張淑娟+孫建俊

摘 要：制氫尾氣不能回收利用，造成環(huán)境污染、能源浪費。該文通過對焦爐煤氣變壓吸附制氫技術(shù)的原理解釋，解決濟鋼冷軋廠的制氫尾氣的回收改造問題。此項技術(shù)雖然有投資小，產(chǎn)量大，技術(shù)安全等優(yōu)點，但由于長期以來，原設計方案將制氫尾氣大量散到空氣中，造成大面積環(huán)境污染。該文針對制氫尾氣的組成成分，對舊尾氣管路進行改造，將制氫尾氣引到酸再生機組，變廢為寶，這樣既可消除煤氣制氫尾氣放散存在的安全隱患，減少焦轉(zhuǎn)混合煤氣的使用量，又能保證冷軋北區(qū)周圍的大氣環(huán)境不受煤氣污染，還能解決煤氣放散浪費的問題，可謂一舉多得。

關(guān)鍵詞：制氫尾氣 變壓吸附 回收率 高壓

中圖分類號：YQ028.1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

1制氫尾氣的來源及組成

1.1制氫尾氣的來源

改革開放三十幾年來，隨著我國鋼產(chǎn)量的穩(wěn)步提升，焦碳產(chǎn)業(yè)也日益發(fā)展壯大起來。1979年，我國焦碳年產(chǎn)量4892萬噸，截止2012年2月，我國焦炭月產(chǎn)量3430.4萬噸，僅2012年1～2月焦炭累計產(chǎn)量達6893.2萬噸。在煤碳煉焦過程中，產(chǎn)生大量的焦爐煤氣（coke oven gas），它的主成分是H2，CH4 和CO等可燃性氣體。目前采用變壓吸附制氫技術(shù)（Pressure Swing Adsorption，簡稱PSA）從焦爐煤氣中提取純度為99.9%以上的氫氣，這種方法是解決焦爐煤氣的有效途徑。它的特點在于：制氫純度高，操作方便，易于實現(xiàn)自動化，可完全實現(xiàn)計算機控制，吸附劑使用時間較長，現(xiàn)廣泛使用PSA吸附劑，它失活后還可再生。

1.2制氫尾氣的組成

將氫分離，還會產(chǎn)生大量高沸點尾氣。據(jù)實驗數(shù)據(jù)分析，來自濟鋼冷軋北區(qū)（原彩板廠）煤氣制氫站，使用焦爐煤氣制氫，制氫產(chǎn)生的煤氣尾氣主要成分是： H25%～10%， O2 0.4%～0.8%， N2 6%～10%， CO 10%～16%， CO2 3%～6%， CH4 46%～56%， CmHn 2%～4%； 平均壓力0.8 MPa； 平均熱值29 308 kJ/m3。制氫尾氣所產(chǎn)生的熱量比制氫前的焦爐煤氣的熱量高約80%。按照廠區(qū)內(nèi)機組的實際產(chǎn)量， 每小時的制氫尾氣大約有800立方[1]。每天不間斷運行，按照一年320 d生產(chǎn)日，可計算得出每年排放到空氣中的有害氣體（尾氣）達620萬立方。對環(huán)境造成嚴重污染，并且不滿足現(xiàn)代社會公眾對廠區(qū)的要求，若不進行設備改造，機組就要關(guān)停。特別對于生活在廠區(qū)的人們，危害很大，引起了社會的關(guān)注。但若是只對尾氣進行過濾，成本就會大大提高。針對這一問題，已經(jīng)提出了改造方案并進行了實施，既消除了空氣污染，又對尾氣進行了回收利用，一舉兩得。

2原設計缺陷

在冷軋廠（南區(qū)）退火機原設計用于鍍鋅退火爐，但由于鍍鋅斷續(xù)生產(chǎn)，所以制氫后的煤氣尾氣只能經(jīng)放散管直接排放到大氣中。每小時實際放散的煤氣尾氣在1000立方左右，致使冷軋北區(qū)存在較大的安全隱患，造成周圍大氣環(huán)境污染和大量高熱值的煤氣資源白白浪費。每年尾氣放散量為620萬立方，排放到空氣中造成了環(huán)境大面積污染，浪費了大量能源。而且退火機組和酸再生機組的生產(chǎn)組織過程中，又存在著煤氣使用的矛盾，兩機組都通過一根管道使用焦轉(zhuǎn)混合煤氣。退火機組所需煤氣熱值最高為2000 kcal，而酸再生機組所需煤氣最低熱值為2100 kcal，目前通過煤氣管道輸送到冷軋的焦轉(zhuǎn)混合煤氣的熱值為2000～2100 kcal，也就是說集團公司向冷軋輸送的焦轉(zhuǎn)混合煤氣的熱值剛達到冷軋退火機組所需的上限和酸再生機組的下限，為此，酸再生機組往往由于煤氣熱值不夠被迫停產(chǎn)，造成酸洗線產(chǎn)生的廢酸處理不掉，從而經(jīng)常造成酸洗-軋機生產(chǎn)線的非計劃停產(chǎn)，并且由于酸再生的停產(chǎn)使得煤氣輸送管道中壓力不斷變化，從而影響了退火機組溫度的不穩(wěn)定。

