焦炉煤气制氢系统培训（工程师培训）

培训资料名称：焦炉煤气制氢系统培训（工程师培训）所属班组：xx汇报人：xx焦炉煤气制氢系统制氢站的重要性氢气在冷轧生产中主要是作为保护气体，连退和镀锌轧线的第一步就是钢板进入加热炉加热升温，为轧制做准备，为了防止钢板的氧化，在连退炉中加热时保证5%的氢含量，与氧反应。镀锌炉中加热时与氮气混合，同样与氧反应，防止氧化，保证钢板质量。制氢站主要是为冷轧提供氢气，如果氢气的生产停顿，将直接影响冷轧加热炉，加热炉如果停气、欠压，会直接停炉，影响后续的生产工艺，给生产带来直接损失，氢气的纯度不够也会影响钢板的加热时间，导致钢板质量不达标，有次品出现。作为主流程的辅助设施，制氢站关乎着冷轧的生产，是重中之重，从安全角度，制氢比制氧的危险性有过之而无不及。制氢维护作为制氢的维护人员，我们深感其重要性和危险性，氢气的提纯技术是获得国家专利的，且工艺控制复杂，程序采用SCL编程，由于一步交工时技术保密，程序未交工，二步时，从利于生产维护的角度，厂家给出了SCL的源程序，但其解读困难，如300#工艺采用循环调用，SCL又不能像梯形图那样直接监视，如果其出现问题，整个工艺会停下来，影响生产，这时程序的故障排除十分重要。由于不能对这些故障进行准确判断，影响故障的处理时间，因此搭建实验平台，模拟现场故障，做到防范于未然，对其进行立项解读研究，对维护工作十分必要。对SCL编程的掌握不是太熟悉，日常维护中加点、改点，很容易造成程序内部故障，对其运行结果不能预估，容易出现问题。项目定位掌握焦炉煤气制氢的生产工艺、生产设备及自动化控制思想、系统程序架构、程序连锁关系，进一步提高维护人员的技术水平和处理故障的能力，出色完成制氢站的维护任务。钢铁厂一期建设规模为904.3万t/a（钢坯），各工序生产规模为：铁水898.15万t/a，烧结矿1093.40万t/a、焦炭416.44万t/a万、球团400t/a万t/a、钢坯904.3万t/a、冷轧产品465.00万t/a。为满足冷轧用氢气要求，在一冷轧东侧建焦炉煤气制氢站一座，共设计两套制氢装置，每套为1000NM3/h。一步压缩机压缩能力1200M3/h，二步压缩能力1350M3/h。

制氢站由焦炉煤气压缩、预处理、变压吸附、脱氧干燥、氢气储存、氢气灌装、气体检测和分析、自动化控制系统、供配电系统等单元组成，制氢站介绍焦炉煤气的组分名

称单

位参

数名

称单

位参

数密度kg/m3～0.45CmHn%1.0～3.0CO%5.5～7.0O2%0.3～0.7CO2%1.9～2.4N2%2～12H2%56.0～59.0温

度℃10～40CH4%23.0～26.0含H2O量饱和

焦炉煤气的组分中H2占到了总成分的近60%，脱出剩余的氧，氮，二氧化碳，烃类等组分，得到纯净的氢气，满足冷轧的用气要求。hydrocarbon烃，是仅由碳和氢两种元素组成的有机化合物称为碳氢化合物，又叫烃。

焦炉煤气是焦炉炼焦过程中产生的荒煤气经过焦化的脱硫脱奈（粗脱），经过风机送入焦炉煤气管网，压力稳定在7Kpa。管网的焦炉煤气经过燃气厂的电捕焦油器和焦炉煤气精制，进一步脱硫脱奈（精脱），进入800煤气加压机，压力增加到18至32Kpa。经管道送往冷轧和制氢。基本名词解释再生的基本方法吸附剂常用的气体分离方法三种提纯方法的比较PSA工艺原理

