张雪慧
新疆中泰创新技术研究院 新疆 830022
摘要：随着耗氯产品的增加，改造富余氢气输送工艺流程。工艺优化后，成功解决了氢气中水含量高、氧含量高、能源浪费等一系列难题。
关键词：氯碱富余氢气；回收工艺改造；
前言：为积极响应国家节能减排的号召，神马氯碱发展通过技术改进对氯碱生产全系统的氢气进行回收利用，并实现了跨厂区长距离管道输送外售氢气，为挖潜增效、节能减排的实施奠定了基础。
一、我国氯碱行业副产氢气情况
目前, 国内共有氯碱生产企业二百余家,虽然多数氯碱企业配套建设了聚氯乙烯和盐酸装置, 以利用副产氢气, 但利用率只有百分之六十左右。即每年可富余氢气9.4 万t(105 亿m3) 。氢气是无色无味的气体, 密度为0.069 5 g/cm3,相对分子量2.015 8, 易燃, 并能与许多非金属和金属直接化合。在常温下不活泼, 但在高温时或有催化剂存在时则十分活泼。用于制造合成氨、盐酸、硬化油、合成甲醇、双氧水、燃料电池、精细化工产品等,也用做金属矿的还原剂和做氢气球等。氢是公认的清洁能源, 也是重要的化工原料。氢气的制取都是从一次能源转化而来。它又多以高压气态形式作为燃料或原料, 在长距离输送分配方面相对地存在着一定困难。因此, 氢气用量较大的用户一般建有制氢装置, 而较小规模的用户则采用外购钢瓶盛装的氢气或液氢。
二、氢气的利用
氢气的应用领域很广, 按其用途的不同, 主要可分为以下几个方面。( 1) 用量最大的是作为重要的石油化工原料, 用于生产合成氨、甲醇以及石油炼制过程的加氢反应。由于耗氢量很大, 这些工厂一般都建有自己的产氢装置。而氯碱厂家的平均产氢量相对较小, 很难满足其生产需求。( 2) 在电子工业、冶金工业、食品加工、浮法玻璃、航空航天工业等领域也有应用。氢气在电子工业、冶金工业、浮法玻璃等行业中主要作为还原气体, 也在电子工业中用作燃料。在这些领域, 氢气主要以商品氢形式出售。近年来随着我国电子工业、玻璃行业持续快速发展, 商品氢的需要量越来越大。( 3) 氢气还可开发成高附加值的耗氢精细化工产品。如双氧水、苯胺、环己胺、四氢糠醇等。这些项目投资不大、附加值高, 可作为氯碱企业利用富裕氢气的方向。( 4) 随着氢能应用技术的开发, 氢气还可直接作为电池燃料驱动汽车或加入天然气中作为燃料驱动汽车。氢气燃烧热值高, 其燃烧产物为水, 不会带来环境污染。据估算, 目前全球每年有5 亿～10 亿美元投入到汽车工业的燃料改革计划中。可以预见, 随着清洁能源时代的到来, 氢气的消费潜力无疑是巨大的。综上所述, 氯碱企业回收的氢气除了难于作为石化企业的大宗化工原料之外, 有着广阔的应用前景。
三、氯碱富余氢气回收工艺改造
1.氢气提纯、输送技术。为避免氢气资源的浪费，对聚合转化系统精馏尾气中氢气通过变压吸附技术进行回收，重新返回氯化氢合成系统利用; 由于氢气中水含量、氧含量高，不能满足用氢客户需求，技术人员通过与其他厂家技术交流、大量查阅相关资料，并利用生产中积累的相关经验，实施了氢气干燥、脱氧技术改造; 为满足氢气远距离安全稳定输送，进行氢气输送系统技术改进( 如输送管道、升压机的选型，安全连锁实施) ，确保氢气输送的安全平稳进行。
