變壓吸附氫氣收率提升措施研究

姜 超， 劉福明， 孟慶寶

（唐山唐鋼氣體有限公司， 河北 唐山 063000）

0 引言

變壓吸附是目前最常見的一種氣體分離技術，廣泛應用于醫療、電子、石油和冶金等領域。相比較其他氣體分離技術，變壓吸附具有低能耗、產品純度高、調節靈活、投資小和工藝流程簡單等優勢。但在很多冷軋廠應用當中，由于制氫設備長時間應用，且廠內生產規模逐步擴大，導致氫氣生產供應量難以達到冶金生產需求[1]。因此，以變壓吸附為基礎，對制氫裝置進行改造和工藝升級，在保證氫氣純度的情況下提高氫氣收率，成為冷軋廠重點攻關的課題。

1 問題的提出

某冷軋廠氫氣供應主要采用變壓吸附制氫工藝裝置，該裝置由4 臺吸附器和相關閥門構成。在氫氣生產過程中，原料氣在1.3 MPa 壓力和40 ℃左右溫度下進入工藝吸附塔，原料氣組成成分情況如表1 所示。工藝吸附塔在任一時刻均處于吸附狀態，原料氣在進入吸附塔中會依次經過吸附、一/二/三/四次均壓降壓、順放、一/二次逆向放壓、一/二次沖洗、一/二/三/四次均壓充壓和終止充壓。原料氣從吸附床上端走向下端，其中的組分和雜質被吸附，氫氣直接從吸附塔頂部排出，純度在99.9%以上。對氫氣得率進行分析發現，該產線在長時間應用中得率僅為71.81%，已經低于原氫氣生產線設計值（75%），對冷軋廠的正常生產產生了一定的影響。究其原因，由于設備長時間運行，部分管路出現堵塞，部分器件已經老化，制氫部分工序并未完全發揮作用。針對此種情況，本文從工藝角度入手，對其進行改造優化，提高變壓吸附制氫收率。

表1 原料氣組分情況

2 變壓吸附氫氣收率影響因素

對變壓吸附制氫裝置的運行記錄進行分析研究，由于變壓吸附氫氣裝置的壓力設定是一套完善的工藝，并不會隨著原料組分的變化而改變壓力值。因此，只需保證裝置的壓力值符合最初設定值即可，本次研究只針對吸附時間以及原料氣量進行分析。

2.1 吸附時間和吸附氣量的關系

對某冷軋廠變壓吸附制氫裝置運行情況進行記錄，結果如圖1 所示。

圖1 吸附氣量與吸附時間關系

由圖1 可知，在吸附制氫工藝條件不變的情況下，原料氣量越大，其中所蘊含的氫氣量越大，在實際制氫過程中，吸附雜質的速率會加快，產生同樣氫氣量所需要的吸附時間也會相應縮短。反之，如果原料氣量降低，想要提高產品的得率，則需要延長吸附時間。但在變壓吸附情況下，隨著氣量的增大，其中所蘊含的雜質相應增多，制出氫氣的純度會降低。

2.2 吸附時間與氫氣收率的關系

由上文可知，在提高氫氣回收率的同時，會導致變壓吸附裝置內部的雜質處理量越來越多。由于裝置內部吸附劑動態吸附量不會改變，因此，隨著雜質量的不斷增多，氫氣純度會有所降低。經過對變壓吸附制氫裝置最佳狀態下的運行記錄分析發現，在原料氣量與其他工藝條件不發生改變的情況下，氫氣收率和吸附時間的關系如圖2 所示。

圖2 氫氣收率和吸附時間關系圖

由圖2 可知，隨著吸附時間的變化，氫氣收率會發生一定的改變。從圖中可知，變壓吸附制氫過程中，吸附時間與氫氣收率并沒有明確的線性關系，吸附時間在135 s 時，氫氣收率為91.03%。吸附時間在136 s 時，氫氣收率為91.32%。吸附時間在143 s 時，氫氣收率最低，為86.77%。

3 變壓吸附制氫裝置的工藝優化方案

3.1 工藝優化方案

3.1.1 壓力優化

經過對變壓吸附制氫裝置生產過程中的壓力監測發現，原入口設計壓力為1.4 MPa，現在實際生產過程中入口壓力為1.2～1.3 MPa，并沒有達到預設值。因此，在優化過程中要提高入口壓力，實現原料氣中CO、CO2和N2等氣體的分壓，從而提高變壓吸附裝置對雜質的吸附能力，實現氫氣收率的提升。