吸附剂在一定温度下或一定的温度变化范围内具有：对不同的气体组分吸附容量不同的特性；吸附剂的吸附容量随气体压力的升高而增大，随气体压力的降低而减少的特性；利用这一特性，在较高压力下吸附剂床层对气体混合物进行吸附，容易吸附的组分被吸附剂吸附，不易吸附的组分从床层的一端流出，当吸附达到一定程度时，降低吸附剂床层的压力，使被吸附的组分脱附出来，从床层的另一端排出，从而实现了气体的分离与净化，同时也使吸附剂得到了再生，该工艺被称为变压吸附工艺（PressureSwingAbsorption，缩写为PSA）。

变压吸附工艺的优点是压力变化快，循环周期短。因而吸附剂的利用率高，适合大气量多组分气体的分离。但通常在PSA工艺中吸附剂床层压力即使降至常压，被吸附的杂质也不能完全解吸，这时可采用两种方法使吸附剂完全再生：一种是用产品气对床层进行“冲洗”，将较难解吸的杂质冲洗下来，其优点是在常压下即可完成，不再增加任何设备，但缺点是会损失产品气体，降低产品气的收率；另一种是利用抽真空的办法进行再生，使较难解吸的杂质在负压下强行解吸下来，这就是通常所说的真空变压吸附(VacuumPressureSwingAbsorption,缩写为VPSA)。VPSA工艺的优点是再生效果好，产品收率高，但缺点是需要增加真空泵。在实际应用过程中，究竟采用以上何种工艺，主要视原料气的组成条件、流量以及工厂的资金和场地等情况而决定。由于本装置吸附的是各种烃类杂质，原料充足，同时吸附压力较高，对氢气回收率要求不很高，因而本装置采用常压冲洗再生（PSA）流程。对焦炉煤气而言，一方面由于原料气压力较低，需对煤气加压到一定压力，另一方面由于煤气中含有焦油、萘、H2S、氨及重烃组份，在焦炉煤气进入PSA制氢前需进行预处理以除去上述杂质。TSA原理

变温吸附的基本原理是利用吸附剂对不同组分的吸附容量随温度的不同而有较大差异的特性，在吸附剂选择吸附的条件下，常温吸附原料气中的高沸点杂质组分，高温脱除这些杂质，使吸附剂得到再生。TSA系统由2个吸附塔（A、B）组成，运行时一塔始终处于吸附状态，而另一塔始终处于再生状态，两塔交替操作，以保证连续净化原料气。首钢京唐焦炉煤气制氢工艺流程为了工程管理的方便，将焦炉煤气PSA制氢的工艺流程分为压缩工序（100#）预处理工序（200#）、变压吸附工序（300#）和氢气精制工序（400#）组成。分别介绍如下。压缩单元（100#）预处理工序（200#）来自煤气压缩工序一级压缩后的焦炉煤气在～0.22MPa(G)进入由两台过滤器、两台预处理塔、1台解吸气加热器和1台解吸气缓冲罐组成的变温吸附（TSA）预处理系统。解吸气

预处理原料气

压

缩PSA工序

除

油产品氢

干

燥

脱

氧

TSA经压缩机一级压缩后的煤气自预处理塔底进入预处理塔，在预处理塔内的吸附剂将选择性吸附煤气中萘、焦油、HCN（氰化氢，又称山埃）、H2S及其它芳香族化合物，然后经2台过滤器除去煤气中的游离焦油及灰尘。

当预处理器吸附萘及焦油和NH3（氨）、H2S及其它芳香族化合物饱和后即转入再生过程，为达到连续生产的目的，本装置由两台预处理塔组成，一台吸附塔处于吸附状态，另一台吸附塔则处于解吸再生状态，两塔交替进行吸附和再生，达到连续生产的目的。预处理塔的再生过程包括如下几过程：

b加热脱附杂质用300#变压吸附工序副产的解吸气经加热至约150℃后逆着吸附方向吹扫预处理塔吸附床层，使在预处理塔吸附剂上吸附的萘、焦油、NH3、H2S及其它芳香族化合物在加温并冲洗下得以完全脱附再生，再生后的解吸送出界区。a