精馏尾气回收氢气氯乙烯精馏系统尾气经变压吸附回收氯乙烯和乙炔后，排空的气体组分为微量氯乙烯和乙炔，氢气体积分数占排空气体的70%左右，其余为氮气。通过增加1 套变压吸附装置回收精馏尾气中的氢气，精馏系统的排空尾气压力在0． 45 MPa，常温下进入5 台吸附塔、缓冲罐和一系列程控阀门等组成的PSA － H2系统，除氢气以外的所有杂质组分都被吸附剂吸附，氢气则穿过吸附床层从塔顶排出，通过调整吸附时间，可灵活调整出口氢气产品体积分数，最高可达99． 99%以上。氢气干燥由于氢气中水含量大，且氯碱产氢气特有的碱含量大，制约了外售氢气的质量，也限制了一部分干燥工艺和干燥介质的选用。技术人员通过查阅技术资料，了解氢气干燥工艺，选择耐碱腐蚀的干燥剂。同时结合生产实际，采用等压变温吸附的氢气处理工艺，变温吸附优点是再生气用量小，且可以回收利用，处理后的氢气含水体积分数小于6 × 10 － 5。氢气除氧氢气中微量氧脱去的常规方法是催化脱除法，即微量氧气在催化剂的作用下与氢气反应生成水，达到降低氧含量的目的。催化脱氧多数是高温下进行，且一般脱氧器放置在干燥器前，以便生成的水不影响产品气水含量。为提高氢气质量，满足客户需求，确保系统安全，结合原料氢气中水、氧含量以及成品氢气指标进行终合考虑，最终决定将脱氧器放置在干燥器后，采用高效催化剂常温状态下催化反应除氧，氢中含氧体积分数由0． 017%降至0． 01%以下。 氢气输送氢气外售输送装置的建设，主要是指升压机选型及输送管道的建设。输送管道根据外售客户的要求，氢气输送压力不低于0． 65 MPa。得到氢气管道应采用DN125 管道。随着产品结构调整战略实施，发展多种耗氯产品后，氢气富余量将进一步增多，管道和输送设备的输送能力按照5 000 m3 /h 进行设计，决定氢气输送管道采用DN200 碳钢管。氢气升压机选氢气升压机是氢气输送的核心装置之一，设备运行的稳定性、安全性直接决定氢气输送的安全稳定。根据生产需要，氢气升压机的选型是关键，单台升压机处理能力的选择，既要满足最大量生产，又要能维持低负荷运转，达到节能的目的。氢气输送连锁装置氢气输送的安全性依赖于先进技术的运用，采用安全有效的氢气输送装置安全连锁设置，尤其重要。设计连锁应能处理以下紧急情况: ①电解单线跳停; ②电解两条线跳停; ③氢气外售单位跳停; ④升压机单台跳停; ⑤升压机全部跳停。针对以上应急处理紧急情况，为确保低压氢气系统稳定，包括缓冲罐和氢气分配台处氢气压力，设计了1 套稳定压力措施。(1) 入口管线上设缓冲罐，减少氢气受到分配台压力波动的影响。(2) 设置系统大回流管至缓冲罐入口，避免泵前压力过低，回流压力值设置为87 kPa( 取压点在缓冲罐)。( 3) 分配台至缓冲罐管线上设置单向阀，防止高压气体回流至低压系统。( 4) 缓冲罐顶部设置放空自控阀，防止泵前压力过高。
2.氢气提纯、输送工艺。氢气干燥: 界区外的含氢混合气体( 简称原料气) ，以压力0． 8 MPa、温度40 ℃进入界区，自下而上经过干燥塔，将气体中水分脱除，经精密过滤器后，产品氢气以稳定的压力管输出界区。氢气除氧: 干燥的原料氢气从脱氧塔底部进入，穿过催化剂床层。在催化剂作用下，微量氧与氢气反应生成水，水随氢气一起从脱氧塔顶部排出。脱氧塔设有旁路，控制氢中含氧体积分数低于0． 01%。氢气输送氯氢处理装置的富余氢气经自动切断阀进入氢气缓冲罐，压力稳定后分别进入3 台氢气压缩机，氢气经过压缩机组二级压缩后压力由80 kPa 升至760 kPa，经冷却后氢气进入气液分离器，除去大部分水后进入干燥器; 氢气在干燥器内经过除水干燥后的氢气进入除氧器，除去微量氧输送至下游工序。
结束语：氢气的回收不但可以增加氯碱企业的经济效益, 随着清洁能源时代的到来, 还可以取得很好的社会效益, 最终实现经济效益、社会效益双赢局面。
参考文献：
［1］ 时钧． 化学工程手册［M］． 北京: 化学工业出版社，2019．
［2］王利，吴建杨． 液氯汽化节能工艺的优化［J］． 中国氯碱，2019( 11) : 24 － 27．