杜建強(qiáng)

　　連云港中星能源有限公司 江蘇省連云港市 222002

　　摘要： 本文詳細(xì)探討了煤制氫凈化裝置的工藝流程，包括其工作原理、主要設(shè)備、技術(shù)特點(diǎn)以及在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)和面臨的挑戰(zhàn)。通過對(duì)相關(guān)工藝的深入分析，為煤制氫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了有益的參考和指導(dǎo)。

　　關(guān)鍵詞：煤制氫;凈化裝置;工藝流程

　　一、引言

　　隨著全球能源需求的不斷增長(zhǎng)和對(duì)清潔能源的追求，氫能作為一種高效、清潔的能源載體，受到了廣泛的關(guān)注。煤制氫是一種重要的制氫方法，具有原料豐富、成本相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)。然而，煤制氫過程中產(chǎn)生的氣體含有多種雜質(zhì)，需要經(jīng)過凈化處理才能得到高純度的氫氣。因此，煤制氫凈化裝置工藝的研究和優(yōu)化對(duì)于提高氫氣質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、減少環(huán)境污染具有重要意義。

　　二、煤制氫凈化裝置的工作原理

　　(一)粗煤氣的組成和特點(diǎn)

　　煤制氫過程中產(chǎn)生的粗煤氣主要成分包括氫氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、硫化氫、氨氣等。這些雜質(zhì)的存在不僅會(huì)影響氫氣的純度，還可能對(duì)后續(xù)的應(yīng)用設(shè)備造成腐蝕和損壞。

　　(二)凈化的目標(biāo)和要求

　　凈化裝置的主要目標(biāo)是去除粗煤氣中的雜質(zhì)，其工作原理基于多種物理和化學(xué)過程，使氫氣純度達(dá)到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。一般要求氫氣純度在 99.9%以上，同時(shí)要將其他雜質(zhì)的含量控制在極低的水平。

　　(三)凈化的基本原理

　　粗煤氣是煤制氫過程中產(chǎn)生的初始?xì)怏w混合物，主要包含氫氣(H₂)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO₂)、甲烷(CH₄)、硫化氫(H₂S)、氨氣(NH₃)等成分。這些雜質(zhì)的存在對(duì)后續(xù)氫氣的使用和儲(chǔ)存會(huì)產(chǎn)生不利影響。煤制氫凈化裝置通常采用多種凈化方法相結(jié)合的工藝，通常采用物理吸附：利用具有高比表面積和選擇性吸附性能的吸附劑，如活性炭、分子篩等，對(duì)雜質(zhì)氣體進(jìn)行吸附。這些吸附劑能夠根據(jù)分子大小、極性等特性，選擇性地吸附特定的雜質(zhì)分子，從而實(shí)現(xiàn)氣體的初步分離和凈化�；瘜W(xué)吸收：通過化學(xué)試劑與雜質(zhì)氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將雜質(zhì)氣體轉(zhuǎn)化為易于分離的化合物。常見的化學(xué)吸收劑包括醇胺溶液(如 MDEA)用于吸收二氧化碳和硫化氫等酸性氣體。、催化轉(zhuǎn)化等。低溫分離：利用不同氣體在低溫下沸點(diǎn)的差異，通過冷卻和冷凝的方式將雜質(zhì)氣體分離出來，將粗煤氣冷卻至低溫，使甲烷、一氧化碳等氣體液化，從而實(shí)現(xiàn)與氫氣的分離。從而達(dá)到去除雜質(zhì)的目的。

　　三、煤制氫凈化裝置的主要工藝流程

　　(一)變換工藝

　　變換工藝是將粗煤氣中的一氧化碳與水蒸氣在催化劑的作用下反應(yīng)生成氫氣和二氧化碳。通過變換反應(yīng)，可以調(diào)整氣體中的氫碳比，為后續(xù)的凈化處理創(chuàng)造有利條件。

　　變換工藝是煤制氫凈化裝置中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其主要作用是調(diào)整粗煤氣中的氫碳比例，為后續(xù)的凈化處理創(chuàng)造有利條件。

　　變換反應(yīng)的化學(xué)方程式為：

　　CO+ H2O ⇌CO2 + H2

　　在這個(gè)反應(yīng)中，一氧化碳(CO)與水蒸氣(H2O )在催化劑的作用下發(fā)生反應(yīng)，生成二氧化碳(CO2 )和氫氣(H₂)。

　　變換工藝通常分為高溫變換和低溫變換兩個(gè)階段。

　　高溫變換：

　　使用鐵鉻系催化劑，反應(yīng)溫度較高，一般在 350 - 550℃之間。高溫變換能夠?qū)⒋蟛糠值囊谎趸�碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳和氫氣，但反應(yīng)后的氣體中仍含有一定量的一氧化碳,粗煤氣經(jīng)過高溫變換后，一氧化碳的含量從初始的 30%左右降低到 8%左右。