预处理塔降压预处理塔逆着吸附方向，即朝着入口端卸压，使预处理塔压力由0.22Mpa（G）降到约0.02Mpa（G），卸压气体排经解吸气管道排出界区。c冷却吸附剂脱附完毕后，停止加热再生气，此时吸附剂床层的温度较高，吸附杂质的容量较低，为达到较好吸附杂质的目的，须将吸附剂的温度降低；吸附剂的降温是继续用变压吸附工序的解吸气逆着预处理塔进气方向吹扫预处理吸附剂床层，使之冷却至常温。吹冷后的解吸气送出界区。净化后的煤气经一台过滤器后返回到煤气压缩机二级入口进行二级和三级压缩，使其压力升至~1.7MPa（G），压缩后的煤气送至下一工序——变压吸附工序（300#）。

d预处理塔升压用脱去萘等杂质后的净化煤气逆着吸附方向缓慢地将预处理塔加压至预处理塔的压力，至此预处理器就又可以进行下一次吸附了。变压吸附预处理主要操作参数吸附压力0.22Mpa（G）吸附温度常温解吸压力0.02Mpa（G）解吸温度150~

本装置变压吸附（PSA）工序采用5-1-3（共5塔，1塔吸附，3次均压）PSA工艺，即装置由五个吸附塔组成，其中一个吸附塔始终处于进料吸附状态，其工艺过程由吸附、三次均压降、顺放、逆放、冲洗、三次均压升和产品最终升压等步骤组成。

变压吸附工序（300#）具体工艺过程如下：经过预处理后的焦炉煤气自吸附塔底进入吸附塔中正处于吸附工况的某一台吸附塔，在吸附剂选择吸附的条件下一次性除去氢以外的绝大部分杂质，获得纯度大于99.9%的粗氢气，从塔顶排出送净化工序。

当被吸附杂质的传质区前沿(称为吸附前沿)到达床层出口预留段某一位置时，停止吸附，转入再生过程。吸附剂的再生过程依次如下：a.均压降压过程这是在吸附过程结束后，顺着吸附方向将塔内的较高压力的氢气放入其它已完成再生的较低压力吸附塔的过程，这一过程不仅是降压过程，更是回收床层死空间氢气的过程，本流程共包括了三次连续的均压降压过程，以保证氢气的充分回收。

b.顺放过程在均压回收氢气过程结束后，继续顺着吸附方向进行减压，顺放出来的氢气放入顺放气缓冲罐中混合并储存起来，用作吸附塔冲洗再生气源。此时吸附剂的杂质前沿已达到吸附塔的出口。

c.逆放过程在顺放结束、吸附前沿已达到床层出口，逆着吸附方向将吸附塔压力降至接近常压，此时被吸附的杂质开始从吸附剂中大量解吸出来，解吸气送至解吸气缓冲罐用作预处理工序的再生气源。

d.冲洗过程逆放结束后，为使吸附剂得到彻底的再生，用顺放气缓冲罐中储存的氢气逆着吸附方向冲洗吸附床层，进一步降低杂质组分的分压，使杂质解吸出来。冲洗再生气也一并送至解吸气缓冲罐用作预处理工序再生气源。

e.均压升压过程在冲洗再生过程完成后，用来自其它吸附塔的较高压力氢气依次对该吸附塔进行升压，这一过程与均压降压过程相对应，该过程不仅是吸附塔升压过程，而且也是回收其它吸附塔的床层死空间氢气的过程，本流程共包括了连续三次均压升压过程。

f.产品气升压过程三次均压升过程完成后，吸附塔内的压力还未达到吸附压力，为了吸附塔平稳地切换至下一次吸附并保证氢气纯度和压力在这一过程中不发生波动，需要通过升压调节阀缓慢而平稳地用产品氢气将吸附塔压力升至吸附压力。

