制氫裝置氫收率低的原因分析及對策

劉英 張曉龍

摘?要：制氫裝置是煤焦油加氫工藝的重要上游裝置之一，其產(chǎn)品氫是加氫裂化和加氫重整不可缺少的原料。本文基于陜西煤業(yè)化工集團(tuán)神木天元化工有限公司制氫裝置，分析在滿負(fù)荷生產(chǎn)狀態(tài)下，產(chǎn)品氫收率的影響因素及應(yīng)對措施。

關(guān)鍵詞：煤制油;氫氣收率;化工操作

在全球環(huán)保壓力日益嚴(yán)峻的趨勢下，我國能源戰(zhàn)略的發(fā)展和升級(jí)勢在必行，新能源將逐步替代傳統(tǒng)化石能源成為市場主流[1]。習(xí)近平同志在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)上提出我國將爭取在2030年前實(shí)現(xiàn)碳排放達(dá)到峰值，在2060年前實(shí)現(xiàn)碳排放中和。煤焦油加氫作為煤制油的分支之一，受制于原料價(jià)格的上漲、消費(fèi)稅的制約、交通工具動(dòng)力能源的改革及競爭日趨激烈等條件影響，盈利困難重重。因此在實(shí)際生產(chǎn)中煤制油廠往往選擇滿負(fù)荷甚至超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)保證產(chǎn)品產(chǎn)量的高產(chǎn)出，同時(shí)不斷改進(jìn)工藝和操作，降低成本，確保油品質(zhì)量以提升市場競爭力。制氫裝置作為煤焦油加氫重要上游裝置之一，產(chǎn)品氫收率對提高產(chǎn)品收率，減少物料消耗具有舉足輕重的影響。

1.工藝簡述

陜西煤業(yè)化工集團(tuán)神木天元化工有限公司制氫裝置由上海華西化工有限公司設(shè)計(jì)，中國石家莊化工建設(shè)集團(tuán)公司建設(shè)，于2007年建成投產(chǎn)，2009年進(jìn)行技術(shù)改造，增加了原料氣預(yù)處理裝置。該制氫裝置依托公司焦化裝置生產(chǎn)的荒煤氣為原料氣。采用了水洗脫氨，全低溫變換造氣，變壓吸附（V-PSA）提純氫氣等工藝技術(shù)。產(chǎn)品氫純度達(dá)到99.9 %，系統(tǒng)壓力為1.2 MPa、產(chǎn)量達(dá)到30000 Nm3/h。

1.1荒煤氣生產(chǎn)工藝簡介

外購合格的塊煤經(jīng)篩分后進(jìn)入焦化裝置炭化爐的炭化室，與燃燒室串入炭化室的高溫氣休逆流接觸，自上而下經(jīng)過預(yù)熱段，干餾段，冷卻段后落入水封槽，經(jīng)過干燥系統(tǒng)和篩分系統(tǒng)處理后輸送至儲(chǔ)存區(qū)。煤在炭化過程中產(chǎn)生的煤氣與進(jìn)入炭化室的高溫廢氣和冷卻焦炭產(chǎn)生的煤氣混合氣（荒煤氣）匯入荒煤氣總管進(jìn)入氣液分離器，經(jīng)直冷塔冷卻至40-45 ℃，經(jīng)過電捕焦油器高壓靜電場除去煤焦油及雜質(zhì)，部分荒煤氣回爐作為燃料，其余荒煤氣經(jīng)過間冷塔冷卻后進(jìn)入煤氣氣柜，再經(jīng)過螺桿壓縮機(jī)加壓后輸至制氫車間作為制氫原料氣。

1.2變換氣工藝簡介

壓力為0.3 MPa，有效組分不低于38 %的荒煤氣經(jīng)過脫氨脫水裝置洗氨，再由壓縮機(jī)升壓至1.35 MPa后，在飽和熱水塔和換熱器進(jìn)行逆流換熱。隨后高溫原料氣進(jìn)入預(yù)變換爐除雜脫毒，脫毒后的原料氣先后進(jìn)入煤氣變換爐除氧段、變換二段、變換三段進(jìn)行一氧化碳變換。出口變換氣一氧化碳需控制在1.5 %以下并送至PSA工段提純。變換段反應(yīng)方程式：

CO+H2O----CO2+H2

1.3 PSA工藝簡介

變壓吸附提純系統(tǒng)（V-PSA）是利用吸附劑在一定壓力下對氣體的選擇性吸附，減壓后被吸附組分從吸附劑中解吸使吸附劑再生[2]為原理進(jìn)行工作的提純裝置，其目的是從變換氣中提取純度為99.9 %的氫氣供煤焦油加氫使用。該系統(tǒng)由十臺(tái)吸附塔和若干個(gè)程控氣體閥組成，運(yùn)行程序?yàn)椤?0-2-5”模式，即10臺(tái)吸附塔始終有兩臺(tái)處于吸附狀態(tài)，其余8臺(tái)處于再生狀態(tài)，再生時(shí)經(jīng)過5次均壓過程以提高氫氣回收率[3]。

