浅谈焦炉煤气制氢工艺存在的问题和应对方案

王国志

前言

目前，氢气制取方法较多，优选经济适用的制氢方法能促进贵州黔桂天能焦化有限责任公司苯加氢生产工作顺利进行，在规定时间内完成生产目标，最终氢气制作效果能够达到预期要求。由此可见，焦炉煤气制氢工艺具有应用必要性和重要性，掌握工艺应用的合理化方案，能将常见工艺问题顺利解决，确保工艺制氢优势全面发挥。

1 焦炉煤气制氢装置介绍及特点

1.1 介绍

焦炉煤气制氢装置最初由热吸附净化空气装置升级而来，随着美国工业化进程的不断加快，20世纪60年代装置升级为变压吸附四床工艺技术，简称变压吸附技术，社会发展进步的同时，这一技术应用领域不断拓宽，常用于冶金行业、石油化工行业、环境保护领域。该技术适用于高温环境，它利用差异气体不同吸附效果完成气体分离操作，同种混合气体分离时，根据压力变化影响气体吸附效果这一规律有序分离。

1.2 特点

焦炉煤气制氢装置特点表现为：联合应用变温吸附方式和变压吸附方式，这能提高相同吸附时间内空气净化度，结合式吸附方式具有良好的吸附效果，能够提高氢气纯度；自动化特点显著，由于该装置介质气体燃点较低，并极易爆炸，因此，需要借助计算机进行阀门控制，合理设置、调节各项参数，同时，计算机技术操作十分便捷，能高效检测产品合格率；能耗低又是该装置的主要特点，氢气制作完成后，解吸气体重复利用效率较高，在提高解吸气体利用效率的同时，还能全面监督装置应用效果，一旦装置有气体泄漏现象发生，则警报装置会即刻报警，同时，中控计算机会细致检测系统状态，控制产品质量，做好参数数值调节工作，以此降低故障发生几率。

2 焦炉煤气制氢工艺具体分析

2.1 基本原理

焦炉煤气制氢工艺的系统组成部分主要有三种，第一种组成部分即制氢系统，第二种组成部分即变温系统，第三种组成部分即氢气精制系统，随着温度的不断改变，吸附容量、解吸压力、吸附压力存在差异，关系变化情况如图1所示。当温度不变时，压力与吸附容量呈正比例相关；当压力保持不变时，温度与吸附容量呈反比例相关。因此，氢气实际制作的过程中，应做好工艺组合工作，在此期间，掌握变压吸附以及变温吸附原理，其中，变压吸附原理：循环时间较短、用量较少，吸附剂浪费量较少，常用于提取组分气体或者多量气体，应用过程中无需更换换热设备。变温吸附原理：循环时间较长、成本投入较多，常用于提取少许杂质气体或者杂质解析难度较高的气体，具有良好的再生效果[1]。

图1 差异温度下吸附容量、解吸压力、吸附压力变化情况

2.2 制氢过程

2.2.1 基本工序

由于焦煤质量有高低之别，并且焦化过程不尽相同，受这两种因素影响，焦炉煤气状态会失去稳定性，一旦焦炉煤气制作期间长时间解除于空气，极易发生爆炸现象。再加上，焦炉煤气组分种类较多，其在净化处理过程中应对杂质高效处理，并合理设计制作工序（如图2），选择优质焦煤，以此提高氢气纯度。

其中，第一道工序主要以祛除苯、NH3、萘、H2S、焦油为目标，并将其输送至第二道工序；第二道工序负责深入祛除有害成分，具体包括气体机油、苯、硫化物、焦油、高级烃类、萘等；第三道工序负责祛除杂质，确保提取高浓度氢气；最后一道工序主要祛除些许水分和氮气，确保氢气纯度达到要求的标准。

图2 焦炉煤气制作氢气工序

2.2.2 吸附工艺

变压吸附工艺：应用于该工艺的吸附剂只能吸附定量杂质，因此，应做好深度吸附相关操作，在这一过程中，首先进行降压操作，针对塔内氢气通过顺向、逆向降压操作回收；然后冲洗吸附剂杂质；最后做好冲压准备。

变温吸附工艺：该工艺持续运转的过程中，高效应用预处理器，同时，对塔进行吸附、逆向放压、温度增加、温度冷却、压力增加这一步骤的处理。

脱氧干燥工艺：增加适量催化剂，借助催化反应完成杂质吸附目的。

3 常见问题及应对方案

贵州黔桂天能焦化有限责任公司利用焦炉煤气制氢工艺进行氢气制取时，焦炉煤气处理后，其组分及含量如表1所示，这与制氢要求的焦炉煤气清洁度存在较大差距，问题总结、问题应对方案如下。

