第３１卷第３期 Ｖｏ１．３１ Ｎｏ．３ ２０１０ 青岛理工大学学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｉｎｇｄａｏ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ 焦炉煤气制氢工艺存在的问题和应对方案 韩荟瑾 （山东劳动职业技术学院机械ｌＴ程系，济南２５００２２） 摘要：在冶金工业全氢光亮钟罩式退火炉生产中，需用大量的纯氢气．氢气的制取方法很多，最经济、最实用 的制氢方法应为从焦炉煤气中制取纯氢气，即利用变压吸附技术从焦炉煤气中提取纯氢气，纯度可达 ９９．９９９ ．前提是提供的焦炉煤气参数必须达到制氢压缩机的洁净度要求，保证制氢系统的正常运行．在短时 间内无法解决煤气质量的情况下，对现有系统进行投资少、见效快的压缩工序及预处理工序改造非常必要． 关键词：罩式退火炉；氢气；焦炉煤气；纯度；变压吸附（ＰＳＡ） 中图分类号：ＴＦ０５５ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３—４６０２（２Ｏ１０）Ｏ３…０１０８－－０５ Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ｔｏ Ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｆｒｏｍ Ｃｏｋｅ Ｏｖｅｎ Ｇａｓ ＨＡＮ Ｈｕｉ－ｊｉｎ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｌａｂｏｕｒ Ｖｏｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｊｉｎａｎ ２５００２２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ￣Ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｍａｎｙ ｗａｙｓ ｆｏｒ ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ ｉｎｄｕｓｔｒｙ， ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｂｅｌｌ—ｔｙｐｅ ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｆｕｒｎａｃｅ．Ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｅｃｏｎｏｍｉｃａｌ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｔｈａｔ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｃｏｋｅ ｏｖｅｎ ｇａｓ，ｗｈｉｃｈ ｅｍｐｌｏｙｓ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｗｉｎｇ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｔｏ ｐｒｏｄｕｃｅ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｔｏ ｔｈｅ ｐｕｒｉｔｙ ｏｆ ９９．９９９ ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｋｅ ｏｖｅｎ ｇａｓ ｍｕｓｔ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｂｙ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｎｇ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｓ ｆｏｒ ｃｌｅａｎｌｉｎｅｓｓ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｎｏｒｍａｌ ｏｐｅｒ— ａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ．Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｇａｓ ｑｕａｌｉｔｙ ｃａｎ ｎｏｔ ｂｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｉｎ ３ ｓｈｏｒｔ ｔｉｍｅ，ｔｈｅ ｒｅｎｏｖａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ａ ｌｏｗ ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ ａｎｄ ｑｕｉｃｋ ｒｅｔｕｒｎｓ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｖｅｒｙ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｅｌｌ—ｔｙｐｅ ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｆｕｒｎａｃｅ；ｈｙｄｒｏｇｅｎ；ｃｏｋｅ ｏｖｅｎ ｇａｓ；ｐｕｒｉｔｙ；ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｗｉｎｇ ａｄ— ｓｏｒｐｔｉｏｎ（ＰＳＡ） 在冶金企业镀锌生产和全氢光亮罩式退火炉生产过程中，需要大量的纯氢气（９９．９９９ ）．而氢气的制 取方法很多，如：水电解制氢、水煤气制氢、石油热裂的合成气和天然气制氢、焦炉煤气制氢、电解食盐水制 氢、酿造工业副产品等，但各种制取方法的成本、工艺和纯度均存在较大差异．而焦炉煤气是由Ｈ。、ＣＯ、 ＣＯ。、Ｏｚ、Ｎ 、ＣＨ 及烃类等多种气体组成的混合物，其中氢气含量高达６Ｏ ．最经济、最实用的制氢方法 应为从焦炉煤气中制取纯氢气，即利用变压吸附（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ，简称ＰＳＡ）技术从焦炉煤气 中提取纯氢气，纯度可达９９．９９９ ９／６． 收稿日期：２００９—１０ ０５ 作者简介：韩荟瑾（１９６４ ），女，山东龙口人．高级讲师，主要从事冶金机械研究．Ｅ－ｍａｉｌ：ｈａｎｈｕｉｊｉｎ２＠１６３．ＣＯｒｒＬ 第３期 韩荟瑾：焦炉煤气制氢工艺存在的问题和应对方案 １０９ １焦炉煤气制氢工艺简述 １．１变压吸附技术的由来 １９４２年，德国发表了第ｌ篇无热吸附净化空气的文献．２Ｏ世纪６０年代初，美国联合碳化物（Ｕｎｉｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ）公司首次实现了变压吸附四床工艺技术的工业化．进入２０世纪７Ｏ年代后，变压吸附技术获得了 迅速的发展．装置数量剧增，装置规模不断扩大，使用范围越来越广，主要应用于石油化工、冶金、轻工业及 环境保护等领域． １．２变压吸附技术的工作原理 变压吸附（ＰＳＡ）分离技术是一种非低温的分离技术，利用不同气体在吸附剂上吸附性能的差异，以及 同种气体在吸附剂上的吸附性能随压力变化而变化的特性来实现混合气体中各种气体的分离［１ ］． １．３改造前工艺流程 以山钢集团某冷轧厂为例．由于焦炉煤气组成复杂且产品氢纯度要求高，利用变压吸附技术从焦炉煤 气中提取纯氢气的工艺主要由预处理工序、压缩工序、变压吸附提氢工序、脱氧脱水工序等组成，流程如图 １所示． 解吸气去燃气管网 图１改造前焦炉煤气制氢工艺流程 １．３．１预处理工序 预处理系统由１台除油器、２台预处理塔和１套精密过滤器组成． 来自煤气管网的焦炉煤气在５～１５ ｋＰａ压强下，进入预处理系统．经除油器脱除煤气中游离的焦油， 进入预处理塔，对萘及部分焦油、ＮＨ。、ＨｚＳ及其他芳香族化合物等进行吸附处理，饱和后转入再生过程， 同时用另一台预处理塔进行吸附工作． 预处理塔的再生过程包括：①降压过程；②加热脱附杂质；③冷却吸附剂；④升压过程． 预处理系统的工艺程序如下： １号处理塔：吸附一加热一冷却 ２号处理塔：加热一冷却一吸附 １．３．２压缩工序 压缩工序由２台往复式压缩机组成（１开１备）．经初步脱硫、脱萘后的焦炉煤气首先经压缩机的一级 加压至０．２２ ＭＰａ之后进入压缩机第二级入口，经压缩机二、三级压缩至１．７ ＭＰａ后，进入后续的变压吸 附系统． １．３．３变压吸附（ＰＳＡ）ＳＫ序 一般变压吸附系统由１台除油器和６台吸附塔组成，采用６－２—３变压吸附工艺．其中２个吸附塔始终 处于进料吸附状态，吸附器所有的压力均衡降是用于其他吸附器的压力均衡升，以充分回收将被再生的吸 附器中的氢气．