焦炉煤气变压吸附制氢装置五塔与六塔工艺方案的比较

焦炉煤气变压吸附制氢装置五塔与六塔工艺方案的比较发布时间：阅读次数：1030张天来，穆根来（成都天蓝化工科技有限公司，四川成都，610041）【摘要】以1000Nm3/h规模的焦炉煤气变压吸附制氢装置为例，介绍常用的五塔和六塔流程两种工艺技术方案，分析比较了其工艺配置、运行程序切换方式和建造成本的差异，并说明它们各自的适用场合与优劣。【关键词】变压吸附；焦炉煤气制氢；工艺方案；配置；比较ComparisonoffivetowersandsixtowersPSAprocesstechnologyabout1000Nm3/hH2producingunitofcoke-ovengasZHANGTian-lai，MUGen-lai(ChengduTianlanChemicalEngineeringTechnologyCo.,Ltd.)Abstract:Using1000Nm3/hH2producingunitofpressureswingadsorption(PSA)ofcoke-ovengasasacase,thetwoprocesstechnologycollocatingoffivetowersandsixtowersprocessisintroduced.Thedifferencesoftwoprocessestechnologycollocatingandrunningprocedureswitchquomodoandbuildingcostarecomparedandanalyzed.Therespectiveapplyingoccasionsandstandorfallofthetwoprocessesaresignalled.Keywords:pressureswingadsorption(PSA);H2producingunitofcoke-ovengas(COG);processtechnology;collocating;comparison0.引言以焦炉煤气（COG）为原料采用变压吸附气体分离技术制取高纯度的氢气（99.999%），制氢成本低，仅为电解水制氢的1/3~1/4，同时还具有工艺简单可靠、运行费用低、操作弹性大、自动化程度高、投资省、便于维护等特点，因此竞争优势明显。目前，我国冶金行业已有多家企业建有焦炉煤气变压吸附制氢装置【1】，为冷轧产品的热处理提供保护气源；这一技术的推广应用降低了生产成本，提升了制氢工艺技术水平。针对钢厂保护气的情况，1000Nm3/h制氢规模的生产装置通常采用五塔或六塔配置的变压吸附流程，本文从工艺技术的角度介绍五塔和六塔流程的相关配置、运行程序切换方式的差异、建造成本的比较，并说明它们各自的适用场合。1.两种工艺方案的配置比较变压吸附（PressureSwingAdsorption，PSA）的基本原理是利用气体组份在固体材料上随着压力变化时吸附特性的差异，通过周期性的压力升降或变换过程实现气体的分离或提纯【2】【3】【4】。变压吸附法分离提纯氢气，适宜的吸附操作压力在0.5MPa~3.0MPa范围之间。焦炉煤气是炼焦过程中的副产物，通常1吨原料可得300~500Nm3的副产气体。该气体压力低，除含有大量H2、CH4和一定量的N2、CO、CO2、O2外，其它组份相当复杂，如焦油、萘、硫化物、高碳烃类等【5】。作为保护气体使用的产品氢纯度要求高，因而工艺流程由压缩工序、预处理工序、变压吸附工序和净化工序构成。预处理工序可有效脱除焦炉煤气中的硫化物和重组份杂质，保证了PSA吸附剂的长期使用；净化工序采用常温脱氧工艺脱除微量氧【6】【7】；本文是在压缩工序、预处理工序和净化工序等配置相同的前提下，比较两种变压吸附工序的工艺技术方案。变压吸附工序设计操作压力1.7MPa，产品氢气输出压力1.6MPa，五塔和六塔变压吸附流程图见图1和图2，其工艺方案的性能指标和配置见表1，它们的运行时序列于表2和表3【8】。图1五塔流程示意图图2六塔流程示意图表1五塔工艺方案与六塔工艺方案的性能指标和主要配置项目五塔工艺（方案A）六塔工艺（方案B）原料气处理能力（Nm3/h）21302130产品气输出能力（Nm3/h）10001000氢收率80%80%运行方式5-1-3/P6-2-3/P吸附塔数（台）56进料塔数（台）12均压次数33吸附剂再生方式冲洗再生冲洗再生硬件配置吸附塔规格D=1200mm/V=7m3D=1000//V=4m3吸附剂（自下而上）活性氧化铝/活性炭/分子筛活性氧化铝/活性炭/分子筛吸附剂总重量（kg）2639018100程控阀数量（台）3238控制系统型号(西门子)S7-300S7-300吸附塔设备单重（kg/台）55003600吸附塔总重（kg）