一种钢铁厂富氢气体综合回收利用的方法和系统与流程

1.本发明涉及氢气回收利用领域，具体地，涉及一种钢铁厂富氢气体综合回收利用的方法和系统。


背景技术：

2.随着钢铁企业产品结构的不断优化和冷轧产能大型化，对氢气的需求量也是越来越大，现阶段钢铁厂的氢气用于直接还原铁、炼焦过程和冷轧车间的退火过程等，在氢气生产和利用过程中会产生大量的制氢psa解析气、富氢焦炉煤气和富氢退火气等。目前，大部分的钢铁厂都将富氢尾气直接作为燃料使用。由于氢气的热值仅约为甲烷热值1/3，因此富氢尾气作为燃料利用造成了极大的资源浪费。现阶段部分进行富氢尾气回收的钢铁厂仅采用psa或psa 膜的耦合工艺形式对焦炉煤气单一尾气进行回收利用，存在产品单一，装置利用率地，回收成本高的问题。


技术实现要素：

3.本发明为了降低钢铁厂中氢气回收成本，提高装置利用率，提供了一种能够对炼钢厂中的氢气进行综合回收利用的方法和系统。
4.为了实现上述目的，本发明提供一种钢铁厂富氢气体综合回收利用的方法，所述方法包括：
5.s1：使来自炼焦系统的焦炉煤气进入第一膜分离组件进行第一膜分离，得到第一渗透气和第一渗余气；使所述第一渗透气进入制氢psa进行氢气提纯，得到氢气产品和制氢psa解析气；使所述制氢psa解析气返回第一膜分离组件进行所述第一膜分离；
6.s21：当来自退火系统的退火气中氢气浓度不高于所述第一膜分离组件的进料氢气浓度时，使所述退火气进入第二膜分离组件进行第二膜分离，得到第二渗透气和富氮气体产品；使所述第二渗透气进入第一膜分离组件进行所述第一膜分离；并且/或者，
7.s22：当来自退火系统的退火气中氢气浓度不高于30vol％时，将所述退火气作为富氮气体产品；
8.s3：当所述退火气中氢气浓度高于所述第一膜分离组件的进料氢气浓度时，使所述退火气进入第一膜分离组件进行所述第一膜分离；
9.s4：当所述退火气中氢气浓度高于所述第一膜分离组件渗透侧的出料氢气浓度时，使所述退火气进入制氢psa进行所述氢气提纯。
10.本发明的方法和系统根据第一膜分离组件进料及渗透侧出料中氢气浓度与退火气中氢气浓度的差异，灵活地改变退火气在回收过程中的进料位置，并将回收过程中产生的氢气、氮气、燃料气进行循环利用，实现了炼钢厂退火气、焦炉煤气、制氢psa解析气中氢气的综合回收利用，提高了装置利用率、氢气及氮气回收率，最大程度节约了资源；而且，由于膜组件具有制备成本低、能耗低、占地面积小、易耦合等特点，极大地程度优化了钢铁厂多股富氢气体综合回收利用的操作和降低了装置总投资。
11.本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
12.附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
13.图1是本发明一种具体实施方式中钢铁厂富氢气体综合回收利用的流程示意图。
14.附图标记说明
[0015]1‑
1、阀门
ꢀꢀꢀ1‑
2、阀门
ꢀꢀꢀ1‑
3、阀门
ꢀꢀꢀ1‑
4、阀门
[0016]2‑
1、压缩机
ꢀꢀꢀ2‑
2、压缩机
ꢀꢀ2‑
3、压缩机
ꢀꢀꢀ3‑
1、预处理装置
[0017]3‑
2、预处理装置
ꢀꢀ3‑
3、预处理装置
ꢀꢀ4‑
1、第一膜分离组件
[0018]4‑
2、第二膜分离组件
ꢀꢀꢀ4‑
3、第三膜分离组件
具体实施方式
[0019]
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
[0020]
