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。本文基于陜西煤業化工集團神木天元化工有限公司制氫裝置，分析在滿負荷生產狀態下，產品氫收率的影響因素及應對措施。

關鍵詞：煤制油;氫氣收率;化工操作

在全球環保壓力日益嚴峻的趨勢下，我國能源戰略的發展和升級勢在必行，新能源將逐步替代傳統化石能源成為市場主流[1]。習近平同志在第七十五屆聯合國大會上提出我國將爭取在2030年前實現碳排放達到峰值，在2060年前實現碳排放中和。煤焦油加氫作為煤制油的分支之一，受制于原料價格的上漲、消費稅的制約、交通工具動力能源的改革及競爭日趨激烈等條件影響，盈利困難重重。因此在實際生產中煤制油廠往往選擇滿負荷甚至超負荷運轉保證產品產量的高產出，同時不斷改進工藝和操作，降低成本，確保油品質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，產品氫收率對提高產品收率，減少物料消耗具有舉足輕重的影響。

1.工藝簡述

陜西煤業化工集團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計，中國石家莊化工建設集團公司建設，于2007年建成投產，2009年進行技術改造，增加了原料氣預處理裝置。該制氫裝置依托公司焦化裝置生產的荒煤氣為原料氣。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。產品氫純度達到99.9 %，系統壓力為1.2 MPa、產量達到30000 Nm3/h。

1.1荒煤氣生產工藝簡介

外購合格的塊煤經篩分后進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，自上而下經過預熱段，干餾段，冷卻段后落入水封槽，經過干燥系統和篩分系統處理后輸送至儲存區。煤在炭化過程中產生的煤氣與進入炭化室的高溫廢氣和冷卻焦炭產生的煤氣混合氣（荒煤氣）匯入荒煤氣總管進入氣液分離器，經直冷塔冷卻至40-45 ℃，經過電捕焦油器高壓靜電場除去煤焦油及雜質，部分荒煤氣回爐作為燃料，其余荒煤氣經過間冷塔冷卻后進入煤氣氣柜，再經過螺桿壓縮機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 %的荒煤氣經過脫氨脫水裝置洗氨，再由壓縮機升壓至1.35 MPa后，在飽和熱水塔和換熱器進行逆流換熱。隨后高溫原料氣進入預變換爐除雜脫毒，脫毒后的原料氣先后進入煤氣變換爐除氧段、變換二段、變換三段進行一氧化碳變換。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。變換段反應方程式：

CO+H2O----CO2+H2

1.3 PSA工藝簡介

變壓吸附提純系統（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。該系統由十臺吸附塔和若干個程控氣體閥組成，運行程序為“10-2-5”模式，即10臺吸附塔始終有兩臺處于吸附狀態，其余8臺處于再生狀態，再生時經過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用案例的不斷增加，制氫裝置的建設方式及生產技術也有了迅猛的發展。目前世界工業主要制氫方法包括：電解水制氫、煤氣化制氫、烴類蒸汽轉化制氫、部分氧化法制氫及其他新興的制氫技術[4]。神府地區因煤炭資源豐富，相關產業成熟等特點，成為推動該地區煤氣化制氫發展的重要基石。一氧化碳變換制氫裝置生產產品氫的核心指標包括：氫氣產量、氫氣收率、氫氣純度等，其中氫氣收率對制氫裝置生產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

氫氣收率是指生產單位氫氣所消耗的原料氣數量的比值。計算公式如下：

在運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氫收率低的直觀影響因素。在實際工藝操作中，氫收率的降低主要出現在以下5種情況：

（1）塊煤質量波動

進入炭化室的塊煤質量出現大幅度波動。由于不同地區煤種性質有所不同，來自多方采購的原料煤進料時會出現產氣量不穩定，且有效組分波動較大的問題，繼而引發制氫變換裝置汽汽比調節不及時導致的反應不充足或反應蒸汽浪費。當有效組分低于38 %時，在制氫工段氫收率會同時降低3-5 %。此時為保證生產平穩運行，提高反應氣量的同時會造成換熱系統負荷增大，造成公用介質消耗增大。