3改造設計

計劃一：如果把煤氣制氫站放散的尾氣直接引到鍍鋅線，得出結(jié)論，尾氣可完全滿足還原退火爐的需要。鍍鋅線還原退火爐每小時用焦爐煤氣量約為1 300 立方，經(jīng)過計算，得到還原退火爐每小時所需尾氣量為742立方[2]。在鍍鋅機組還原退火爐和制氫機組同時連續(xù)生產(chǎn)的情況下，制氫機組產(chǎn)生的尾氣仍約有58立方放散掉， 尾氣利用率為92.75%。該改造于 2010年 8月份對該方案進行了實施， 效果完全可行。但是這種方法不能完全解決制氫尾氣的回收。

計劃二：如果把煤氣制氫站放散的高熱值尾氣引到酸再生，尾氣不足部分可用原焦轉(zhuǎn)混合煤氣補充，可以最大限度發(fā)揮酸再生機組的生產(chǎn)能力，這樣既可消除煤氣制氫尾氣放散存在的安全隱患，減少焦轉(zhuǎn)混合煤氣的使用量，又能保證冷軋北區(qū)周圍的大氣環(huán)境不受煤氣污染，還能解決煤氣放散浪費的問題，可謂一舉多得。經(jīng)過反復論證后，決定將制氫尾氣引到酸再生機組。

酸再生機組是冷軋工序的輔助機組， 它主要用來處理酸洗線產(chǎn)生的廢鹽酸。廢鹽酸成分包括游離鹽酸 （HCl）以及氯化亞鐵 （ FeCl2）。酸再生焙燒爐一直是和退火機組共用一根煤氣管道。在酸再生設備 （ ARP）中， 廢鹽酸首先在文氏管洗滌塔內(nèi)由傳導熱進行濃縮， 來自焙燒爐的廢氣溫度將在此從 400℃ 降低到大約 90℃[3]。在上述過程中， 焙燒爐的主要燃料是焦轉(zhuǎn)混合煤氣， 消耗量 1800 m3/h 。焦轉(zhuǎn)煤氣的組成成分為焦爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣，它們的比例為1：9，綜合熱值達到8364～9200 KJ/m3。

綜合以上分析， 我們把制氫尾氣引入到酸再生機組作為焙燒爐的燃料使用， 解決的焙燒爐的燃料問題。同時， 測得尾氣平均壓力0.8 MPa；平均熱值29308 kJ/m3，高于酸再生焙燒爐用氣設計壓力 （ 0.1 MPa）， 為保證焙燒爐的安全穩(wěn)定生產(chǎn)， 我們在新增管路上設計了一套煤氣減壓閥， 用以保障焙燒爐用氣壓力的穩(wěn)定。該方案投資大， 設計復雜， 整改周期較長， 優(yōu)點是尾氣利用效率高， 尾氣利用率可達到 100 %。第二種方案于2012年10月進行了實施，效果很好。方案簡圖如下。

圖1 制氫尾氣改造方案簡圖

4 改造后帶來的經(jīng)濟社會效益

經(jīng)過對制氫機組工藝的改造，增強了對煤氣中萘、硫化氫的預處理能力，基本解決了三級壓縮單元控制閥的堵塞問題，實現(xiàn)了制氫機組的穩(wěn)定運行[4]，使機組的檢修周期由原來的一周一次變成了四周一次的正常計劃檢修，提高了機組的作業(yè)率；通過對制氫尾氣的回收利用，每年可節(jié)省焦爐煤氣534萬m3，按目前焦爐煤氣0.82元/m3的價格計算，則每年可直接創(chuàng)造經(jīng)濟效益437.88萬元，同時減輕了環(huán)境污染，創(chuàng)造了社會效益。

參考文獻

[1] 戴四新.變壓吸附技術(shù)在焦爐煤氣制氫中的應用[J].山東冶金，2002（2）：65-66.

[2] 王世安.焦爐煤氣變壓吸附制氫裝置的設計及流程改進[D].大連理工大學，2009.

[3] 薛垂義，邵傳收，董凱，等.變壓吸附制氫工藝填料結(jié)構(gòu)優(yōu)化與尾氣回收方案探討[J].冶金設備，2010（4）：49-52.

[4] 薛垂義，邵傳收，董凱，等.全國首臺熔煉拔渣機投入運行[J].冶金設備，2010（4）：52-52.