在本发明中，在未作相反说明的情况下，术语“第一、第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一、第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
[0021]
如图1所示，本发明第一方面提供一种钢铁厂富氢气体综合回收利用的方法，该方法包括：s1：使来自炼焦系统的焦炉煤气进入第一膜分离组件4
‑
1进行第一膜分离，得到第一渗透气和第一渗余气；使第一渗透气进入制氢psa进行氢气提纯，得到氢气产品和制氢psa解析气；使制氢psa解析气返回第一膜分离组件4
‑
1进行第一膜分离；s21：当来自退火系统的退火气中氢气浓度不高于第一膜分离组件4
‑
1的进料氢气浓度时，使退火气进入第二膜分离组件4
‑
2进行第二膜分离，得到第二渗透气和富氮气体产品；使第二渗透气进入第一膜分离组件4
‑
1进行第一膜分离；并且/或者，s22：当来自退火系统的退火气中氢气浓度不高于30vol％时，将所述退火气作为富氮气体产品；s3：当退火气中氢气浓度高于第一膜分离组件4
‑
1的进料氢气浓度时，使退火气进入第一膜分离组件4
‑
1进行第一膜分离；s4：当退火气中氢气浓度高于第一膜分离组件4
‑
1渗透侧的出料氢气浓度时，使退火气进入制氢psa(变压吸附)进行氢气提纯。
[0022]
本发明的方法根据第一膜分离组件进料及渗透侧出料中氢气浓度与退火气中氢气浓度的差异，灵活地改变退火气在回收过程中的进料位置，并将回收过程中产生的氢气、氮气、燃料气进行循环利用，实现了炼钢厂退火气、焦炉煤气、制氢psa解析气中氢气的综合回收利用，提高了装置利用率、氢气及氮气回收率，最大程度节约了资源；而且，由于膜组件具有制备成本低、能耗低、占地面积小、易耦合等特点，极大地程度优化了钢铁厂多股富氢气体综合回收利用的操作和降低了装置总投资。
[0023]
通常情况下，制氢psa解析气中氢气浓度较低(约10vol％
‑
30vol％)，为了避免将该部分气体直接引入膜分离组件造成进膜混合气中氢气浓度的降低，以及工艺波动等不利影响和氢气分离成本的增加，在根据本发明的一种进一步地实施方式中，如图1所示，可以采用第三膜分离组件4
‑
3对制氢psa解析气进行预提纯后，将渗透气进入第一膜分离组件4
‑
1进行所述第一膜分离，将渗余气进入燃料气管网。
[0024]
本发明对于来自炼焦系统的焦炉煤气、来自退火系统的退火气的组成以及氢气浓度没有限制，可以为本领域的常规选择，例如，一种具体实施方式中，来自炼焦系统的焦炉煤气的组成可以为氢气30vol％
‑
70vol％，优选为40vol％
‑‑
60vol％，一种具体实施方式中，焦炉煤气的组成可以为氢气30vol％
‑
70vol％、一氧化碳0.00001vol％
‑
20vol％、二氧化碳0.00001vol％
‑
20vol％、氧气0.1vol％
‑
10vol％、甲烷0.01vol％
‑
40vol％、氮气0.01vol％
‑
10vol％、c2 0.01vol％
‑
30vol％；来自退火系统的退火气的组成可以为氢气1vol％
‑
99vol％，一种具体实施方式中，来自退火系统的退火气的组成可以为氢气1vol％
‑
99vol％、氮气1vol％
‑
99vol％。焦炉煤气和退火气的进料流量可以根据不同的处理规模进行选择，本发明不做限制。
[0025]
为了实现回收过程中产品气的循环利用，如图1所示，可以使步骤s1中第一膜分离组件4
‑
1产生的第一渗余气进入燃料气管网，使制氢psa产生的氢气产品进入氢气管网；可以使步骤s2中产生的富氮气体产品返回退火系统，以重复利用氮气。其中，第一渗余气中氢气浓度可以为1vol％