　　低溫變換：

　　采用銅鋅系催化劑，反應(yīng)溫度相對(duì)較低，通常在 200 - 280℃。低溫變換可以進(jìn)一步將剩余的少量一氧化碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳和氫氣，使一氧化碳的含量降至更低水平,經(jīng)過低溫變換處理，一氧化碳的含量可以降低到 0.3%以下。

　　變換工藝的操作條件，如溫度、壓力、水蒸氣與一氧化碳的比例等，對(duì)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和平衡有重要影響。

　　較高的溫度可以加快反應(yīng)速度，但會(huì)降低平衡轉(zhuǎn)化率;增加水蒸氣的用量可以提高一氧化碳的轉(zhuǎn)化率，但也會(huì)增加能耗和后續(xù)處理的負(fù)荷。

　　合理控制這些操作條件，能夠在保證變換效果的同時(shí)，降低成本和提高工藝的經(jīng)濟(jì)性。

　　總之，變換工藝通過將一氧化碳轉(zhuǎn)化為氫氣和二氧化碳，不僅提高了氫氣的產(chǎn)量，還為后續(xù)的脫硫、脫碳等凈化步驟提供了更有利的條件，是煤制氫凈化裝置中不可或缺的一部分。

　　(二)脫硫脫碳工藝

　　低溫甲醇洗是一種常用的脫碳工藝，在煤制氫凈化裝置中發(fā)揮著重要作用，其工作原理是利用甲醇在低溫下對(duì)二氧化碳、硫化氫等酸性氣體具有良好的溶解性，從而實(shí)現(xiàn)氣體的凈化分離。

　　在低溫甲醇洗過程中，粗煤氣首先被冷卻至低溫(通常為 -30℃至 -60℃)，然后進(jìn)入吸收塔。在吸收塔中，低溫甲醇與粗煤氣充分接觸，吸收其中的二氧化碳、硫化氫等雜質(zhì)。

　　低溫甲醇洗具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　高選擇性：對(duì)二氧化碳和硫化氫等酸性氣體具有極高的吸收選擇性，能夠有效地去除這些雜質(zhì)，同時(shí)對(duì)氫氣、一氧化碳等有用氣體的吸收量較小。對(duì)于含有大量二氧化碳的粗煤氣，低溫甲醇洗可以將二氧化碳的含量降低到極低水平。

　　高凈化度：能夠使凈化后的氣體達(dá)到很高的純度，滿足后續(xù)工藝對(duì)氣體質(zhì)量的嚴(yán)格要求�？赏瑫r(shí)脫硫：在脫除二氧化碳的同時(shí)，也能有效地脫除硫化氫等硫化物。溶劑循環(huán)利用：吸收了雜質(zhì)的甲醇通過加熱、減壓等方式進(jìn)行再生，釋放出二氧化碳和硫化氫等雜質(zhì)，實(shí)現(xiàn)甲醇溶劑的循環(huán)使用，降低了運(yùn)行成本。然而，低溫甲醇洗也存在一些缺點(diǎn)，比如：工藝復(fù)雜：需要復(fù)雜的制冷系統(tǒng)來維持低溫條件，設(shè)備投資較大。能耗較高：制冷和溶劑再生過程需要消耗較多的能量。在實(shí)際應(yīng)用中，低溫甲醇洗工藝通常與其他凈化工藝(如變換工藝、脫硫工藝等)相結(jié)合，共同構(gòu)成完整的煤制氫凈化裝置，以獲得高純度的氫氣。

　　(三)PSA (變壓吸附)工藝

　　PSA(變壓吸附)工藝是一種高效的氣體分離和提純技術(shù)，在煤制氫凈化裝置中用于提純氫氣。其工作原理基于吸附劑對(duì)不同氣體組分吸附能力的差異。在壓力較高時(shí)，吸附劑優(yōu)先吸附雜質(zhì)氣體，而讓氫氣通過;在壓力降低時(shí)，被吸附的雜質(zhì)氣體解吸，從而實(shí)現(xiàn)吸附劑的再生和氫氣的提純。PSA工藝通常包含多個(gè)吸附塔，這些吸附塔交替進(jìn)行吸附和解吸操作，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的氫氣提純過程。吸附劑是 PSA 工藝的關(guān)鍵，常用的吸附劑包括活性炭、分子篩等，它們對(duì)氫氣和雜質(zhì)氣體具有不同的吸附能力。例如，活性炭對(duì)二氧化碳、一氧化碳等氣體的吸附能力較強(qiáng)，而對(duì)氫氣的吸附較弱。在吸附階段，粗氫氣進(jìn)入處于高壓狀態(tài)的吸附塔，雜質(zhì)氣體被吸附劑吸附，而純度較高的氫氣從塔頂流出。當(dāng)吸附劑接近飽和時(shí)，切換至降壓解吸階段。解吸過程通過降低壓力來實(shí)現(xiàn)，解吸出的雜質(zhì)氣體被排出系統(tǒng)。經(jīng)過解吸再生后的吸附塔重新升壓，準(zhǔn)備進(jìn)行下一輪吸附。

