焦炉煤气变压吸附制氢装置的设计及流程改进

摘要

焦炉煤气中含有丰富的氢气，约占55％(V％)，早期焦炉煤气主要用作工业和民用燃料，宝贵的氢气资源被浪费掉。而轧钢、化工合成工业又需要高纯度氢气作为冷轧钢板保护气及合成化工基本原料。制取氢气的传统方法为电解水或氨裂解，该法因成本高、投资大，难以推广应用。为解决氢气来源并探索其最合理经济的制取方法，各国都在不懈研究着。60年代美国UCC公司建成了世界上第一套焦炉煤气制氢的工业变压吸附(Pressure Swing Adsorption，缩写为PSA)装置，至今已取得飞速发展，产品已遍及世界各地。
　　 PSA是根据在常温下，吸附剂对氢气中杂质组分在两种压力下的吸附容量不同而进行气体分离的，以达到纯化氢气的目的。它能把混合气中的氢提纯出来，也可以使氢进一步净化。
　　 鞍山钢铁集团公司原先已经建有三套1000Nm3/h PSA制氢装置，随着其冷轧板产量的提高，原有PSA制氢装置已经不能够满足冷轧板生产的需要，为此委托大连圣迈气体分离工程有限责任公司为其设计、制造、安装第四套焦炉煤气PSA制氢装置。
　　 本文通过对鞍钢前三套焦炉煤气PSA制氢装置实地使用考察，对第四套焦炉煤气PSA制氢装置的工艺、自控、仪表进行了设计。
　　 在工艺设计中，对以往常用的四塔二次均压的PSA流程进行了改进，采用了五塔三次均压的新流程，五塔中有一台吸附塔始终处于吸附状态，可以使后面的四台吸附塔吸附效率更高，同时增加一次均压过程，以提高氢气回收率。
　　 吸附剂的性能将直接影响产品的纯度和回收率指标而且是装置连续长期稳定运行以及装置使用寿命的保证。本装置根据焦炉煤气的组分，选择了活性炭、活性氧化铝、5A分子筛和钯催化剂等针对性很强的吸附剂，从而达到最佳的吸附效果。
　　 PSA制氢装置基本上属于全自动化运行，所以在自控设计上本装置采用了目前最先进的西门子S7-400 PLC冗余控制系统，保证了整套装置的自动化控制和运行。
　　 另外，本文还对PSA制氢后所产生的解析气运用膜处理技术进行了尝试性的设计，从而提高氢气的回收率。

目录

文摘

英文文摘

声明

引 言

1 文献综述

1.1 氢气的性质

1.2 氢气的用途

1.3 氢气的主要制取方法

1.4 氢气的主要分离和提纯方法

1.5 变压吸附技术

1.5.1 变压吸附的基本原理

1.5.2 吸附平衡

1.5.3 吸附分离流程的选择

1.5.4 变压吸附工作基本步骤

1.5.5 吸附剂

1.5.6 工艺条件与吸附能力的关系

1.5.7 氢气回收率

1.6 变压吸附技术的应用

1.7 焦炉煤气变压吸附制氢在冶金行业的应用

1.8 膜分离技术在氢气分离中的应用

1.8.1 膜分离氢气的原理

1.8.2 膜法氢回收的工业化应用情况

1.9 变压吸附和膜分离技术联合工艺

1.10 UniSim Design模拟计算系统

1.11 论文构思

2 鞍钢焦炉煤气变压吸附制氢装置工艺设计

2.1 项目情况

2.2 装置概况、原料气、产品及副产物

2.3 工艺设计

2.3.1 工艺过程

2.3.2 PSA工艺步序

2.3.3 主要操作条件

2.4 工艺控制

2.5 吸附剂的选择

2.6 分析控制仪表

2.7 吸附塔强度设计

2.8 程控阀

2.9 环境保护及“三废”处理

2.10 经济核算

3 对焦炉煤气变压吸附制氢工艺的进一步讨论

3.1 影响变压吸附的主要因素

3.2 影响氢气回收率的主要因素

4 利用膜分离提高PSA过程氢气的回收率

4.1 UniSim模拟焦炉煤气PSA工艺流程

4.2 多段膜模型对计算结果的影响

4.3 膜面积和进料压力对氢气回收率的影响

4.4 简单经济效益分析

结 论

参考文献

致 谢