经这一过程后吸附塔便完成了一个完整的“吸附-再生”循环，又为下一次吸附做好了准备。

五个吸附塔交替进行以上的吸附、再生操作(始终有一个吸附塔处于吸附状态)即可实现气体的连续分离与提纯。

为了减少逆向降压中的氢气损失，获得较高的氢气回收率，本装置采用五塔三次均压变压吸附过程，即每个吸附塔在一次循环中均需经历吸附（A）、一均降（E1D）、二均降（E2D）、三均降（E3D）、顺放（PP）、逆放（D）、冲洗（P）、三均升（E3R）、二均升（E2R）、一均升（E1R）和最终升压（FR）等十一个步骤，五塔三均变压吸附工艺步骤见下表（其中顺放气罐的I表示气体流进，O表示气体流出）：床

号变

压

吸

附

工

艺

步

骤123456789101112131415TAE1DE2DE2DE3DPP/DPE3RE2RE2RE1RFRFRT301BE1RFRFRAE1DE2DE2DE3DPP/DPE3RE2RE2RTE3RE2RE2RE1RFRFRAE1DE2DE2DE3DPP/DPT301DE3DPP/DPE3RE2RE2RE1RFRFRAE1DE2DE2DTE1DE2DE2DE3DPP/DPE3RE2RE2RE1RFRFRAV301IOIOIOIOIO塔号周期T1T2T3T4T5T6T7T8T9ABCDEAAAAAAAAABCDEAE1RE1RFRFRFRFRFRFRFRCDEABE3RE3RE3RE2RE2RE2RE2RISISDEABCE3DE3DE3DD1D1D2D2PPEABCDE1DE1DE1DE2DE2DE2DE2DPPPP一均降对应一均升二均降对应二均升三均降对应三均升顺放对应冲洗ABCDE

300#工艺是制氢工艺重点，从工艺看并不是很复杂，其一塔吸附，4塔再生，再生过程要经过3次均压升降，冲洗逆放等步骤。但程序控制却十分繁复，程序中只有简单的两个功能块，但却同时控制30个电动阀和2个调节阀，因此将300#控制程序块的解读，作为本次立项研究的重点，总结300#的控制算法，尽量写出程序的每步运行的结果，总结实际的运行状态，提高解决问题的能力。变压吸附制氢主要操作参数（满负荷时）序号步

骤压力（MPaG）时间（S）1吸附（A）1.71802一均降（E1D）1.7→1.28603二均降（E2D）1.28→0.861204三均降（E3D）0.86→0.44605顺放（PP）0.44→0.1206逆放（D）0.1→0.02407冲洗（P）0.1→0.02608三均升（E3R）0.02→0.44609二均升（E2R）0.44→0.8612010一均升（E1R）0.86→1.286011终升（FR）1.28→1.7120氢气精制工序（400#）从变压吸附（PSA）工序来的氢气是含有少量氧气的粗氢气，纯度尚达不到要求，需要净化。粗氢气净化是首先进入常温脱氧塔，在其中装填的新型常温脱氧催化剂的催化下，氢气中微量的氧和氢反应生成水，然后经冷却器冷却至常温，再进入由两个干燥塔、一个预干燥塔、1台分液罐、一台加热器和一台冷却器等组成的等压再生干燥工序（TSA）。经干燥后的产品氢即可达到纯度99.999%、其中O2́≤5ppm、露点低于-65℃的要求。

