冷軋廠配套制氫站的工藝選擇和工程設計要點

曹海霞，金網照

(寶鋼工程技術集團有限公司，上海201900）

冷軋廠配套制氫站的工藝選擇和工程設計要點

曹海霞，金網照

(寶鋼工程技術集團有限公司，上海201900）

氫氣雖然易燃易爆，既不易制取又不易儲存，但是卻具有獨特的工業用途。結合工程實踐，對鋼鐵企業冷軋配套制氫站工藝路線的選擇依據提出觀點，并對工程設計中要注意的問題提出看法。

變壓吸附；爆炸危險；運行壓力；回收率

1 氫氣性質及制氫方法

氫氣是最輕的氣體，無色無味且易燃易爆，極難溶于水，也很難液化。氫氣的擴散能力很強，因此有很高的導熱能力，用氫氣冷卻物體比用空氣冷卻物體快6倍。氫氣還是很強的還原劑，能在高溫條件下奪取金屬氧化物中的氧氣，使其還原。正是由于氫氣的這些特性，使得氫氣被廣泛運用于電子、冶金、化工等行業用作保護氣體、還原氣體、原料氣體等。此外，從減少溫室氣體排放量出發，根據國家規劃，“十三·五”期間即2016～2020年，我國將進一步普及新能源汽車、多能源混合動力車，插電式電動轎車，氫燃料電池轎車將逐步進入普通家庭。可見氫氣有著廣泛的商業應用前景。

2 工業化制氫方式的比較

工業制氫包括制氫和純化兩個部分，即首先利用工業方法生產富氫氣體，然后提取純化其中的氫氣，供給相應的用戶。富氫氣體的純化工藝包括：化學吸收、膜滲透、變壓吸附等，而變壓吸附（PSA）已經成為近年來比較主流的氫氣提純手段。

不同行業富氫氣體的來源不同，氫含量和雜質含量也有較大差別，因此制氫工藝的經濟性也有較大的差別。石油化工行業的富氫氣體通常來自石油煉廠尾氣或化工尾氣，而冶金行業富氫氣體通常為凈化焦爐煤氣。當焦爐煤氣短缺時，也會采用天然氣轉化反應或者采用氨分解的方法生產富氫氣體，有的企業也會采用水電解方式獲取氫氣，但產量規模相對較小，能耗較高。總體來看，工業化制氫方法不外乎如下三種工藝：

（1）水電解制氫：水電解→初級氫氣→凈化（脫除微量氧）→氫氣

（2）變壓吸附制氫：復雜組分富氫氣體的生產（煉廠尾氣、焦爐煤氣、水煤氣或天然氣轉化、氨分解、甲醇裂解）→凈化（變壓吸附）→氫氣

（3）膜分離制氫：簡單組分富氫氣體→氣體滲透（膜分離）→氫氣

與液體膜滲透分離技術的工業化進程相比，氣體滲透（膜分離）技術的工業化進程較慢，主要原因在于氣體膜分離流程中的膜材使用的局限性較大，對不同組分氣源的適應性不廣，而且分離時需要比較高的分離氣體壓力，產能規模也不大。目前有利用該技術在合成氨尾氣中提取氫氣的實績，但是對復雜組分的分離效果并不理想。

由于不同行業對氫氣的品質和用量要求有所區別，因此工藝流程的選擇也不一樣。

總的來說，水電解制氫產量規模小、電耗高，適用于沒有富氫氣體、用氫量較小、電力配置充裕的企

業；煉廠尾氣和石化尾氣制氫產量很大，適合于石化行業的資源綜合利用，為石油加氫工藝和化工合成反應提供廉價氫氣；焦爐煤氣變壓吸附制氫產量規模較大、電耗低，適用于長流程、有高附加值冷軋工藝線的冶金企業；天然氣轉化制氫、水煤氣制氫、氨分解制氫、甲醇裂解制氫適合于富氫氣體短缺的企業，但工藝較為復雜、設備較多、占地較大，而且氨氣、甲醇本身成本也較高，又具有相當的毒性和爆炸危險性；氣體膜分離適用于合成氨工廠的尾氣綜合利用，使用范圍較窄。

3 冷軋廠制氫工藝路線的選擇

對全流程鋼鐵聯合企業而言，通常會有焦爐生產焦炭，同時副產焦爐煤氣、焦化產品，因此從資源高效利用出發，往往利用焦爐煤氣作為原料氣，經過電捕焦油器脫除焦油、脫硫塔脫硫等預處理后，再由煤氣加壓機加壓，然后通過變壓吸附工藝提取其中的初級產品氫氣，該氫氣再經脫氧處理后成為合格的產品氫氣。這些氫氣除用于冷軋外，還可以用于長流程鋼廠焦化產品的深加工以提高產品附加值，如苯加氫，以及作為商業氣體外賣給電子、玻璃制造等行業。

對沒有焦爐的短流程鋼鐵企業而言，可采用天然氣轉化的方式提取氫氣，至于用甲醇裂解、氨分解來獲得富氫氣體的方法，在冶金企業并不常用，主要原因在于危險品使用風險較大、管理難，以及原料成本較高而導致產品氫氣單價較高。

在焦爐煤氣變壓吸附制氫方面，國內鋼廠一般采用中壓工藝流程，即運行壓力1.6 MPa，產品氫氣壓力1.4 MPa左右，單機產量一般為1000 m3/h，如武鋼、鞍鋼等。寶鋼股份司采用的是低壓工藝流程，即運行壓力0.75 MPa，產品氫氣壓力0.55 MPa左右，單機產量2000 m3/h以上。這些變壓吸附制氫裝置產品質量穩定，對提升鋼鐵產品檔次形成了有力的支撐。