‑
70vol％，优选为5vol％
‑‑
15vol％，氢气产品中氢气浓度可以为80vol％
‑
99.999vol％，优选为98vol％
‑
99.9vol％，富氮气体产品中氮气浓度为80vol％
‑
99.999vol％。
[0026]
在根据本发明的一种实施方式中，步骤s1中，第一膜分离的条件包括：温度为20
‑
150℃，优选为70
‑
90℃，压力为0.5
‑
20.0mpa，优选为2.0
‑
3.0mpa；制氢psa中氢气提纯的条件包括：温度为10
‑
300℃，优选为30
‑
120℃，压力为0.1
‑
20mpa，优选为1.0
‑
3.0mpa；步骤s2中，第二膜分离的条件包括：温度为20
‑
150℃，优选为60
‑
90℃，压力为0.5
‑
20mpa，优选为2.0
‑
3.0mpa。
[0027]
如图1所示，本发明第二方面提供一种采用本发明第一方面的方法进行钢铁厂富氢气体综合回收利用的系统，该系统包括：焦炉煤气入口、退火气入口、第一膜分离组件4
‑
1、第二膜分离组件4
‑
2和制氢psa；焦炉煤气入口与第一膜分离组件4
‑
1的入口连通，第一膜分离组件4
‑
1的渗透侧出口与制氢psa的入口连通，制氢psa的解析气出口与第一膜分离组件4
‑
1的入口连通；退火气入口与第二膜分离组件4
‑
2的入口可开闭地连通，第二膜分离组件4
‑
2的渗透侧出口与第一膜分离组件4
‑
1的入口连通；并且/或者，退火气入口与退火系统的富氮气体入口连通；退火气入口与第一膜分离组件4
‑
1的入口可开闭地连通；退火气入口与制氢psa的入口可开闭地连通。
[0028]
本发明的系统根据第一膜分离组件进料及渗透侧出料中氢气浓度与退火气中氢气浓度的差异，灵活地改变退火气在回收过程中的进料位置，并将回收过程中产生的氢气、氮气、燃料气进行循环利用，实现了炼钢厂退火气、焦炉煤气、制氢psa解析气中氢气的综合回收利用，提高了装置利用率、氢气及氮气回收率，最大程度节约了资源；而且，由于膜组件具有制备成本低、能耗低、占地面积小、易耦合等特点，极大地程度优化了钢铁厂多股富氢气体综合回收利用的操作和降低了装置总投资。
[0029]
为了避免将制氢psa解析气直接引入膜分离组件造成混合气中氢气浓度的降低，以及工艺波动等不利影响和氢气分离成本的增加，在根据本发明的一种进一步地实施方式中，如图1所示，可以使制氢psa的解析气出口与第三膜分离组件4
‑
3的入口连通，第三膜分离组件4
‑
3的渗透侧出口与第一膜分离组件4
‑
1的入口连通，第三膜分离组件4
‑
3的渗余侧
出口与燃料气管网的入口连通，以采用第三膜分离组件4
‑
3对制氢psa解析气进行预提纯后，将渗透气进入第一膜分离组件4
‑
1进行第一膜分离，将渗余气进入燃料气管网。
[0030]
为充分利用综合回收过程中产生的氢气、氮气、燃料气，一种实施方式中，如图1所示，第一膜分离组件4
‑
1的渗余侧出口可以与燃料气管网的入口连通，制氢psa的产品气出口可以与氢气管网的入口连通；第二膜分离组件4
‑
2的渗余侧出口与退火系统的富氮气体入口连通。
[0031]
为了利用膜组件对混合气中的氢气、氮气进行充分分离，在根据本发明的一种实施方式中，第一膜分离组件4
‑
1、所述第二膜分离组件(4
‑
2)和所述第三膜分离组件4
‑
3的材质可以的材质各自独立地选自聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、硅橡胶或分子筛。
[0032]