2.影響氫收率的主要因素

隨著近年來煤焦油加氫的成熟應(yīng)用案例的不斷增加，制氫裝置的建設(shè)方式及生產(chǎn)技術(shù)也有了迅猛的發(fā)展。目前世界工業(yè)主要制氫方法包括：電解水制氫、煤氣化制氫、烴類蒸汽轉(zhuǎn)化制氫、部分氧化法制氫及其他新興的制氫技術(shù)[4]。神府地區(qū)因煤炭資源豐富，相關(guān)產(chǎn)業(yè)成熟等特點(diǎn)，成為推動(dòng)該地區(qū)煤氣化制氫發(fā)展的重要基石。一氧化碳變換制氫裝置生產(chǎn)產(chǎn)品氫的核心指標(biāo)包括：氫氣產(chǎn)量、氫氣收率、氫氣純度等，其中氫氣收率對制氫裝置生產(chǎn)的增效降本策略起舉足輕重的作用，因此本文將著重分析印象氫收率的主要因素及防治措施。

2.1氫收率影響因素分析

氫氣收率是指生產(chǎn)單位氫氣所消耗的原料氣數(shù)量的比值。計(jì)算公式如下：

在運(yùn)行過程中原料氣氫含量、解析氣氫含量和氫氣純度均為體現(xiàn)氫收率低的直觀影響因素。在實(shí)際工藝操作中，氫收率的降低主要出現(xiàn)在以下5種情況：

（1）塊煤質(zhì)量波動(dòng)

進(jìn)入炭化室的塊煤質(zhì)量出現(xiàn)大幅度波動(dòng)。由于不同地區(qū)煤種性質(zhì)有所不同，來自多方采購的原料煤進(jìn)料時(shí)會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)氣量不穩(wěn)定，且有效組分波動(dòng)較大的問題，繼而引發(fā)制氫變換裝置汽汽比調(diào)節(jié)不及時(shí)導(dǎo)致的反應(yīng)不充足或反應(yīng)蒸汽浪費(fèi)。當(dāng)有效組分低于38 %時(shí)，在制氫工段氫收率會(huì)同時(shí)降低3-5 %。此時(shí)為保證生產(chǎn)平穩(wěn)運(yùn)行，提高反應(yīng)氣量的同時(shí)會(huì)造成換熱系統(tǒng)負(fù)荷增大，造成公用介質(zhì)消耗增大。

（2）荒煤氣組份中氧含量超標(biāo)

焦化裝置因操作炭化爐不當(dāng)，如上料不及時(shí)，空煤氣配比不當(dāng)?shù)纫蛩貙?dǎo)致制氫裝置原料氣氧含量超標(biāo)。在制氫裝置除氧段，通過除氧劑將原料氣中氧氣與氫氣反應(yīng)除氧，降低了原料氣的有效組分。反應(yīng)方程式如下：

O2+2H2——H2O

即每增加1 %的氧含量需要消耗2 %的氫氣組分，經(jīng)過V-PSA變換，產(chǎn)品氫收率下降2-4%左右。

（3）反應(yīng)蒸汽壓力不足

蒸汽在煤氣變換爐二段、三段中作為原料氣參與一氧化碳變換反應(yīng)，當(dāng)蒸汽壓力不足時(shí)，蒸汽難以進(jìn)入或無法進(jìn)入變換系統(tǒng)，導(dǎo)致反應(yīng)不充分甚至不能反應(yīng)，氫氣產(chǎn)量下降，從而氫收率下降。當(dāng)蒸汽壓力小于變換系統(tǒng)壓力時(shí)會(huì)導(dǎo)致煤氣串入蒸汽管網(wǎng)，具有重大安全隱患，因而應(yīng)盡力避免蒸汽壓力不足的情況。

（4）程控閥內(nèi)漏

程控閥作為V-PSA裝置的核心組件，是V-PSA系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的根本保障。在V-PSA投用期間，吸附劑粉化、程控閥機(jī)械故障、操作人員操作不當(dāng)?shù)纫蛩鼐鶗?huì)導(dǎo)致程控閥內(nèi)漏。程控閥內(nèi)漏一般表現(xiàn)為解析氣中氫含量上升，吸附時(shí)間變短，氫收率下降。

（5）均壓不平，V-PSA壓力系統(tǒng)波動(dòng)大

在均壓過程中，一均到五均壓力不平，壓力差過大可導(dǎo)致吸附劑波動(dòng)大，且在氫氣升壓過程中V-PSA系統(tǒng)壓力波動(dòng)較大，氫氣產(chǎn)量瞬間變小，這時(shí)不得不犧牲吸附時(shí)間以保系統(tǒng)穩(wěn)定。