逆放步骤排出了吸附器中吸留的大部分杂质成分，剩余的杂质用顺向降压排出的氢气进行 １１Ｏ 青岛理工大学学报 第３１卷 冲洗解吸．其工艺过程由吸附、３次均压降压、顺放、逆放、冲洗、３次均压升压和产品最终升压等步骤组成． 经过压缩工序后的焦炉煤气自塔底进入正处于吸附工况的吸附塔，在吸附剂选择吸附的条件下一次 性除去氢以外的绝大部分杂质，获得纯度大于９９．９ 的粗氢气，从塔顶排出送净化工序． 当被吸附的杂质的传质区前沿（称为吸附前沿）到达床层出口预留段某一位置时，停止吸附，转入吸附 剂的再生过程．吸附剂的再生过程如下： 均压降压过程一顺放过程一逆放过程一冲洗过程一均压升压过程一产品气升压过程 ６个吸附塔交替进行以上的吸附、再生过程（始终有２个吸附塔处于吸附状态），即可实现气体的连续 分离与提纯． 净化后的焦炉煤气在本系统采用变压吸附技术去除了经预处理后的所有杂质，氢气成分得到浓缩．但 其中的氧气很难被吸附，因此本工序获得的氢气中仍然含有少量的氧气（约０．１ ），这些氧气只能通过另 一净化工序去除． １．３．４脱氧脱水工序 从变压吸附工序来的氢气是含有少量氧气的粗氢气，纯度尚达不到用户要求，需要进行净化处理．粗 氢气首先进入除氧器，经过加热器预热，在催化剂的催化下，氧气和氢气反应生成水，然后经冷却器冷却至 常温，再经缓冲罐缓冲后进入由预干燥塔、干燥塔、分液罐、换热器等组成的等压再生干燥系统．经干燥后 的氢气即可达到纯度９９．９９９ 、氧含量小于１ ｍｇ／ｍ。、露点低于一６５℃的要求． １．３．５控制系统 根据变压吸附的工艺特点，控制系统设计和软件设计将在满足工艺要求的前提下，既考虑技术的先进 性、操作的简便性和直观性，又特别注意运行的可靠性和稳定性． 全套控制软件包将充分体现变压吸附的技术特点，不仅能实现系统的实时控制、优化操作，而且能完 全保证装置的长期、稳定、安全运行． １．３．６优化控制 本装置的控制软件包中的专家自诊断系统可根据装置进料量的大小、原料气组成与产品气纯度分析 的变化，适时地自动调整系统运行参数，优化变压吸附工序的运行状况，而无须人工调整． 该功能可使装置在处理量变化、原料气组成、压强和温度变化时，自动保证产品的质量并获得最高的 氢回收率，从而大大提高了装置在运行过程中的经济性． ２制氢系统存在的问题 ２．１煤气现状 经过一般粗处理后的焦炉煤气组成如表ｌ所示，远远达不到制氢所需焦炉煤气的清洁度要求． 表１一般粗处理后的焦炉煤气组成 注：压强为５ ｋＰａ，温度为４Ｏ℃，流量为１３００ ｍ。／ｈ． ２．２制氢系统存在的问题 １）焦炉煤气杂质量大，引起预处理系统产能不足． ２）由图１可见，预处理设计在压缩机组的人口，由于压强低，萘及焦油没有很好的脱除效果． ３）压缩机组的冷却器结构不合理，水走壳程，煤气走管程，容易引起堵塞． ４）氢气纯度低． 由于原料气中Ｈ ｓ、焦油和萘严重超标，以及制氢系统存在的问题，在短短十几天内，导致山钢集团 第３期 韩荟瑾：焦炉煤气制氢工艺存在的问题和应对方案 某冷轧厂Ａ、Ｂ、Ｃ三组压缩机分别损坏，多次出现因为氢气系统压强低于罩式炉生产所需求的最低工作 压强，或因为氢气纯度达不到９９．９９９ 的要求而出现报警、停炉事故，造成冷轧板的次品、废品的产生和 产品的改判，给企业造成巨大的产品质量损失． ３解决方案 针对目前严重的系统运行情况，在短时间内无法解决煤气质量的情况下，必须对现有系统进行投资 少、见效快的改造． ３．１改造的目的 １）确保压缩机正常运行，减少检修工作量，确保镀锌、彩涂和全氢罩式退火炉生产线的稳定运行，避 免停机损失． ２）确保产品氢气的质量稳定． ３）提高装置的氢气纯度． ３．２改造的原则 １）投资少、见效快． ２）尽量减少新增占地． ３）尽量减少改造工作量，缩短改造时间． 由于不同的改造将有不同的投资、不同的氢气质量，因此，在综合投资因素和保证产品质量与产量的 前提下确定改造的思路是：原有设备全部利用，通过更换少量的设备，更改少量管线和程控阀，更换性能更 好的吸附剂来达到改造的目的． ３．３改造方案 改造后的焦炉煤气制氢工艺流程如图２所示． 解吸气去燃气管网 图２改造后焦炉煤气制氢：ｒ＿艺流程 ３．３．１压缩系统改造 １）将原来由预处理工序来的净化煤气改为直接进焦炉煤气． ２）将原来的煤压机一、二、三级连续压缩改为经初步脱硫、脱萘后的焦炉煤气首先经压缩机的一级加 压系统加压至０．２２ ＭＰａ，然后进入预处理系统除去萘、焦油、ＮＨ。、Ｈ。Ｓ及其他芳香族化合物．