表1 处理后焦炉煤气组分及含量

3.1 冬季脱萘器再生难度较高

冬季脱萘器再生过程中，蒸汽热吹处理后极易结冰，并且缓冲罐内部已被带进冷凝液，最终会弱化煤气压缩机应用状态，增加设备运行阻力，同时，吸附压力也会受到不利影响。应对方案：氮气加热处理后，应用热氮气非间断吹扫，以此加快冬季脱萘器再生速度[2]。

3.2 煤气压缩机一级排气压力较强

一级排气压力增强情况极易发生于试车阶段，此时，煤气压缩机出口压力在0.25～0.29MPa之间，待压力值接近0.35MPa后，极易出现一级安全阀起跳现象。之所以会发生这一现象，主要受二级进气阀泄露影响。应对方案：细致处理进气阀，适当降低或者及时更换进气阀垫。

3.3 煤气压缩机进口压力较弱

受季节气温温差过大影响，冬季白天气温高于夜晚，煤气压缩机进口压力受夜晚低温影响不断降低，最后需要进行粗脱萘器更换操作。主要是因为再生过程中会因蒸汽凝结成将粗脱萘器出口封闭。应对方案：适当降低粗脱萘器阀门点位置，以便更好的满足防水需要，保证出口顺畅度。

3.4 脱萘器再生废气量较多

脱萘器实际应用的过程中会产生大量废气，这类废气会在蒸汽带动下混于空气，一旦所在环境温度过高，则极易腐蚀与之接触的电线或者泵体，漏电事故发生后，极易增加安全风险。这一问题出现的原因即，脱萘器填料无序添加，在高温蒸汽作用下，所析出的杂质极易被蒸汽水带进污水槽，由于杂质会散发有害气态，进而会间接威胁人体健康。应对方案：安装冷却器于适当位置，该设备通过将蒸汽转换为液态水，并将其引至污水槽，以免杂质直接暴露于空气。需要注意的是，调节冷却器位置，使其在排污口下方，以此提高冷却器利用效率。

3.5 做好系统改造工作

为了在短时间内优化煤气质量，务必对当前系统顺利改造，这不仅能够促进压缩机有序、平稳运行，而且还能提高氢气稳定性。系统改造期间，应坚持基本原则，如低成本、较小占地空间、较短改造时间，同时，适当减少设备、程控阀、管线等对象的更换量，尽可能提高原有设备应用效率，对于吸附剂，应以高性能为选择标准，这能促进改造目的顺利实现，系统具体改造介绍如下：

预处理系统：增设不同类型程控阀数量，其中，DN50型两台，DN100一台；调整现有系统程序；预处理工序操作压强设置为2.4MPa。

压缩系统：应用直接进焦炉煤气；将一级加压系统压力增至0.23MPa。

增设焦炉煤气高效净化滤洁器：该设备能够提高杂质祛除效率，设备组成部分主要为煤气净化吸附剂、筒体、净化滤料支架、除焦净化滤料、进气均布器、不锈钢波纹净化器等。设备工作原理为：焦炉煤气途径均布器进入脱焦净化层，在这一过程中，焦炭能够对焦油雾起到良好的吸附作用，最后在吸附层和活性炭的作用下，焦油雾会被更好的吸收。焦油煤气处理后，将其引入不锈钢波纹净化器，实现液滴、气液分离[3]。

4 结论

综上所述，贵州黔桂天能焦化有限责任公司针对苯加氢进行生产管理时，应用焦炉煤气制氢工艺提高氢气纯度，针对常见问题采取针对性措施和系统改造方法进行妥善处理，这不仅能够发挥焦炉煤气制氢工艺的应用优势，而且还能降低氢气制作成本。因此，相关学者应对这一工艺深入研究，掌握该工艺的应用技巧，这对企业生产效益增加，企业持续发展有重要意义。

[1]姚鑫.焦炉煤气制氢工艺研究现状[N].世界金属导报，2015-10-06（B10）.

[2]杨志彬.焦炉煤气甲烷重整制氢工艺研究[A].第十七届（2013年）全国冶金反应工程学学术会议论文集（上册）[C].中国金属学会、冶金反应工程学分会，2013：8.

[3]张国富.日本焦炉煤气制氢技术[J].燃料与化工，2012，43（04）：58～59.