本发明对于膜组件的种类没有限制，可以为本领域的常规选择，例如可以各自独立地选自对称膜、不对称膜、复合膜、杂化膜、促进传递膜或多层复合膜；第一膜分离组件4
‑
1、第二膜分离组件4
‑
2和第三膜分离组件4
‑
3可以为本领域常规的，例如可以各自独立地选自中空纤维膜、平板膜、管式膜或卷式膜。
[0033]
为了使原料气满足膜分离条件，实现气体膜分离过程，可以对进入第一膜分离组件4
‑
1、第二膜分离组件4
‑
2和第三膜分离组件4
‑
3的气体分别进行压缩和预处理。在根据本发明的一种具体实施方式中，如图1所示，第一膜分离组件4
‑
1前可以设置有压缩机2
‑
1和预处理装置3
‑
2，以使混合气达到第一膜分离组件4
‑
1的分离压力，然后进行预处理除去混合气中的液滴、粉尘等。同样地，可以在制氢psa之前设置压缩机2
‑
3，可以采用压缩机2
‑
4和预处理装置3
‑
3对制氢psa解析气进行压缩和预处理后进行后续操作。本发明对于制氢psa装置的形式没有限制，可以为本领域常规的，此处不再赘述。
[0034]
下面通过实施例来进一步说明本发明，但是本发明并不因此而受到任何限制。
[0035]
以下实施例和对比例中，gpu用于在标准条件下，表征气体在单位压差作用下，透过单位膜面积的气体流量，单位为cm3(stp)/(cm2·
s
·
cmhg)，1gpu＝10
‑6cm3(stp)/(cm2·
s
·
cmhg)。
[0036]
实施例1
[0037]
采用如图1所示的系统对钢铁厂中的富氢气体进行综合回收利用，该系统包括：焦炉煤气入口、退火气入口、第一膜分离组件4
‑
1、第二膜分离组件4
‑
2、第三膜分离组件4
‑
3和制氢psa；其中，
[0038]
焦炉煤气入口与压缩机2
‑
1、预处理装置3
‑
2、第一膜分离组件4
‑
1的入口沿气体流动方向依次连通，第一膜分离组件4
‑
1的渗透侧出口与制氢psa的入口连通，渗余侧出口与燃料气管网入口连通，制氢psa的解析气出口与压缩机2
‑
4的入口连通；
[0039]
制氢psa的解析气出口与压缩机2
‑
4、预处理装置3
‑
3、第三膜分离组件4
‑
3的入口沿气体流动方向依次连通，第三膜分离组件4
‑
3的渗透侧出口与压缩机2
‑
1、预处理装置3
‑
2、第一膜分离组件4
‑
1的入口沿气体流动方向依次连通，第三膜分离组件4
‑
3的渗余侧出口与燃料气管网的入口连通；
[0040]
退火气入口与阀门1
‑
1、压缩机2
‑
2、预处理装置3
‑
1、第二膜分离组件4
‑
2的入口沿气体流动方向依次连通，通过阀门1
‑
1的开闭实现退火气入口与第二膜分离组件4
‑
2的入口可开闭地连通；第二膜分离组件4
‑
2的渗透侧出口与压缩机2
‑
1的入口连通，渗余侧出口与退火系统富氮气体入口连通；
[0041]
退火气入口与压缩机2
‑
1的入口通过阀门1
‑
2的开闭实现可开闭地连通；退火气入口与压缩机2
‑
3的入口通过阀门1
‑
3的开闭实现可开闭地连通；
[0042]
其中，第一膜分离组件4
‑
1(中空纤维膜)、第三膜分离组件4
‑
3(中空纤维膜)的气体分离膜的材质均为聚酰亚胺(多层复合膜)，其氢气渗透速率为210gpu；第二膜分离组件4
‑
2(中空纤维膜)的气体分离膜材质为聚醚酰亚胺(多层复合膜)，其氮气渗透速率为3gpu。
[0043]
具体地，s1：采用上述系统对钢铁厂中的富氢气体进行综合回收利用，使来自炼焦系统的焦炉煤气(组成为氢气60.29vol％、一氧化碳6.63vol％、二氧化碳1.02vol％、氧气0.05vol％、甲烷25.62vol％、氮气3.87vol％、c2 2.52vol％，流量5000nm3/h)依次经压缩机2