4 冷軋廠制氫站設計時需要注意的問題

4.1 運行壓力與回收率

冷軋廠配套制氫站設計時的運行壓力選擇要綜合比選，以達到投資和運行效率的最大化，使單位氫氣的綜合價格最低。此外，還要綜合考慮富氫原料氣是否充裕，以及尾氣的回用問題，如果原料氣較充裕且尾氣又能作為燃料氣回用，則宜采用低壓流程，而不必太注重氫氣的回收率；反之，則宜采用中壓流程，以提高氫氣回收率。因為變壓吸附的效率取決于吸附劑的性能（吸附性能、動力特性）、吸附與解析的壓差，而壓差取決于加壓機的出口壓力和尾氣的壓力。吸附和解析壓差大有助于提升吸附量，減少富氫原料氣的用量，減小設備規格，但運行壓力大會造成再生時間長、變壓過程中吸附劑受沖刷大易破碎等不利的影響，尾氣的熱值和密度也會更高，可能對尾氣回用領域的普遍性更不利，比如影響其他工業爐用氣的熱值、影響煤氣加壓機的運行穩定等。此外，對冷軋用戶而言，氫氣實際使用壓力往往較低，因此產品氫氣壓力過高并不經濟，只會白白浪費富氫氣體壓縮所需的電能，增加冷卻水用量，同時造成系統設備、閥門等壓力等級升級而影響工程造價。

以焦爐煤氣為富氫原料氣，按氫含量57%考慮，中壓、低壓流程氫氣回收率一般分別為82%、65%，每1000 m3/h的氫氣產量所對應的焦爐煤氣壓縮量分別為2139 m3/h、2699 m3/h。由于焦爐煤氣提取氫氣后的尾氣仍返回煤氣柜作為焦爐煤氣使用，因此相同產量下的焦爐煤氣表觀用量不同，但實際消耗量一致，只是前者比后者壓縮量小、升壓值高、尾氣量少而已。其本質的區別在于能耗，中壓、低壓流程的原料氣壓縮的電耗比約1.65，考慮壓縮機效率的不同取該比值為1.5，按常規低壓變壓吸附制氫的電力單耗0.5 kW·h/m3H2為基準計算，1 m3氫氣的電耗差0.25 kW·h。這樣的運行費用分攤到氫氣單價上所產生的經濟效益差額是比較明顯的。

4.2 保護氣的回收利用

對冷軋系統退火爐而言，低規格鋼種保護氣中氫氣含量較低，一般在5%以下，其余成分為氮氣，沒有回收價值，往往直接放散。對高規格鋼種的保護氣來說，保護氣中含氫量很高，有的會在50%以上，直接放散顯然是不經濟的，還會造成安全隱患，因此在工藝設計時，應考慮對這樣的氣體設法回收利用。

4.3 工廠設計所遵守的規范

焦爐煤氣變壓吸附制氫站的工廠設計應遵守《氫氣站設計規范》，而天然氣轉化后變壓吸附制氫裝置的工廠設計除遵守《氫氣站設計規范》外，還要參照《石油化工企業設計防火規范》的要求，兩種規范在防火設計方面的要求存在一定的差別，要結合工程實踐，合理合法地在利用規范進行設計，節約工程投資。

如果是利用甲醇裂解、氨分解等方法獲取并提純氫氣的裝置，則還要遵從毒性物質存貯、使用和管理方面的特殊規范或法規。

4.4 裝置布置、設備選型的安全性

制氫站的布置應根據工藝流程，按物流方向順流布置，并盡可能將設備布置在戶外，以避免富氫氣體積聚形成爆炸危險，對非戶外型設備要做好必要的保護措施，同時確保其處于通風良好的場所，否則應強制通風。

電氣設備應根據爆炸危險分區選型，嚴禁將非防爆電氣設備用于防爆場所。對無法采用防爆設備的場所，必須采用正壓通風的方式，確保環境氣氛的安全。

4.5 裝置規模與擴容時的安全搭接

冷軋廠的軋線一般都是逐步增加的，以期發揮規模效益和產品組配效益，因此制氫站規模選定應有一定的前瞻性，必要時采用變頻加壓機或加壓機分步建設的方法，以節省能耗或一次性固定投資。無論如何，在裝置設計時要為擴容留好接口，并留出12～15 m的安全隔離空間，以充分降低今后邊生產邊搭接施工的風險。

5 結論及前景

經過多套冷軋制氫站工程的設計，在裝置產能、工藝比選、工廠布置、設備選型、規范把握等方面，我們逐步積累了豐富的經驗，也為今后制氫站工程的優化設計做好了技術儲備。隨著鋼廠冷軋產品的升級和氫能汽車的研發，變壓吸附制氫工藝的應用前景將會越來越廣，今后肯定會出現更多的變壓吸附制氫裝置。

[1]北川浩，鈴木謙一郎.鹿政理譯.吸附的基礎與設計[M].北京：化學工業出版社，1983.

[2]Marcel Mulder.李琳譯.膜技術基本原理[M].北京：清華大學出版社，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年畢業于同濟大學供熱空調與燃氣工程專業，工程師，現從事燃氣、熱力設計及相關技術工作。