制氢装置氢收率低的原因分析及对策

刘英 张晓龙

摘 要：制氢装置是煤焦油加氢工艺的重要上游装置之一，其产品氢是加氢裂化和加氢重整不可缺少的原料。本文基于陕西煤业化工集团神木天元化工有限公司制氢装置，分析在满负荷生产状态下，产品氢收率的影响因素及应对措施。

关键词：煤制油;氢气收率;化工操作

在全球环保压力日益严峻的趋势下，我国能源战略的发展和升级势在必行，新能源将逐步替代传统化石能源成为市场主流[1]。习近平同志在第七十五届联合国大会上提出我国将争取在2030年前实现碳排放达到峰值，在2060年前实现碳排放中和。煤焦油加氢作为煤制油的分支之一，受制于原料价格的上涨、消费税的制约、交通工具动力能源的改革及竞争日趋激烈等条件影响，盈利困难重重。因此在实际生产中煤制油厂往往选择满负荷甚至超负荷运转保证产品产量的高产出，同时不断改进工艺和操作，降低成本，确保油品质量以提升市场竞争力。制氢装置作为煤焦油加氢重要上游装置之一，产品氢收率对提高产品收率，减少物料消耗具有举足轻重的影响。

1.工艺简述

陕西煤业化工集团神木天元化工有限公司制氢装置由上海华西化工有限公司设计，中国石家庄化工建设集团公司建设，于2007年建成投产，2009年进行技术改造，增加了原料气预处理装置。该制氢装置依托公司焦化装置生产的荒煤气为原料气。采用了水洗脱氨，全低温变换造气，变压吸附（V-PSA）提纯氢气等工艺技术。产品氢纯度达到99.9 %，系统压力为1.2 MPa、产量达到30000 Nm3/h。

1.1荒煤气生产工艺简介

外购合格的块煤经筛分后进入焦化装置炭化炉的炭化室，与燃烧室串入炭化室的高温气休逆流接触，自上而下经过预热段，干馏段，冷却段后落入水封槽，经过干燥系统和筛分系统处理后输送至储存区。煤在炭化过程中产生的煤气与进入炭化室的高温废气和冷却焦炭产生的煤气混合气（荒煤气）汇入荒煤气总管进入气液分离器，经直冷塔冷却至40-45 ℃，经过电捕焦油器高压静电场除去煤焦油及杂质，部分荒煤气回炉作为燃料，其余荒煤气经过间冷塔冷却后进入煤气气柜，再经过螺杆压缩机加压后输至制氢车间作为制氢原料气。

1.2变换气工艺简介

压力为0.3 MPa，有效组分不低于38 %的荒煤气经过脱氨脱水装置洗氨，再由压缩机升壓至1.35 MPa后，在饱和热水塔和换热器进行逆流换热。随后高温原料气进入预变换炉除杂脱毒，脱毒后的原料气先后进入煤气变换炉除氧段、变换二段、变换三段进行一氧化碳变换。出口变换气一氧化碳需控制在1.5 %以下并送至PSA工段提纯。变换段反应方程式：

CO+H2O----CO2+H2

1.3 PSA工艺简介

变压吸附提纯系统（V-PSA）是利用吸附剂在一定压力下对气体的选择性吸附，减压后被吸附组分从吸附剂中解吸使吸附剂再生[2]为原理进行工作的提纯装置，其目的是从变换气中提取纯度为99.9 %的氢气供煤焦油加氢使用。该系统由十台吸附塔和若干个程控气体阀组成，运行程序为“10-2-5”模式，即10台吸附塔始终有两台处于吸附状态，其余8台处于再生状态，再生时经过5次均压过程以提高氢气回收率[3]。

2.影响氢收率的主要因素

随着近年来煤焦油加氢的成熟应用案例的不断增加，制氢装置的建设方式及生产技术也有了迅猛的发展。目前世界工业主要制氢方法包括：电解水制氢、煤气化制氢、烃类蒸汽转化制氢、部分氧化法制氢及其他新兴的制氢技术[4]。神府地区因煤炭资源丰富，相关产业成熟等特点，成为推动该地区煤气化制氢发展的重要基石。一氧化碳变换制氢装置生产产品氢的核心指标包括：氢气产量、氢气收率、氢气纯度等，其中氢气收率对制氢装置生产的增效降本策略起举足轻重的作用，因此本文将着重分析印象氢收率的主要因素及防治措施。

2.1氢收率影响因素分析

氢气收率是指生产单位氢气所消耗的原料气数量的比值。计算公式如下：

在运行过程中原料气氢含量、解析气氢含量和氢气纯度均为体现氢收率低的直观影响因素。在实际工艺操作中，氢收率的降低主要出现在以下5种情况：

（1）块煤质量波动

进入炭化室的块煤质量出现大幅度波动。由于不同地区煤种性质有所不同，来自多方采购的原料煤进料时会出现产气量不稳定，且有效组分波动较大的问题，继而引发制氢变换装置汽汽比调节不及时导致的反应不充足或反应蒸汽浪费。当有效组分低于38 %时，在制氢工段氢收率会同时降低3-5 %。此时为保证生产平稳运行，提高反应气量的同时会造成换热系统负荷增大，造成公用介质消耗增大。

