焦炉煤气变压吸附制氢工艺优化应用实践

焦炉煤气变压吸附制氢工艺优化应用实践

刘克勇

身份证号：37070219830818571X

摘要：随着炼焦、钢铁和化学工业的迅速发展，我国炼焦业发展成为世界上最大的炼焦生产国、消费国和出口国，2020年共生产4.71亿吨焦炭，占世界产量的70 %，焦炭总量超过700亿立方米 其中只有34 %得到回收。焦炭窑气体含有丰富的氢，约占目前主要用作工业和民用燃料的焦炭窑气体的55%(按体积计算)，宝贵的氢资源被作为燃料燃烧。 另一方面，轧钢和化工合成工业需要高纯度氢来保护冷轧钢板的空气和化工合成工业的原材料。传统的氢提取方法是水电解或氨裂解，由于成本高和投资大，这种方法很难推广。

关键词：焦炉煤气；变压吸附制氢工艺；应用实践

引言

压力吸附技术主要利用吸附剂的两个主要特性来净化和提取氢。首先，吸附剂对不同化学性质物质的吸附能力差别很大，从而产生分离效应。其次，吸附剂报告的吸附能力因压力和温度而异。因此，应重点研究吸附剂，以确保整个吸附过程。

1PSA制氢的原理及研究现状

PSA是根据吸附能力或扩散率将气体分离到同一吸附剂中的一种方法。随着人工合成沸石，PSA迅速发展，从空气分离到氢净化，实现了氢的工业应用。随着PSA理论的不断改进，吸附剂的不断发展，特别是人工合成碳分子筛，扩大了PSA的范围。随着新型吸附剂的不断发展和吸附理论的不断完善，现代PSA获得的氢纯度超过了99.999%(φ)。吸附平衡理论对于研究吸附和分离过程至关重要，特别是反映吸附压力和数量平衡关系的吸附等温线，合理的等温线模型可以直观地预测吸附效果，PSA制氢遵循物理吸附理论伴随着计算机的不断发展，基于动力学、热力学、Polanyi位置和统计等四种吸附理论，迅速开发了各种PSA氢反应模拟软件，如Aspen吸附、流动、gproms等。研究人员利用相关仿真软件，继续改进各种吸附等温的相关参数，构建PSA相关数学模型，研究吸附剂的相关性能。作者建立了一个PSA制氢模型，该模型不是一个温度相等的多路径单元。利用碳分子筛分离空气和富集N2，将H2/CH4/CO2作为吸附剂从活性炭中分离出来，并与Doong模型进行了孔隙/表面散射和平衡，从而填补了固体冻结概念、等温假设等方面的空白。该模型通过六床模拟/试验过程得到验证，该过程确定该模型能够有效地将床层流体动力学与吸附/解吸过程分离开来，并且该模型易于适应不同的吸附/解吸动力学和热力学。作者利用MATLAB曲面拟合建立了PSA制氢模型，利用Aspen吸附软件研究了几个气体子部件的穿透曲线和热效应，用aspen吸附软件建立了单层四步循环模型，双层六步循环模型 研究了循环过程中参数的变化，通过优化运行参数提高了PSA反应性能，并提出了PSA制氢循环系统的改进方法。 笔者在一定条件下构建了基于质量守恒、能量守恒、能量守恒、广义Langmuir方程和线性荷载传递模型动态吸附量理论的多孔介质传热吸附模型。利用Aspen吸附软件模拟N2/CO/CH4/CO2是AC5-KS活性炭吸附剂的床层穿透曲线和真空PSA周期，可以发现，与实验值相比，吸附压力和压力上升时间的增加、流动速率的下降 随着循环步骤数量的减少，氢的纯度有所提高，但氢的生产和再循环率有所降低，而且作者的五氧化二气体吸附能力最高的AC5-KS为五种气体成分(H2)建立了一个动态分层吸附床模型 采用Box-Behnken设计方法对模型的净化性能进行了研究。实验结果表明，吸附时间在160-200秒之间时，氢的纯度会随着时间的推移而下降，但氢的回收率会提高。当压力确定时，氢气纯度会随着平均压力时间、清除时间和吸附时间之间压力/流速的增加而增加，但当平均压力时间在10-30秒之间时，平均压力时间会从0.050增加到0.125，氢回收率也会降低。