3.1.2 吸附時間優化

由上述分析可知，氫氣收率與吸附時間有著直接的聯系，并且也與吸附氣量以及氫氣的純度有著一定的關系。某冷軋廠變壓吸附制氫系統所應用的原料氣為生產過程中焦爐所產生的尾氣，在生產工藝和生產規模不變的情況下，原料氣當中的組分和含量不會發生較大改變。因此，對吸附時間的優化依據上文分析結果，將吸附時間控制在136 s，能夠在保證氫氣純度的情況下，提高氫氣收率。

3.1.3 沖洗再生過程優化

在變壓吸附制氫過程中，吸附劑在吸附完成后需要進行再生，該環節需要通過逆放和沖洗工序來完成。在變壓吸附制氫工藝設定過程中，為了確保制氫過程中產生的廢氣能夠順利進入廢氣柜，在壓力設計時，逆放位置的壓力設定得較高。在長時間應用中，管路積塞問題嚴重，導致裝置制氫單元解吸氣背壓越來越高。在逆放工序完成后，吸附器的壓力依舊處于較高水平，導致吸附器的沖洗效果較差。由于廢氣管路積塞問題處理困難，需要投入大量資金，并且還需要長時間停產，不符合冷軋廠的生產要求。因此，本次優化適當降低制氫單元解吸氣背壓。同時，還需要保證廢氣能夠正常輸入至廢氣柜中。本次將去火炬的廢氣總管壓力設置為3.5～4.5 kPa。并且對制氫單元的吸附時間合理分配，將一/二次逆向放壓改變為一次逆向放壓，并縮短時間，加快放壓速率。將兩次沖洗改變為一次沖洗，延長沖洗時間，將逆向放壓所節約出的時間增加至沖洗部分，從而提高吸附塔的沖洗效果，提高吸附劑的再生效率，提高廢氣處理量。

3.2 優化效果分析

在本次工藝優化完成后，選取2019—2022 年同一時期的氫氣收率進行對比，以此降低氣候溫度對焦爐廢氣組分所產生的影響。工藝優化時間為2020 年9 月，優化前后，某冷軋廠的生產力并沒有發生較大改變，且3—8 月的產量基本一致。因此，數據具有可比性。對比結果如圖3 所示。

圖3 工藝優化前后氫氣收率變化情況

由圖3 可知，在工藝優化前，氫氣收率已經低于設計值75%，對冷軋廠生產造成了一定的影響。經過優化后，氫氣收率得到有效提升。2021 年和2022 年，氫氣平均收率達到了80.05%和79.35%，雖與設備使用初期有一定差距，但相比較改造前有了較大的提升，并且能夠滿足冷軋廠對氫氣收75%的最低需求。

3.3 優化后經濟性分析

某冷軋廠變壓吸附制氫裝置所處理的原料氣一直由焦爐供應，經檢測，焦爐能夠提供給變壓吸附制氫裝置的原料氣量約為20 000 m3/h，其中，氫氣含量為20 000 m3/h×58.92%=11 784 m3/h。工藝優化后，氫氣收率提高8.5%，氫氣收集量可提高11 784 m3/h×8.5%=1 001.64 m3/h。該冷軋廠在改造前需要外購氫氣進行補充。工藝優化后，氫氣供應量不僅能夠達到日常生產需求，而且還有多余氫氣可儲存在容器中，以備吸附制氫裝置保養維修時使用。目前，外購液態氫氣成本為3 000 元/t，冷軋廠變壓吸附制氫裝置全年運行330d 左右，1m3氫氣重量為89.88g，全年可降低成本330 d×24 h/d×1 001.64 m3/h×89.88 g/m3×3 000元/t÷1 000 000 g/t=213.9 萬元。

4 結語

基于某冷軋廠變壓吸附制氫工藝裝置的工藝流程，對變壓吸附制氫裝置的運行情況進行記錄，對影響氫氣收率的因素進行分析，從而得出在不影響氫氣純度情況下的最佳吸附時間。從壓力、吸附時間和流程工藝方面對某冷軋廠變壓吸附制氫工藝進行優化，將吸附時間控制在136 s，將一/二次逆向放壓和一/二次沖洗合并，縮短逆向放壓時間，延長沖洗時間，從而提高吸附劑的再生效率。經過工藝改動，2021—2022 年，氫氣收率顯著提升，全年可降低成本213.9萬元。