制氢装置工艺异常分析及优化改进

矫继东，李山虎，孙成龙

（鞍钢股份能源管控中心，辽宁鞍山 114000）

引言

鞍钢股份能源管控中心2009 年投产的制氢站原设计产氢能力2000 m³/h，实际生产运行产氢能力仅1300 m³/h。产品氢气主要用户为鞍钢冷轧、硅钢等。制氢装置因配套设备设施老化，同时受工艺设计缺陷的影响，制氢装置氢气产能与设计偏差较大、产品氢气质量指标波动大，存在因产能不足造成用户制限或因产品氢气质量影响用户生产的风险，需进行优化改造，提升合格氢气产量及质量。

1 改造前工艺流程

原装置工艺流程由压缩工序（含除萘工序）、预处理工序、变压吸附工序和净化工序组成。见图1。

图1 2000 m3/h制氢装置改造前工艺流程

2 工艺异常原因分析

本装置在运行考察期间，满负荷生产时曾经达到产氢量2600 m3/h，说明装置完全能满足设计需要。但受到压缩机故障率较高的影响，压缩机通常情况下不会满负荷运行，经常会出现原料煤气量供应不足的问题，导致最终的产氢量达不到设计要求。另外，产品气质量不合格、产量低于设计值和装置吸附剂中毒、寿命缩短等问题，导致装置的保产保供能力大大降低。

2.1 压缩工序

2.1.1 压缩机运行模式

原设计中压缩机采用的2 开1 备运行模式，由于压缩机的活塞推力不一致，经常造成压缩机有偏缸现象，增加了压缩机的检修频率。

2.1.2 脱萘系统流通能力

原设计中的压缩机一级出口总管偏小，口径仅为DN200，导致2 台压缩机同时供气时由于气流量过大，无法全部正常通过进入除萘系统。同时，在装置运行几年后，随着时间的推移，冬季气温较低时，萘会逐渐析出并附着在管道内壁上，将管径进一步缩小。为保证正常生产需求，只能临时采用了一路气体经过脱萘系统而另一路不过的临时处理办法，由此增加了吸附剂中毒的隐患。

2.2 预处理工序

预处理工序在原设计中，焦炉煤气直接由压缩机三级出口汇总后进入系统。实际运行后发现，随着压缩机使用时间的延长，气体中夹带的油份会逐渐进入预处理系统，造成预处理系统所装填的吸附剂中毒失活，从而引起后续变压吸附工序的吸附剂中毒。

2.3 变压吸附工序

2.3.1 吸附剂装填量

产品氢气中出现甲烷超标的现象，经核实发现变压吸附工序吸附塔的吸附剂配比存在严重问题。原设计中，处理甲烷的主要吸附剂15B 的装填量明显不足，虽然其中装填的5A分子筛及13X分子筛能脱除部分甲烷，但其对甲烷的动态吸附量不如15B，所以，时间一长出现杂质穿透现象，从而导致氢气产品不合格。

2.3.2 吸附剂中毒

原装置中装填的吸附剂性能差，吸附容量小，加上压缩机出口带油等原因也间接导致了吸附剂性能下降，产品氢气损失增大；脱萘及预处理效果不好，导致大组份穿透带入本工序，造成了部分吸附剂中毒，也严重影响了装置的产氢量。

3 优化改进措施

经过分析研究，需要对工艺流程进行局部改造，并在充分利用原有设备的基础上尽量减少改造投资。具体方案如下：

3.1 压缩工序

更换压缩机一级出口去脱萘系统的总管，口径变更为DN250，保证压缩机提供的焦炉煤气量能顺利进入脱萘系统脱除萘杂质。为减少改造投资，压缩机配置不变，除萘系统维持原状。

2 台压缩机同时运行时，容易造成压缩机的偏缸现象，提高了压缩机运行的故障率。根据这一情况来看，最佳的压缩机配置仍然是1 开1 备，可避免造成目前存在的问题。

3.2 预处理工序

预处理系统前新增加三级出口总管上的除油过滤器1 台，增加1 套可串可并操作使用的除油塔系统，将新增除油塔底的排污设计为自动排污。增加除油塔采用加热解吸气再生的管路及相关配套管件、阀门，确保气体中没有油份夹带进入预处理系统，保障预处理的处理效果。

3.3 变压吸附工序

本工序将原5-1-3PSA 工艺更改为6-2-3PSA工艺。新增1 座吸附塔T302F。同时利用原装填的吸附剂加上新增吸附剂调整配比后重新装填。修改后的具体工艺过程如下：

经过预处理后的焦炉煤气自塔底同时进入吸附塔中正处于吸附工况的2 座吸附塔中，在吸附剂选择吸附的条件下一次性除去氢以外的绝大部分杂质，获得纯度大于99.9%的粗氢气，从塔顶排出送净化工序。

当被吸附杂质的传质区前沿(称为吸附前沿)到达床层出口预留段某一位置时，停止吸附，转入再生过程。经这一过程后吸附塔便完成了一个完整的“吸附-再生”循环，又为下一次吸附做好了准备。

6 个吸附塔交替进行以上的吸附、再生操作(始终有2 个吸附塔处于吸附状态)即可实现气体的连续分离与提纯。

由于增加了除油塔及除油器，保障了焦炉煤气经压缩机三级出口后没有油份夹带进入预处理系统，避免了预处理系统吸附剂中毒现象。同时，将变压吸附工序由原5-1-3 流程变更为6-2-3 流程，在基本不增加吸附剂总量的情况下，使吸附剂利用率大为提高，变更后的工艺流程明显优于原流程。吸附剂在配比调整后，完全能达到产品气指标要求。

4 装置改造后的运行情况

该项目于2018 年7 月改造完成后投运。经过一段时间的运行考察，装置达到原设计要求，运行平稳可靠。其运行数据前后对比见表1。

表1 改造前后运行数据对比

由以上数据可见，2000 m3/h 制氢装置改造后，基本实现装置连续高效稳定产氢，缓解了鞍钢氢气供应紧缺的问题。改造后，产品氢气质量及产能得到了极大程度的提升，系统运行稳定性大大提高，为冷轧、硅钢等用户的生产提供了保障。

5 结语

鞍钢2000 m3/h 焦炉煤气制氢装置在经过充分的论证后，完成了该装置产品氢气产能提升、稳定产品氢气质量的改造，成功解决了制约装置达标的瓶颈问题，使2000 m3/h制氢装置氢气产能得到大幅提升，氢气质量也得到有效保障。但鉴于改造资金不足，本次改造压缩机部分未进行修改，这对装置今后稳定运行还是会造成一定的影响。另外，本装置原设计的阀门驱动系统为液压系统。虽然较气动驱动动作灵敏可调，但时间一长经常会出现液压油管路泄漏的问题，造成环境污染，同时与气动驱动系统相比，液压系统驱动需要消耗电力资源，这也额外增加了装置的运行成本。