‑
1和预处理装置3
‑
2后，进入第一膜分离组件4
‑
1进行第一膜分离(膜面积1897m2，温度为80℃，压力为2.8mpa)，得到第一渗透气和燃料气(氢气浓度为7.81vol％)；使第一渗透气进入制氢psa进行氢气提纯(温度为25℃，压力为2.0mpa)，得到氢气产品(氢气浓度为99.68vol％)和制氢psa解析气；使氢气产品进入氢气管网进行循环利用，使制氢psa解析气经第三膜分离组件4
‑
3(膜面积183m2，温度为80℃，压力为2.8mpa)对氢气进行初步提浓，渗透气返回至第一膜分离组件4
‑
1进行第一膜分离，渗余气和第一膜分离组件4
‑
1的渗余气混合进入燃料气管网；
[0044]
s21：当监测到来自退火系统的退火气(组成为氢气32.99vol％、氮气67.01vol％，流量2000nm3/h)中氢气浓度不高于第一膜分离组件4
‑
1的进料氢气浓度时，打开阀门1
‑
1，关闭阀门1
‑
2、1
‑
3，使退火气进至第二膜分离组件4
‑
2进行第二膜分离(膜面积806m2，温度为80℃，压力为2.8mpa)，得到第二渗透气和富氮气体产品(氮气浓度为95.22vol％)；使第二渗透气进至第一膜分离组件4
‑
1进行第一膜分离，富氮气体产品循环回退火系统进行循环利用；
[0045]
s3：当退火气中氢气浓度高于第一膜分离组件4
‑
1的进料氢气浓度时，打开阀门1
‑
2，关闭阀门1
‑
1、1
‑
3，使退火气进至第一膜分离组件4
‑
1进行第一膜分离；
[0046]
s4：当退火气中氢气浓度高于第一膜分离组件4
‑
1渗透侧的出料氢气浓度时，打开阀门1
‑
3，关闭阀门1
‑
1、1
‑
2，使退火气经压缩机2
‑
3加压后进至制氢psa进行氢气提纯。
[0047]
本例中，氢气回收率为94.33％，氢气纯度为99.69vol％，氮气回收率为81.38％，燃料气热值26.4mj/nm3。
[0048]
实施例2
[0049]
采用如图1所示的系统和方法对钢铁厂中的富氢气体进行综合回收利用，不同的是：退火气入口与退火系统的富氮气体入口连通；
[0050]
s22：富氢气体回收初期，当监测到来自退火系统的退火气中氢气浓度低于20vol％时，打开阀门1
‑
4，关闭阀门1
‑
2、1
‑
3，使退火气作为富氮气体产品返回退火系统。
[0051]
本例中，氢气回收率为93.92％，氢气纯度为99.68vol％，氮气回收率为82.19％，燃料气热值26.6mj/nm3。
[0052]
对比例1
[0053]
采用常规psa回收方式进行退火气和焦炉气回收，无法回收退火气中的氮气，氮气回收率为0％；且在psa杂质吸附率相同时，氢气回收率仅为88％，氢气纯度98.59vol％，psa解析气则不适合作为燃气利用(热值16.6mj/nm3不能稳定燃烧)。
[0054]
对比例2
[0055]
采用常规膜 psa耦合工艺进行退火气和焦炉气回收，无法回收退火气中的氮气，氮气回收率为0％；且在膜使用面积相同和psa杂质吸附率相同时，氢气回收率仅为84.41％，氢气纯度99.77vol％，psa解析气则不适合作为燃气利用(热值16.5mj/nm3不能稳定燃烧)。
[0056]
根据实施例1
‑
2和对比例1
‑
2的结果对比可知，本发明的技术方案能够实现炼钢厂退火气、焦炉煤气、制氢psa解析气中氢气的综合回收利用，提高了装置利用率、氢气及氮气回收率，得到的氢气、氮气产品纯度及燃料气热值均较高，大幅节约了资源。
[0057]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。