　　PSA 工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)：產(chǎn)品純度高：可以獲得純度高達(dá) 99.9%以上的氫氣，操作靈活：可以根據(jù)生產(chǎn)需求調(diào)整吸附和解吸的時(shí)間和壓力，適應(yīng)不同的工況，能耗相對(duì)較低：與其他一些凈化工藝相比，在一定程度上降低了能源消耗。然而，PSA 工藝也存在一些局限性：對(duì)進(jìn)料氣的壓力和組成有一定要求。吸附劑需要定期更換或再生，增加了維護(hù)成本�？偟膩碚f，PSA 工藝因其高效、靈活和能獲得高純度產(chǎn)品等優(yōu)點(diǎn)，在煤制氫凈化裝置中得到了廣泛應(yīng)用，為獲取高純度氫氣提供了可靠的技術(shù)手段。

　　四、煤制氫凈化裝置的主要設(shè)備

　　(一)變換爐

　　變換爐是變換工藝中的核心設(shè)備，其內(nèi)部裝填有催化劑，為變換反應(yīng)提供適宜的反應(yīng)條件。

　　(二)脫硫塔和脫碳塔

　　脫硫塔和脫碳塔分別用于進(jìn)行脫硫和脫碳操作，其結(jié)構(gòu)和內(nèi)件設(shè)計(jì)影響著吸收效果和運(yùn)行效率。

　　(三)PSA 吸附塔

　　PSA 吸附塔是實(shí)現(xiàn)氫氣提純的關(guān)鍵設(shè)備，其內(nèi)部裝填有高性能的吸附劑。

　　五、煤制氫凈化裝置的技術(shù)特點(diǎn)

　　(一)高效去除雜質(zhì)

　　通過多種凈化方法的協(xié)同作用，能夠有效地去除粗煤氣中的各種雜質(zhì)，保證氫氣的純度和質(zhì)量。

　　(二)適應(yīng)能力強(qiáng)

　　能夠適應(yīng)不同煤種和制氫工藝產(chǎn)生的粗煤氣，具有較寬的操作范圍和良好的穩(wěn)定性。

　　(三)節(jié)能降耗

　　優(yōu)化的工藝流程和設(shè)備設(shè)計(jì)可以降低能耗，提高能源利用效率。

　　(四)環(huán)保性能好

　　通過對(duì)雜質(zhì)的有效去除，減少了有害氣體的排放，降低了對(duì)環(huán)境的污染。

　　六、煤制氫凈化裝置在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)

　　(一)提高氫氣質(zhì)量

　　滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)�氫氣純度的要求，為燃料電池、化工生產(chǎn)等提供高質(zhì)量的氫氣。

　　(二)降低生產(chǎn)成本

　　通過優(yōu)化工藝和提高設(shè)備運(yùn)行效率，降低了凈化過程的成本，提高了煤制氫的經(jīng)濟(jì)性。

　　(三)增強(qiáng)能源安全

　　豐富了氫氣的來源，有助于減少對(duì)傳統(tǒng)化石能源的依賴，保障能源供應(yīng)安全。

　　七、煤制氫凈化裝置面臨的挑戰(zhàn)

　　(一)雜質(zhì)含量波動(dòng)

　　煤質(zhì)的變化和制氫工藝的不穩(wěn)定可能導(dǎo)致粗煤氣中雜質(zhì)含量的波動(dòng)，增加了凈化裝置的操作難度。

　　(二)設(shè)備腐蝕和磨損

　　氣體中的雜質(zhì)和腐蝕性成分可能對(duì)設(shè)備造成腐蝕和磨損，影響設(shè)備的使用壽命和運(yùn)行可靠性。

　　(三)吸附劑和催化劑的性能優(yōu)化

　　需要不斷研發(fā)和改進(jìn)吸附劑和催化劑的性能，以提高凈化效果和降低成本。

　　(四)環(huán)保要求日益嚴(yán)格

　　隨著環(huán)保法規(guī)的不斷加強(qiáng)，對(duì)凈化裝置的尾氣排放要求更加嚴(yán)格，需要進(jìn)一步提高凈化效率和減少污染物排放。

　　八、結(jié)論

　　煤制氫凈化裝置工藝在煤制氫產(chǎn)業(yè)中起著至關(guān)重要的作用。通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新和優(yōu)化，提高凈化裝置的性能和可靠性，降低成本，減少環(huán)境污染，將為煤制氫產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供有力支撐。未來，隨著氫能應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展和對(duì)氫氣質(zhì)量要求的進(jìn)一步提高，煤制氫凈化裝置工藝將面臨更多的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，需要持續(xù)的研究和投入，以適應(yīng)能源轉(zhuǎn)型和環(huán)境保護(hù)的需求。

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