2750021600空塔线速度(m/s)0.0320.023吸附塔高径比55表2方案A运行时序表5-1-3/P分周期12345步位123456789101112131415时间S454545454545454545454545454545A塔A1D2DPP3DDP3R2RIS1RFRB塔1RFRA1D2DPP3DDP3R2RISC塔3R2RIS1RFRA1D2DPP3DDPD塔3DDP3R2RIS1RFRA1D2DPPE塔1D2DPP3DDP3R2RIS1RFRA表3方案B运行时序表6-2-3/P分周期123456步位123456789101112131415161718时间S454545454545454545454545454545454545A塔A1D2DPP3DDP3R2RIS1RFRB塔1RFRA1D2DPP3DDP3R2RISC塔3R2RIS1RFRA1D2DPP3DDPD塔3DDP3R2RIS1RFRA1D2DPPE塔1D2DPP3DDP3R2RIS1RFRAF塔A1D2DPP3DDP3R2RIS1RFRA我们将五塔工艺称为方案A，六塔工艺为方案B。由表2、表3可知，装置运行时，两种工艺各个吸附塔所经历的步骤是相同的，都包括吸附、三级梯度压力均衡降、顺向放压、逆向放压、冲洗、三级梯度压力均衡升、终充升压等过程；由表1可知，两者的设计能力、压力均衡次数、冲洗再生方式、吸附剂配比、氢气产率亦相同，吸附塔主要工艺设计参数空塔线速度和高径比在相近的范围；它们的区别在于六塔配置采用两个吸附塔同时进料的运行方式，五塔配置则受时序排列的限制为一塔进料。我们可以分析这两种方案的吸附剂利用率。在6-2-3/P流程中，处于吸附状态的吸附剂占吸附剂总量（吸附状态+再生状态）的比例为1／3，5-1-3/P流程这一比例为1／5，也就是说方案B的吸附剂利用率高于方案A。由此导致的结果是，在处理相同原料气的情况下，方案B吸附剂用量将低于方案A。从表1中列出了两种方案的主要设备配置情况和图1与图2可以看出，方案B吸附剂总量为18100(kg)，方案A为26390(kg),相差8290(kg)；同时方案B吸附塔设备钢材总重量要低约5900(kg)。从上述角度看，方案B优于方案A。同时我们也要看到，增加一个吸附塔的配置，需要增加与塔配套的程序控制阀六台和管路以及控制仪表系统，六塔流程安装工程费用和自控系统投资费用略高于五塔流程。2.运行程序切换方式的差异方案A的主要运行方式为5-1-3/P，方案B主要运行方式为6-2-3/P。当生产工况发生较大变化时（如需要低负荷运行、程控阀出现故障等）变压吸附系统可以改变运行程序以适应新的工况，从而保持优化的操作性能指标，或实现不停车检修（这是提高变压吸附装置运行可靠性的一个关键）。两种工艺方案可以实现的运行方式如下表：表4两种工艺方案的运行方式项目方案A方案B主运行方式5-1-3/P6-2-3/P其它运行方式4-1-2/P6-1-4/P5-1-3/P5-2-2/P4-1-2/P变压吸附装置压力均衡次数增加，有利于产品气收率的提高。方案B可以实现的运行方式较多，并且有4次均压操作的手段，能够保持较高的氢气收率；但是该方案单个吸附塔设备尺寸相对较小，程序切换后多为一塔进料方式运行，因此装置处理气量负荷将大幅度降低。例如由6-2-3/P主运行方式切换成5-1-3/P，装置负荷在设计能力的60%左右。方案A切除一个塔后只能采取减少均压次数方式运行，装置处理气量可维持不变，但其氢气收率降低约5%～8%【9】。3.建造成本比较1000Nm3/h制氢规模的焦炉煤气制氢装置，投资费用约为1000万元。其中变压吸附工序投资在400万元左右。方案A与方案B变压吸附装置建造成本比较列于表5。表5建造成本比较项目方案A（万元人民币）方案B（万元人民币）非标设备购置费基数M1M1－8.2专用吸附剂M2M2－11.0程序控制阀门M3M3＋3.2自控仪器仪表M4M4＋1.2自控微机M5M5电气M6M6＋0.2分析仪器M7M7安装工程费用M8M8＋2.5土建工程费用M9M9工程设计费（含编程和组态费）M10M10＋2差额基数基数－10.1五塔流程方案，非标设备和吸附剂购置费用高19.2万元人民币，程控阀和控制仪表以及安装工程费用低9.1万元人民币。两种方案比较，六塔流程节省投资约10.1万元人民币。4.结束语1000Nm3/h焦炉煤气变压吸附制氢装置，六塔工艺方案吸附剂的利用率较高，投资省，运行方式灵活，笔者首先推荐采用。特别是在焦炉煤气价格相对较高、提高产品氢气收率经济效益明显、预期装置低负荷运行几率较大的情况下更显其优越性。五塔工艺方案的优点是装置扩能的潜力大。因为吸附塔尺寸相对较大，增加一个塔的配置，改造成六塔流程即可实现对原料气的处理能力的大幅度提高。