等压TSA干燥系统的工艺过程如下：脱氧后的氢气首先经流量调节回路分成两部分。其中一部分直接去干燥塔，干燥塔装填的干燥剂将氢气中的水分吸附下来，使氢气得以干燥。在一台干燥塔处于干燥的状态下，另一台干燥塔处于再生过程，两塔交替进行干燥和再生，达到连续生产的目的。干燥塔的再生过程包括加热再生和干燥床层冷却两个步骤。在加热再生过程中，一部分再生氢气首先经预干燥塔进行干燥，然后经加热器升温至约150℃后自需要再生的干燥塔底部冲洗其吸附床层，使干燥剂温度升高并将其中的水分解吸出来，同时将解吸出来的水分冲洗出干燥塔，自干燥塔出来的再生气经冷却和分液后与氢气进入干燥器入口总管汇合，并一起去干燥塔进行干燥。

在干燥床层冷却过程中，再生氢气直接自处于再生状态的干燥塔顶部进入，将干燥塔温度逐渐降至常温，再经加热器加热后去预干燥塔，对预干燥塔中的干燥剂进行加温脱附其中的水分，使干燥塔得以再生，再生气经冷却和分液后与氢气入干燥器总管汇合。为提高装置的可靠性和在线处理事故的能力，所有处理塔和吸附塔均设计隔断阀，可对单塔进行在线隔离检修，脱氧塔、除油器等设备也设有工艺隔断阀和旁通管线，可独立在线检修。氢气精制主要操作参数脱氧温度常温脱氧压力1.65Mpa（G）吸附干燥压力1.65Mpa（G）吸附干燥温度常温干燥剂再生压力1.65Mpa（G）干燥剂再生温度150~

顺序控制制氢装置的顺序控制功能要求对全部程控开关阀进行可靠的开关控制，保证各程控开关阀按照工艺给定的条件和顺序开关，实现PSA制氢和煤气净化装置的正常切换工作。

计算机可随时监控、显示所有程控阀的动作情况，并可对程控阀故障进行自动报警和联锁处理。顺序控制功能还可实现多种切塔和恢复的控制，运行多套程序。制氢的技术要点

自适应随动控制对于影响吸附效果的关键调节回路：产品气升压回路和冲洗控制回路采用自适应随动控制，可使产品气升压过程和冲洗过程能随着其它吸附参数自动调整，始终符合工艺的理想调节曲线。

联锁控制控制系统的联锁控制实现：压缩机故障时的自动保护，吸附塔故障时的自动联锁切除，压缩机或系统超压时自动联锁放空与保护，系统超温或燃气泄漏时的安全联锁等。

京唐制氢所用的吸附剂一览表本装置需要装填填料的设备有两台预处理器T201A、B，吸附塔T301A~E，脱氧塔T401，干燥塔T402A、B，预干燥塔T403，等设备。

序号名

称型号或规格形状一次装入量t(m3)预期寿命(年)装填位置1瓷球φ30球状0.4(0.2)3预处理塔2C40吸附剂φ40不定型4.0（8.0）1预处理塔3活性炭HXBC-30Dφ3～5柱状5.0（9.4）2预处理塔4A-ASφ3～5球状2.0（3.0）3预处理塔和吸附塔底部5硅胶HXSI-01φ2～4球状1.0(1.3)20吸附塔底部6专用活性炭HXBC-15Bφ1.5～2柱状8.0（13）20吸附塔中部7分子筛HX-98Hφ2～3球状38（50）20吸附塔顶部8钯催化剂HC-01φ2～3球状15脱氧塔9硅胶φ2～3球状1.020干燥和预干燥塔底1013X吸附剂φ2～3球状1.020干燥和预干燥塔顶京唐制氢的自动控制系统

制氢站采用了西门子414H冗余PLC，上位软件WinCC6.2SP2AISA版，用1613与PLC通讯。SCL编程语言现场仪表介绍西门子MAXUMII色谱分析仪

1999年,Siemens和AppliedAutomation公司这两家各自在工业色谱领域拥有40年生产及应用经验的业界佼佼者宣布合并。

集两家之所长，SiemensAppliedAutomation隆重地推出了新一代工业色谱仪-MaxumTMEditionII。这种色谱仪是数十年业内应用经验和技术发展的结晶，它在软硬件功能，系统灵活性及可靠性等诸多方面，在业界都居于领先地位。