2变压吸附过程中的影响因素

2.1原料本身对吸附能力的影响

①如果原料不同，所含氢比也不相同。因此，当用同样的设备和工艺净化原料时，氢的数量和纯度可能差别很大，氢的提取率和纯度是衡量氢提取过程质量的重要因素。②原料进入时温度不同，压力吸附制氢工艺的影响也较大。如果原料温度过高，则当原料经过吸附剂时吸附剂的吸附能力非常低，不利于吸附过程的正常运行，甚至导致压力转化无法净化整个吸附剂吸附过程。③原材料压缩程度也是一个重要的影响因素。如果原料产生的压力较大，将需要大量的额外工作，从而造成许多不必要的费用，这对整个压力变化吸附过程非常不利。压力越低，不仅成本越低，吸附剂的逆向吸附过程也就越容易，吸附剂的逆向吸附过程越完整，吸附剂回收越方便。

2.2吸附剂的再生流程对制氢纯度的影响

整个过程的总体过程如下:第一，原料被吸入吸附装置，原料吸附过程占周期的大部分。其次，该装置的平均加压工艺进行了4次。一般而言，增加平均压力可能会提高更多可用气体的回收率和可用气体的生产率。此外，回收的有用气体数量较多，回收的有用气体在最近几个时期的增加并不明显。因此，有必要合理控制平均压力和充分吸收有用气体。然后必须进行下游加电和反向加电，使气体在下一个缓冲池中循环，充分利用几个缓冲池。最后，进行清洗和最终冲压，清洗缓冲塔的再生过程，为实现回收目的准备下一个过程，如果处理不当，会造成下一个压力变化吸附过程产生的氢气杂质。在整个过程中，平均压力、清洁和吸附等几个步骤可能对制氢的纯度产生重大影响。

3焦炉煤气变压吸附制氢工艺优化

3.1原料气净化和预处理

焦炉煤气净化系统主要用于去除焦炉煤气中的焦油、H2S、萘等杂质，由静电除尘器、湿法脱硫、干脱硫、氯变温吸附(TSA)等工艺组成，满足要求压力在8 ~ 10 kpa之间的焦炉气体压缩为1.8 MPa，分为三级气体压缩机(c00101a、b、c、两个开口和一种制剂)，然后压缩为两个石油处理厂(T0101A、b)，它们可以从串联气体压缩中去除油，并插入两个以满足吸附压力要求使用n 200操作和愤怒的加热器(E0101)从上到下再生预处理，吸收率为150 c。再生后，再生制冷机的吸收率(E0102)被冷却到正常温度并发送到极限之外。预处理操作调整参数:吸附压力1.8nm 3/h(干基)，吸附温度40°c再生压力0.02 ~ 0.05 MPa，再生温度150°c，周期为16小时；0.8 MPa至1.0 MPa蒸汽压力。

3.2控制系统设计

系统使用两个自动控制级别和较低驱动器的小型分布式控制系统(DCS)。1)顺序。对所有可编程开关阀进行可靠的开关控制，可确保每个可编程开关阀根据该过程确定的条件和顺序开关正常切换PSA设备。程序控制开关的所有阀门均由防爆电磁阀驱动，所有阀门均装有阀门位置传感器。计算机可以随时监控和显示程序中所有控制阀的运行状态，并在程序控制阀出现故障时发出警报和自动锁定。序列指令功能还可让您使用多个分割和还原指令来执行多个组合。2)中压调速。PSA设备运行期间，除吸收塔外，所有吸收塔都要减压并增加再生压力，这需要平衡稳定的气流，尤其是在平均压力过程中，如果升高和降低，可能会对持续时间产生重大影响3)电路调节。控制电路调节功能使PSA系统能够可靠地运行，如PID调节、串行调节和串行调节，包括监控所有控制电路的计算机、方便地更改参数、报警和块处理4)自适应和响应控制。对于影响吸附效果的主要调节电路，产品的吸洗控制电路采用适应性控制，允许产品吸洗工艺与其他吸附参数自动调节。5)优化控制。控制系统优化控制功能根据PSA剩馀量和产品氢气纯度自动调整影响吸附的主要参数:吸附周期时间参数，同时保持产品氧纯度，同时保持设备的最大生产量，以便控制系统联锁控制允许压缩机故障时自动保护(由压缩机内部PLC完成)，吸附塔故障时自动拆下链条，压缩机系统过载时自动松开和保护链条，系统过热时保护压缩机控制7。系统压缩机现场控制系统采用PLC控制，压缩机系统的释放控制和压力调节控制由系统的PLC控制。

结束语

压力吸附的研究和分析对于确定影响制氢的因素和常见问题非常重要。这可以帮助企业在整个生产过程中发现问题并及时解决，从而大大提高氢的生产和纯度。

参考文献

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