处理后的 焦炉煤气回到压缩机第二级入口，经压缩机二、 级压缩至１．７ ＭＰａ后进入后续预处理系统． ３．３．２预处理Ｔ序系统改造 １）增加ＤＮ１００程控阀２台，ＤＮ５０程控阀１台． ２）．预处理工序操作压强由原来的５ ｋＰａ改为０．２３ ＭＰａ ３）更改现有程序． １１２ 青岛理工大学学报 第３１卷 ３．３．３加装焦炉煤气高效净化滤洁器 、加装焦炉煤气高效净化滤洁器，可以进一步去除焦油、灰尘等杂质． １）焦炉煤气高效净化滤洁器的设备组成．焦炉煤气高效净化滤洁器主要由筒体、进气均布器、净化滤 ２）焦炉煤气高效净化滤洁器ｌＴ作原理．焦炉煤气高效净化滤洁器采用５级净化工艺，焦炉煤气经过 料支架、不锈钢波纹净化器、煤气净化吸附剂、除焦净化滤料等设备构成． 进气均布器后进人由焦炭组成的脱焦净化层，焦油雾气与焦炭表面接触而被焦炭吸附．经过粗脱焦油后的 煤气进入由活性炭组成的吸附层，大部分的焦油雾与活性炭充分接触而被吸附在活性炭中． 经过上述净化后的焦炉煤气进入不锈钢波纹净化器，它是一种高效的气液分离装置，其主要用于分离 直径大于２～５ ｍ的液滴．不锈钢波纹净化器的可润湿性、液体的表面张力等作用，使得液滴越来越大， 直到聚集的液滴大到其自身产生的重力超过气体的上升力与液体表面张力的合力时，液滴就从不锈钢波 纹净化器上分离下落． ３．４结果 经过实际测量，在出口温度为 表２改造后杂质含量 ｍｇ／ｍ３ 常温状态下，产氢能力≥６５０ ｍ３／ｈ． 改造后氢气纯度为９９．９ ～ ９９．９９９ ９／６．杂质含量如表２所示． ４结论 改造后１年多时间的运行证明，整个煤气制氢系统没有出现压缩机故障，系统平均无故障工作时间已 经大于１３ ０００ ｈ．氢气指标完全符合镀锌、彩涂生产和全氢光亮罩式退火炉生产的要求．改造方案投资少、 见效快，对其他企业的煤气制氢系统改造具有积极的借鉴作用． 参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）： ［１３徐世洋，张敏，朱亚军．变压吸附技术在焦炉煤气制氢中的应用［Ｊ］．辽宁化工，２００６，３５（７）：４１０—４１２． ＸＵ Ｓｈｉ—ｙａｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｍｉｎ．ＺＨＵ Ｙａ—ｊｕｎ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｈｉｆｔ Ａｂｓｏｒｂｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｉｎ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ＣＯＧＥＪ］．Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ，２００６，３５（７）：４１０—４１２． ［２］王树奇．焦炉煤气变压吸附制氢工艺技术应用评述［Ｊ］．新疆钢铁，２００７（１）：２５—２６． ＷＡＮＧ Ｓｈｕ ｑｉ．Ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｏｎ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｍａｋｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ Ｃｏｋｅ Ｏｖｅｎ ＧａｓＥＪ］．Ｘｉ￣ｉａｎｇ Ｉｒｏｎ ａｎｄ Ｓｔｅｅｌ， ２００７（１）：２５—２６． ［３］徐世洋，张敏，朱亚军．浅谈变压吸附技术在焦炉煤气制氢中的应用厂Ｊ］一Ｅ海化Ｔ，２００６，３１（７）：２９—３２． ＸＵ Ｓｈｉ—ｙａｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｍｉｎ，ＺＨＵ Ｙａ￣ｕｎ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｈｉｆｔ Ａｂｓｏｒｂｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｉｎ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ＣＯＧ［Ｊ］．Ｓｈａｎｇｈａｉ 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