MaxumTMEd.II工业色谱可用在精细化工，石油炼制、石油化工及其他工业行业的所有领域。它可对工艺流程各阶段中的气体和液体化学组成进行分析。该色谱可安装在恶劣环境中（1区或2区防爆场合）直接进行在线分析或是安装在过程分析实验室里进行离线分析。硬件组成电器单元：系统控制器

(SYSCON)、电子传感器(SNE)、检测器模块(DPM)、电源输入控制模块(PECM)、固态继电器模块(SSR)、电磁阀控制模块(SVCM)、电子压力控制模块(EPCM)、配线板(WDB)、电源系统模块(PSM)。其中系统控制器(SYSCON)内包含了I/O和通讯系统。恒温单元：加热器及温度检测器、高效色谱柱、检测器（TCD,FID,FPD）、取样阀和柱切阀、甲烷转化器等。辅助单元：载气供给，仪表风供给，标气供给等。样品预处理系统：现场取样一次阀、汽化器、样品阀，减压阀，过滤器，流量计，流路切换阀等。软件组成MaxumSystemManager软件系统总管。能打开分析器的数据库，可修改内部设定，查看成绩和报警等。Maxum

EZChrom对色谱的谱图和方法进行查看与编辑MaxumUtilities软件升级、系统运行记录、数据库更新和下载、Mobus表更新与下载MMI人机接口仿真AMD文件、分析方法、组份谱图等备份。费希尔直行程阀门执行机构及定位器—DVC5000/DVC6000系列智能阀门定位器开封仪表厂电磁流量计制氢300#成分分析系统配置图微水分析仪微氧分析仪金属管浮球流量计罗斯蒙特系列变送器通过以上的工艺介绍，技术难点的分析，我们需要搭出实验平台，实际仿真程序的运行，模拟各种出现的故障，先将需要的设备列表写出如下搭建实验平台信号隔离器MINIMCR-SL-PRS-I-I菲尼克斯块50接线端子UT2.5带导轨菲尼克斯个150输出端子式继电器菲尼克斯块100上位机操作系统Winsowsxpsp2中文版微软套1Winsows2000sp4中文版微软套2上位机1450RAB台1序号名称订货号数量400H部分

1UR2-H机架6ES7400-2JA00-0AA012PS407电源10A6ES7407-0KR02-0AA023CPU414-4（冗余）6ES7414-4HJ04-0AB024CP443-16GK7443-1EX11-0XE025RAM/2M6ES7952-1AL00-0AA026新同步模块6ES7960-1AA04-0XA047新同步电缆1m6ES7960-1AA04-5AA028备用电池6ES7971-0BA004ET200M

9有源导轨/530MM6ES7195-1GF30-0XA0410IM153-2冗余组6ES7153-2AR02-0XA0411PS3075A6ES7307-1EA00-0AA0412DI/3224VDC（40.1）6ES7321-1BL00-0AA0113DI/1624VDC（20。1）6ES7321-1BH02-0AA0414DO/16220VAC（20.1）6ES7322-1HH01-0AA0315DO/1624VDC（20.1）6ES7322-1BH01-0AA0214AI/8通用型（20.1）6ES7331-7KF02-0AB01415AO/8通道（40.1）6ES7332-5HF00-0AB0216AI/8RTD(40.1)6ES7331-7PF01-0AB061620针前连接器6ES7392-1AJ00-0AA0231740针前连接器6ES7392-1AM00-0AA0918SM总线模块/406ES7195-7HB00-0XA020软件及附件

19STEP7V5.4+WINCCSP2+SCL6ES7810-4CC08-0YA5120PC/MPI卡6ES7972-0CA23-0XA0121下载电缆6ES7901-1BF00-0XA0122CP16136GK1161-3AA01123S7-1613冗余驱动6GK1716-0HB63-3AA0124PROFIBUS电缆6XV1830-0EH100