冷轧厂配套制氢站的工艺选择和工程设计要点

曹海霞，金网照

(宝钢工程技术集团有限公司，上海201900）

冷轧厂配套制氢站的工艺选择和工程设计要点

曹海霞，金网照

(宝钢工程技术集团有限公司，上海201900）

氢气虽然易燃易爆，既不易制取又不易储存，但是却具有独特的工业用途。结合工程实践，对钢铁企业冷轧配套制氢站工艺路线的选择依据提出观点，并对工程设计中要注意的问题提出看法。

变压吸附；爆炸危险；运行压力；回收率

1 氢气性质及制氢方法

氢气是最轻的气体，无色无味且易燃易爆，极难溶于水，也很难液化。氢气的扩散能力很强，因此有很高的导热能力，用氢气冷却物体比用空气冷却物体快6倍。氢气还是很强的还原剂，能在高温条件下夺取金属氧化物中的氧气，使其还原。正是由于氢气的这些特性，使得氢气被广泛运用于电子、冶金、化工等行业用作保护气体、还原气体、原料气体等。此外，从减少温室气体排放量出发，根据国家规划，“十三·五”期间即2016～2020年，我国将进一步普及新能源汽车、多能源混合动力车，插电式电动轿车，氢燃料电池轿车将逐步进入普通家庭。可见氢气有着广泛的商业应用前景。

2 工业化制氢方式的比较

工业制氢包括制氢和纯化两个部分，即首先利用工业方法生产富氢气体，然后提取纯化其中的氢气，供给相应的用户。富氢气体的纯化工艺包括：化学吸收、膜渗透、变压吸附等，而变压吸附（PSA）已经成为近年来比较主流的氢气提纯手段。

不同行业富氢气体的来源不同，氢含量和杂质含量也有较大差别，因此制氢工艺的经济性也有较大的差别。石油化工行业的富氢气体通常来自石油炼厂尾气或化工尾气，而冶金行业富氢气体通常为净化焦炉煤气。当焦炉煤气短缺时，也会采用天然气转化反应或者采用氨分解的方法生产富氢气体，有的企业也会采用水电解方式获取氢气，但产量规模相对较小，能耗较高。总体来看，工业化制氢方法不外乎如下三种工艺：

（1）水电解制氢：水电解→初级氢气→净化（脱除微量氧）→氢气

（2）变压吸附制氢：复杂组分富氢气体的生产（炼厂尾气、焦炉煤气、水煤气或天然气转化、氨分解、甲醇裂解）→净化（变压吸附）→氢气

（3）膜分离制氢：简单组分富氢气体→气体渗透（膜分离）→氢气

与液体膜渗透分离技术的工业化进程相比，气体渗透（膜分离）技术的工业化进程较慢，主要原因在于气体膜分离流程中的膜材使用的局限性较大，对不同组分气源的适应性不广，而且分离时需要比较高的分离气体压力，产能规模也不大。目前有利用该技术在合成氨尾气中提取氢气的实绩，但是对复杂组分的分离效果并不理想。

由于不同行业对氢气的品质和用量要求有所区别，因此工艺流程的选择也不一样。

总的来说，水电解制氢产量规模小、电耗高，适用于没有富氢气体、用氢量较小、电力配置充裕的企

业；炼厂尾气和石化尾气制氢产量很大，适合于石化行业的资源综合利用，为石油加氢工艺和化工合成反应提供廉价氢气；焦炉煤气变压吸附制氢产量规模较大、电耗低，适用于长流程、有高附加值冷轧工艺线的冶金企业；天然气转化制氢、水煤气制氢、氨分解制氢、甲醇裂解制氢适合于富氢气体短缺的企业，但工艺较为复杂、设备较多、占地较大，而且氨气、甲醇本身成本也较高，又具有相当的毒性和爆炸危险性；气体膜分离适用于合成氨工厂的尾气综合利用，使用范围较窄。

3 冷轧厂制氢工艺路线的选择

对全流程钢铁联合企业而言，通常会有焦炉生产焦炭，同时副产焦炉煤气、焦化产品，因此从资源高效利用出发，往往利用焦炉煤气作为原料气，经过电捕焦油器脱除焦油、脱硫塔脱硫等预处理后，再由煤气加压机加压，然后通过变压吸附工艺提取其中的初级产品氢气，该氢气再经脱氧处理后成为合格的产品氢气。这些氢气除用于冷轧外，还可以用于长流程钢厂焦化产品的深加工以提高产品附加值，如苯加氢，以及作为商业气体外卖给电子、玻璃制造等行业。

对没有焦炉的短流程钢铁企业而言，可采用天然气转化的方式提取氢气，至于用甲醇裂解、氨分解来获得富氢气体的方法，在冶金企业并不常用，主要原因在于危险品使用风险较大、管理难，以及原料成本较高而导致产品氢气单价较高。

在焦炉煤气变压吸附制氢方面，国内钢厂一般采用中压工艺流程，即运行压力1.6 MPa，产品氢气压力1.4 MPa左右，单机产量一般为1000 m3/h，如武钢、鞍钢等。宝钢股份司采用的是低压工艺流程，即运行压力0.75 MPa，产品氢气压力0.55 MPa左右，单机产量2000 m3/h以上。这些变压吸附制氢装置产品质量稳定，对提升钢铁产品档次形成了有力的支撑。