（2）荒煤氣組份中氧含量超標

焦化裝置因操作炭化爐不當，如上料不及時，空煤氣配比不當等因素導致制氫裝置原料氣氧含量超標。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除氧，降低了原料氣的有效組分。反應方程式如下：

O2+2H2——H2O

即每增加1 %的氧含量需要消耗2 %的氫氣組分，經過V-PSA變換，產品氫收率下降2-4%左右。

（3）反應蒸汽壓力不足

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，當蒸汽壓力不足時，蒸汽難以進入或無法進入變換系統，導致反應不充分甚至不能反應，氫氣產量下降，從而氫收率下降。當蒸汽壓力小于變換系統壓力時會導致煤氣串入蒸汽管網，具有重大安全隱患，因而應盡力避免蒸汽壓力不足的情況。

（4）程控閥內漏

程控閥作為V-PSA裝置的核心組件，是V-PSA系統穩定運行的根本保障。在V-PSA投用期間，吸附劑粉化、程控閥機械故障、操作人員操作不當等因素均會導致程控閥內漏。程控閥內漏一般表現為解析氣中氫含量上升，吸附時間變短，氫收率下降。

（5）均壓不平，V-PSA壓力系統波動大

在均壓過程中，一均到五均壓力不平，壓力差過大可導致吸附劑波動大，且在氫氣升壓過程中V-PSA系統壓力波動較大，氫氣產量瞬間變小，這時不得不犧牲吸附時間以保系統穩定。

3.解決氫收率低的具體措施：

在化工生產環境下，企業應圍繞“安穩長滿優”的運行目標，保證負荷率處于高位運行，其不僅有助于企業降低成本，增加利潤，同時保證設備處于最優運行狀態，減少單位產品產出的維修費用。氫收率作為煤焦油加氫裝置盈利的核心參數之一，保證氫收率穩定，解決影響氫收率的種種問題不僅關于裝置運行的安全性、穩定性，也是實現企業利潤突破的不二法門。

3.1 原料氣性質不穩定引起的氫收率低

受到焦化裝置塊煤性質，炭化爐操作等問題造成的原料氣性質不穩定的，應保證原料塊煤質量穩定及操作過程穩定。設現場報警系統，料位低時第一時間發現并處理，以減少空氣漏入的情況。時刻關注空煤氣配比，及時操作配氣量已達到最優狀態，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、閥門及塔器內漏、吸附劑粉化。此類問題預防投入占比較高，一旦出現問題應盡早發現，盡早解決，防止影響后續生產工段穩定性，杜絕安全事故的發生。程控閥內漏時應迅速確定故障閥門，在保證氫氣純度的情況下盡量延長吸附時間，將該塔切出并快速更換備件，恢復正常生產。吸附劑粉化導致產品氫收率降低，產品氫中出現吸附劑粉末時，應立即找出吸附劑粉化吸附塔，必要時停車查明原因。

3.3 操作原因引起的氫收率低

吸附時間時V-PSA單元的主要操作參數，裝置運行和過程中操作人員根據進料流量和組分，通過調整吸附時間調整產品氫氣產量和純度。出現壓力波動大時應盡快查明原因，通過調整吸附時間穩定操作壓力，保證產品氣量穩定夠用。實際生產中應優化操作方式，控制吸附時間以調控產品氫氣量和純度，減少后續工段將原料氣放散等浪費問題，提高產品氫收率。

4.結語

為保障生產過程的穩定，控制生產成本，提高氫收率是制氫裝置的重要目標之一。由生產控制系統儀表的信息反饋和生產經驗相結合，及時判斷生產中出現的影響因素并及時解決問題至關重要。提高操作人員的執行能力，將理論與實踐相結合，不斷完善操作細節;積極監督設備運行，原料及三劑性質，加強監管，保障有效組分處于高位，生產系統平穩運行，達到最優能效和最大產量是氫收率等關鍵參數為企業效益最大化所帶來的關鍵基礎。

參考文獻

[1]?李芳. 中國新能源產業發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及工藝優化研究[D].北京理工大學，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. 制氫裝置生產優化研究[D].華東理工大學，2013.