并不能实现对焦炉煤气的有效利用。不过在当前变压吸附制氢工艺的升级下，可以在流程的优化和方案的合理选择下提高制氢的效果，满足煤业集团的可持续发展需要。具体在工艺方案选择中，需要强调压缩过程中螺杆式压缩机的选择和原料气预处理中的净化分离工艺选择，同时也要注重原料气脱硫对PSA 技术应用和氢气回收中的两段法技术应用，最终在明确脱氧系统的组成后，实现高效率、高质量和低成本的制氢工作，促进煤矿化工行业的发展。