4 冷轧厂制氢站设计时需要注意的问题

4.1 运行压力与回收率

冷轧厂配套制氢站设计时的运行压力选择要综合比选，以达到投资和运行效率的最大化，使单位氢气的综合价格最低。此外，还要综合考虑富氢原料气是否充裕，以及尾气的回用问题，如果原料气较充裕且尾气又能作为燃料气回用，则宜采用低压流程，而不必太注重氢气的回收率；反之，则宜采用中压流程，以提高氢气回收率。因为变压吸附的效率取决于吸附剂的性能（吸附性能、动力特性）、吸附与解析的压差，而压差取决于加压机的出口压力和尾气的压力。吸附和解析压差大有助于提升吸附量，减少富氢原料气的用量，减小设备规格，但运行压力大会造成再生时间长、变压过程中吸附剂受冲刷大易破碎等不利的影响，尾气的热值和密度也会更高，可能对尾气回用领域的普遍性更不利，比如影响其他工业炉用气的热值、影响煤气加压机的运行稳定等。此外，对冷轧用户而言，氢气实际使用压力往往较低，因此产品氢气压力过高并不经济，只会白白浪费富氢气体压缩所需的电能，增加冷却水用量，同时造成系统设备、阀门等压力等级升级而影响工程造价。

以焦炉煤气为富氢原料气，按氢含量57%考虑，中压、低压流程氢气回收率一般分别为82%、65%，每1000 m3/h的氢气产量所对应的焦炉煤气压缩量分别为2139 m3/h、2699 m3/h。由于焦炉煤气提取氢气后的尾气仍返回煤气柜作为焦炉煤气使用，因此相同产量下的焦炉煤气表观用量不同，但实际消耗量一致，只是前者比后者压缩量小、升压值高、尾气量少而已。其本质的区别在于能耗，中压、低压流程的原料气压缩的电耗比约1.65，考虑压缩机效率的不同取该比值为1.5，按常规低压变压吸附制氢的电力单耗0.5 kW·h/m3H2为基准计算，1 m3氢气的电耗差0.25 kW·h。这样的运行费用分摊到氢气单价上所产生的经济效益差额是比较明显的。

4.2 保护气的回收利用

对冷轧系统退火炉而言，低规格钢种保护气中氢气含量较低，一般在5%以下，其余成分为氮气，没有回收价值，往往直接放散。对高规格钢种的保护气来说，保护气中含氢量很高，有的会在50%以上，直接放散显然是不经济的，还会造成安全隐患，因此在工艺设计时，应考虑对这样的气体设法回收利用。

4.3 工厂设计所遵守的规范

焦炉煤气变压吸附制氢站的工厂设计应遵守《氢气站设计规范》，而天然气转化后变压吸附制氢装置的工厂设计除遵守《氢气站设计规范》外，还要参照《石油化工企业设计防火规范》的要求，两种规范在防火设计方面的要求存在一定的差别，要结合工程实践，合理合法地在利用规范进行设计，节约工程投资。

如果是利用甲醇裂解、氨分解等方法获取并提纯氢气的装置，则还要遵从毒性物质存贮、使用和管理方面的特殊规范或法规。

4.4 装置布置、设备选型的安全性

制氢站的布置应根据工艺流程，按物流方向顺流布置，并尽可能将设备布置在户外，以避免富氢气体积聚形成爆炸危险，对非户外型设备要做好必要的保护措施，同时确保其处于通风良好的场所，否则应强制通风。

电气设备应根据爆炸危险分区选型，严禁将非防爆电气设备用于防爆场所。对无法采用防爆设备的场所，必须采用正压通风的方式，确保环境气氛的安全。

4.5 装置规模与扩容时的安全搭接

冷轧厂的轧线一般都是逐步增加的，以期发挥规模效益和产品组配效益，因此制氢站规模选定应有一定的前瞻性，必要时采用变频加压机或加压机分步建设的方法，以节省能耗或一次性固定投资。无论如何，在装置设计时要为扩容留好接口，并留出12～15 m的安全隔离空间，以充分降低今后边生产边搭接施工的风险。

5 结论及前景

经过多套冷轧制氢站工程的设计，在装置产能、工艺比选、工厂布置、设备选型、规范把握等方面，我们逐步积累了丰富的经验，也为今后制氢站工程的优化设计做好了技术储备。随着钢厂冷轧产品的升级和氢能汽车的研发，变压吸附制氢工艺的应用前景将会越来越广，今后肯定会出现更多的变压吸附制氢装置。

[1]北川浩，铃木谦一郎.鹿政理译.吸附的基础与设计[M].北京：化学工业出版社，1983.

[2]Marcel Mulder.李琳译.膜技术基本原理[M].北京：清华大学出版社，1999.

Process Selection and Key Points in Engineering Design for Hydrogen Station in Cold Rolling Mill

CAO Haixia，JIN Wangzhao
(Baosteel Engineering and Technology Group Co.,Ltd.Shanghai 201900,China)

Though combustible,explosive and hard to produce and store,hydrogen has unique industrial usages.Based on engineering practices,specific opinions on process selection criterion and key points in design of hydrogen station for cold rolling mill were put forward.

PSA;explosion hazard;operating pressure;recovery rate

TQ051.8

B

1006-6764(2014)05-0023-02

2014－01－17

曹海霞（1978-），女，2002年毕业于同济大学供热空调与燃气工程专业，工程师，现从事燃气、热力设计及相关技术工作。