双气源变压吸附制氢系统的研究与应用

郭 峰，郭 慧

（山东钢铁集团日照有限公司，山东日照 276800）

冶金行业生产冷轧板和镀锌板时，处理线机组的连续式退火炉需利用氢气作为炉内还原保护气体。目前，冶金行业较多采用的天然气或焦炉煤气为原料气，利用变压吸附的方式制取氢气[1]。山钢日照公司通过对自产气源的充分研究，采用LNG 副产品富氢气体为主要原料气，焦炉煤气为备用原料气，建成双气源变压吸附制氢站，并成功投入使用。

1 原料选择

山钢日照公司焦化厂设计有LNG 项目，该项目工艺用焦炉煤气作为原料，经过压缩对煤气进行净化，然后通过催化反应，使甲烷液化并分离，生产出LNG，同时产出副产品：富氢气体。LNG项目生产过程中可为制氢站稳定供应富氢气体。根据自产气体特点，选取LNG 的副产品富氢气为制取氢气的主要原料气，考虑厂内LNG 运行稳定性，使用焦炉煤气为备用原料气，采取可切换的双气源方式进行变压吸附制氢，气体成分如表1所列。

表1 原料气组成 单位：%

2 工艺流程

LNG 富氢气为原料气设计工艺流程主要由变压吸附工序、脱氧工序以及储存工序组成。考虑焦炉煤气作为备用气源，系统额外配置备用的变温吸附工序和压缩工序，具体工艺流程如图1所示。

图1 焦炉煤气或富氢气制氢工艺流程图

当采用富氢气体制氢时，由于不含苯、萘、焦油等高分子杂质，同时气源压力可达1.8 MPa，因此富氢气体可直接进入变压吸附工序。当采用焦炉煤气制氢时，其工艺流程主要包括变温吸附工序、压缩工序、变压吸附工序、脱氧干燥工序以及储存等。

变温吸附工序保证进入压缩机气体的萘含量＜10 mg/m3，焦油处理到约5 mg/m3，同时脱除C4 以上杂质。焦炉煤气经过粗过滤器过滤后，进入处于吸附步骤的脱萘塔，脱除大部分萘、焦油、C4以上杂质，再进入焦炉煤气缓冲罐供焦炉煤气压缩机加压。脱萘塔再生气使用来自变压吸附工序的解吸气。

压缩工序使用来自变温吸附工序的焦炉煤气，压力约为10 kPa，由于变压吸附工序压力要求约为1.8 MPa。压缩工序主要由2 台螺杆压缩机构成，单台压缩机处理气量为700 m3/h，当要求产品氢气量较大时，需同时启动2台压缩机，并联使用。

变压吸附（PSA）工序由精密过滤器、吸附塔、顺放气缓冲罐、解吸气缓冲罐和粗氢缓冲罐构成。装置可满足富氢气或焦炉煤气独立生产高纯氢气，吸附塔内吸附剂主要由氧化铝、脱碳吸附剂和分子筛等组成，填装量根据焦炉煤气制氢工况进行计算，此填装量可同时满足以富氢气为原料的情况下的使用。变压吸附采用5-1-3 变压吸附工艺，即1 个吸附塔始终处于进料吸附状态，其它4 个塔则处于解吸再生状态。5 个吸附塔交替进行吸附、再生操作，从而实现气体的连续分离与提纯。

脱氧净化工序分为脱氧和脱水两部份，从变压吸附（PSA）工序来的氢气含有少量氧气，纯度尚达不到要求，需要脱除其中的氧气。在脱氧塔中装填的新型Ba 催化剂的催化下，氧和氢反应生成水，经干燥后产出产品氢。

储存工序包括氢气缓冲罐及氢气纯度测试装置。在装置启车初期先将2 个氢气缓冲罐置换充满，再通过另外一条管线减压后供应至冷轧处理线机组。

3 气源切换

当LNG 富氢气气源供应存在问题时，可在线切换至焦炉煤气制氢。首先，操作进气阀门，切断富氢气体供应，将原料气变为焦炉煤气。其次，启动变温吸附工序和压缩工序，压缩工序气体达到要求压力后逐渐向后工序缓慢投料。切换初期，不合格粗氢气经管道返回焦炉煤气管网。最后，将合格粗氢气送入脱氧工序，即可快速实现由富氢气至焦炉煤气的气源变更。整个切换过程在1 h 内完成，期间由氢气缓存罐向下游用户供应氢气。

当LNG 富氢气气源供应恢复时，可在线切回至富氢气制氢。停止压缩机运行，关闭变温吸附工序和压缩工序。将焦炉煤气切换至富氢气体，缓慢送入PSA 工序，即可实现富氢气制氢的快速切回。如氢气纯度存在问题，可在切换气源系统运行稳定后，调整变压吸附的吸附压力和吸附时间。

4 富氢气体制氢优势

目前，LNG 富氢气体供应相对稳定，可满足制氢站全年连续稳定生产。为预防压缩机长时间停机造成设备故障，根据下游用气情况，每月选取连续的4～12 h 切换至焦炉煤气制氢，其余时间均采用富氢气制氢。采用富氢气体制取氢气，产品氢气纯度可达到99.999%，氧含量＜2×10-6，露点＜-65 ℃。当提高原料进气量时，可实现最高500 m3/h 的氢气产量的要求，氢气回收率可达80%。与常规焦炉煤气、天然气变压吸附制氢相比，实现短流程的变压吸附制氢。极大地降低设备运行的能源和物料消耗，减少压缩机设备维护，同时无含焦油、萘等的危险废弃物产生。

5 结论

（1）采用LNG 富氢气和焦炉煤气双原料气变压吸附制氢，可满足纯度99.999 %、氧含量＜2×10-6、露点＜-65 ℃的要求。

（2）采用富氢气短流程工艺制氢，极大地降低设备运行的能源和物料消耗，减少压缩机设备维护，同时无含焦油、萘等的危险废弃物产生。

（3）机组采用双原料气设计，可实现双原料气的在线快速切换，最大程度实现氢气供应的稳定。