（2）荒煤气组份中氧含量超标

焦化装置因操作炭化炉不当，如上料不及时，空煤气配比不当等因素导致制氢装置原料气氧含量超标。在制氢装置除氧段，通过除氧剂将原料气中氧气与氢气反应除氧，降低了原料气的有效组分。反应方程式如下：

O2+2H2——H2O

即每增加1 %的氧含量需要消耗2 %的氢气组分，经过V-PSA变换，产品氢收率下降2-4%左右。

（3）反应蒸汽压力不足

蒸汽在煤气变换炉二段、三段中作为原料气参与一氧化碳变换反应，当蒸汽压力不足时，蒸汽难以进入或无法进入变换系统，导致反应不充分甚至不能反应，氢气产量下降，从而氢收率下降。当蒸汽压力小于变换系统压力时会导致煤气串入蒸汽管网，具有重大安全隐患，因而应尽力避免蒸汽压力不足的情况。

（4）程控阀内漏

程控阀作为V-PSA装置的核心组件，是V-PSA系统稳定运行的根本保障。在V-PSA投用期间，吸附剂粉化、程控阀机械故障、操作人员操作不当等因素均会导致程控阀内漏。程控阀内漏一般表现为解析气中氢含量上升，吸附时间变短，氢收率下降。

（5）均压不平，V-PSA压力系统波动大

在均压过程中，一均到五均压力不平，压力差过大可导致吸附剂波动大，且在氢气升压过程中V-PSA系統压力波动较大，氢气产量瞬间变小，这时不得不牺牲吸附时间以保系统稳定。

3.解决氢收率低的具体措施：

在化工生产环境下，企业应围绕“安稳长满优”的运行目标，保证负荷率处于高位运行，其不仅有助于企业降低成本，增加利润，同时保证设备处于最优运行状态，减少单位产品产出的维修费用。氢收率作为煤焦油加氢装置盈利的核心参数之一，保证氢收率稳定，解决影响氢收率的种种问题不仅关于装置运行的安全性、稳定性，也是实现企业利润突破的不二法门。

3.1 原料气性质不稳定引起的氢收率低

受到焦化装置块煤性质，炭化炉操作等问题造成的原料气性质不稳定的，应保证原料块煤质量稳定及操作过程稳定。设现场报警系统，料位低时第一时间发现并处理，以减少空气漏入的情况。时刻关注空煤气配比，及时操作配气量已达到最优状态，控制荒煤气有效组分在40 %以上，氧含量低于0.5%。

3.2 制氢装置设备故障等客观因素引起的氢收率低

由客观因素引起的氢收率低包含蒸汽压力不足、阀门及塔器内漏、吸附剂粉化。此类问题预防投入占比较高，一旦出现问题应尽早发现，尽早解决，防止影响后续生产工段稳定性，杜绝安全事故的发生。程控阀内漏时应迅速确定故障阀门，在保证氢气纯度的情况下尽量延长吸附时间，将该塔切出并快速更换备件，恢复正常生产。吸附剂粉化导致产品氢收率降低，产品氢中出现吸附剂粉末时，应立即找出吸附剂粉化吸附塔，必要时停车查明原因。

3.3 操作原因引起的氢收率低

吸附时间时V-PSA单元的主要操作参数，装置运行和过程中操作人员根据进料流量和组分，通过调整吸附时间调整产品氢气产量和纯度。出现压力波动大时应尽快查明原因，通过调整吸附时间稳定操作压力，保证产品气量稳定够用。实际生产中应优化操作方式，控制吸附时间以调控产品氢气量和纯度，减少后续工段将原料气放散等浪费问题，提高产品氢收率。

4.结语

为保障生产过程的稳定，控制生产成本，提高氢收率是制氢装置的重要目标之一。由生产控制系统仪表的信息反馈和生产经验相结合，及时判断生产中出现的影响因素并及时解决问题至关重要。提高操作人员的执行能力，将理论与实践相结合，不断完善操作细节;积极监督设备运行，原料及三剂性质，加强监管，保障有效组分处于高位，生产系统平稳运行，达到最优能效和最大产量是氢收率等关键参数为企业效益最大化所带来的关键基础。

参考文献

[1] 李芳. 中国新能源产业发展存在的问题与对策探析[J]. 中国市场，2019（20）.

[2] 寇丹. 变压吸附制氢装置改进及工艺优化研究[D].北京理工大学，2016.

[3] 兰州石化公司 50000 Nm3 /h 制氢装置操作手册[G].成都 华西化工科技股份有限公司编制.

[4] 张海源. 制氢装置生产优化研究[D].华东理工大学，2013.