3.解決氫收率低的具體措施：

在化工生產(chǎn)環(huán)境下，企業(yè)應(yīng)圍繞“安穩(wěn)長滿優(yōu)”的運(yùn)行目標(biāo)，保證負(fù)荷率處于高位運(yùn)行，其不僅有助于企業(yè)降低成本，增加利潤，同時(shí)保證設(shè)備處于最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)，減少單位產(chǎn)品產(chǎn)出的維修費(fèi)用。氫收率作為煤焦油加氫裝置盈利的核心參數(shù)之一，保證氫收率穩(wěn)定，解決影響氫收率的種種問題不僅關(guān)于裝置運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性，也是實(shí)現(xiàn)企業(yè)利潤突破的不二法門。

3.1 原料氣性質(zhì)不穩(wěn)定引起的氫收率低

受到焦化裝置塊煤性質(zhì)，炭化爐操作等問題造成的原料氣性質(zhì)不穩(wěn)定的，應(yīng)保證原料塊煤質(zhì)量穩(wěn)定及操作過程穩(wěn)定。設(shè)現(xiàn)場報(bào)警系統(tǒng)，料位低時(shí)第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)并處理，以減少空氣漏入的情況。時(shí)刻關(guān)注空煤氣配比，及時(shí)操作配氣量已達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，控制荒煤氣有效組分在40 %以上，氧含量低于0.5%。

3.2 制氫裝置設(shè)備故障等客觀因素引起的氫收率低

由客觀因素引起的氫收率低包含蒸汽壓力不足、閥門及塔器內(nèi)漏、吸附劑粉化。此類問題預(yù)防投入占比較高，一旦出現(xiàn)問題應(yīng)盡早發(fā)現(xiàn)，盡早解決，防止影響后續(xù)生產(chǎn)工段穩(wěn)定性，杜絕安全事故的發(fā)生。程控閥內(nèi)漏時(shí)應(yīng)迅速確定故障閥門，在保證氫氣純度的情況下盡量延長吸附時(shí)間，將該塔切出并快速更換備件，恢復(fù)正常生產(chǎn)。吸附劑粉化導(dǎo)致產(chǎn)品氫收率降低，產(chǎn)品氫中出現(xiàn)吸附劑粉末時(shí)，應(yīng)立即找出吸附劑粉化吸附塔，必要時(shí)停車查明原因。

3.3 操作原因引起的氫收率低

吸附時(shí)間時(shí)V-PSA單元的主要操作參數(shù)，裝置運(yùn)行和過程中操作人員根據(jù)進(jìn)料流量和組分，通過調(diào)整吸附時(shí)間調(diào)整產(chǎn)品氫氣產(chǎn)量和純度。出現(xiàn)壓力波動(dòng)大時(shí)應(yīng)盡快查明原因，通過調(diào)整吸附時(shí)間穩(wěn)定操作壓力，保證產(chǎn)品氣量穩(wěn)定夠用。實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)優(yōu)化操作方式，控制吸附時(shí)間以調(diào)控產(chǎn)品氫氣量和純度，減少后續(xù)工段將原料氣放散等浪費(fèi)問題，提高產(chǎn)品氫收率。

4.結(jié)語

為保障生產(chǎn)過程的穩(wěn)定，控制生產(chǎn)成本，提高氫收率是制氫裝置的重要目標(biāo)之一。由生產(chǎn)控制系統(tǒng)儀表的信息反饋和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，及時(shí)判斷生產(chǎn)中出現(xiàn)的影響因素并及時(shí)解決問題至關(guān)重要。提高操作人員的執(zhí)行能力，將理論與實(shí)踐相結(jié)合，不斷完善操作細(xì)節(jié);積極監(jiān)督設(shè)備運(yùn)行，原料及三劑性質(zhì)，加強(qiáng)監(jiān)管，保障有效組分處于高位，生產(chǎn)系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行，達(dá)到最優(yōu)能效和最大產(chǎn)量是氫收率等關(guān)鍵參數(shù)為企業(yè)效益最大化所帶來的關(guān)鍵基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]?李芳. 中國新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的問題與對策探析[J]. 中國市場，2019（20）.

[2]?寇丹. 變壓吸附制氫裝置改進(jìn)及工藝優(yōu)化研究[D].北京理工大學(xué)，2016.

[3]?蘭州石化公司 50000 Nm3 /h 制氫裝置操作手冊[G].成都 華西化工科技股份有限公司編制.

[4]?張海源. 制氫裝置生產(chǎn)優(yōu)化研究[D].華東理工大學(xué)，2013.