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天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫裝置能耗分析

發(fā)布時(shí)間：2021-12-28 09:17

任曉凈

摘要：主要對(duì)天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化－變壓吸附（ＰＳＡ）氫氣提純裝置在生產(chǎn)不同氫氣純度、不同產(chǎn)氫規(guī)模的工況下進(jìn)行能耗分析，從而為不同的需求客戶提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化－變壓吸附（ＰＳＡ）氫氣提純；不同氫氣純度；不同氫氣規(guī)模；能耗分析

氫氣作為一種重要的石油化工原料，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，而不同行業(yè)對(duì)于氫氣純度及氫氣用量的需求不同，導(dǎo)致了裝置能耗的差異性。本文主要針對(duì)生產(chǎn)不同氫氣純度及不同產(chǎn)氫規(guī)模下的天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化－變壓吸附（ＰＳＡ）氫氣提純裝置進(jìn)行能耗分析比較，從而為以后的設(shè)計(jì)工作和方案選擇提供一定的幫助及參考依據(jù)。

1 天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫的原理

天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫裝置主要由兩部分組成：天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化造氣部分、變壓吸附（ＰＳＡ）氫氣提純單元。低壓的原料天然氣首先經(jīng)原料氣壓縮機(jī)進(jìn)行加壓，然后預(yù)熱至３８０ ℃左右進(jìn)行加氫脫硫精制，保證其中的硫含量＜０．５×１０^－６，氯含量＜０．２ ×１０^－６后，進(jìn)行蒸汽轉(zhuǎn)化、中溫變換等一系列的反應(yīng)，從而得到富氫中變氣。富氫中變氣經(jīng)換熱冷卻至４０ ℃后，進(jìn)入ＰＳＡ提氫單元進(jìn)行氫氣提純。ＰＳＡ單元提純尾氣返回至轉(zhuǎn)化爐作為燃料氣，不足部分燃料氣由外補(bǔ)天然氣進(jìn)行補(bǔ)充。天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫的典型流程如圖１。

天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫的主要工藝參數(shù)如下：

轉(zhuǎn)化爐入口溫度：600 ℃

轉(zhuǎn)化爐出口溫度：850 ℃

水碳比：3.5

空氣預(yù)熱溫度：400~450 ℃

ＰＳＡ收率：80%~90%（根據(jù)氫氣壓力和純度而定）

產(chǎn)氫壓力：1.5~2.4MPag

2 不同氫氣純度及規(guī)模下天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫裝置能耗分析

考慮到不同的爐型可能對(duì)轉(zhuǎn)化反應(yīng)的傳熱有一定的差異，將對(duì)兩種常見的爐型進(jìn)行分析：頂燒方箱爐和頂燒圓筒爐，兩種爐型的結(jié)構(gòu)和適用規(guī)模不盡相同。

由于圓筒爐的爐管排布呈圓周布置，燃燒器集中于轉(zhuǎn)化爐中心位置，導(dǎo)致了轉(zhuǎn)化爐管單側(cè)受高溫?zé)幔虼酥贿m用于較小的生產(chǎn)規(guī)模；而方箱爐中的燃燒器可均勻分布，轉(zhuǎn)化爐管受熱均勻，因此適用于較大的生產(chǎn)規(guī)模。本文將對(duì)兩種爐型的流程分別進(jìn)行分析，以保證結(jié)果嚴(yán)謹(jǐn)性。

2.1 設(shè)計(jì)輸入條件

裝置的原料為天然氣，轉(zhuǎn)化爐燃料以變壓吸附（ＰＳＡ）單元脫附氣為主，不足部分需外補(bǔ)燃料。為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，外補(bǔ)燃料仍考慮為天然氣，且裝置所采用的催化劑均為同一型號(hào) 的國產(chǎn)催化劑。

原料及燃料天然氣組成見表１。

2.2 氫氣純度對(duì)天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫裝置能耗的影響分析

2.2.1 頂燒方箱爐流程裝置能耗分析

由于頂燒方箱爐一般適用于較大規(guī)模的制氫裝置，因此本節(jié)主要針對(duì)規(guī)模較大，例如產(chǎn)氫量為 10000，20000Ｎｍ^３／ｈ和 30000Ｎｍ^３／ｈ，且產(chǎn)品氫純度分別為99.9％、99.99％和 99.999％時(shí)制氫裝置的能耗進(jìn)行分析?？紤]100％負(fù)荷時(shí)，主要設(shè)計(jì)操作條件為：

轉(zhuǎn)化爐入口溫度：600 ℃

水碳比（mol／mol）：3.5

空氣預(yù)熱溫度：450 ℃

不同純度產(chǎn)品氫指標(biāo)見下表２。

本節(jié)統(tǒng)計(jì)了10000，20000Ｎｍ^３／ｈ和 30000Ｎｍ^３／ｈ制氫裝置在生產(chǎn)不同純度氫氣時(shí)的能耗指標(biāo)，其間關(guān)系見下圖２～圖4

其中：圖２、圖３、圖４中各指標(biāo)為每標(biāo)方產(chǎn)品氫氣的消耗；

圖２、圖３、圖４中橫坐標(biāo)中數(shù)字“１”“２”“３”分別代表氫氣純

2.2.2 頂燒圓筒爐流程裝置能耗分析由于頂燒圓筒轉(zhuǎn)化爐一般適用于小規(guī)模的制氫裝置，因此本節(jié)主要針對(duì)規(guī)模較小，例如產(chǎn)氫量為 1000，2000Ｎｍ^３／ｈ和 3000Ｎｍ^３／ｈ，且產(chǎn)品氫純度分別為99.9％、99.99％和 99.999％時(shí)制氫裝置的能耗進(jìn)行分析?？紤]100％負(fù)荷時(shí)，主要設(shè)計(jì)操作條件為：

轉(zhuǎn)化爐入口溫度：600 ℃

轉(zhuǎn)化爐入口溫度：850 ℃

水碳比（mol／mol）：3.5

空氣預(yù)熱溫度：400 ℃

不同純度產(chǎn)品氫指標(biāo)見下表3。

本節(jié)統(tǒng)計(jì)了1000，2000Ｎｍ^３／ｈ和 3000Ｎｍ^３／ｈ制氫裝置在生產(chǎn)不同純度氫氣時(shí)的能耗指標(biāo)，其間關(guān)系見圖５～圖７。

其中：圖５、圖６、圖７中各指標(biāo)為每標(biāo)方產(chǎn)品氫氣的消耗；

圖５、圖６、圖７中橫坐標(biāo)中數(shù)字“１”“２”“３”分別代表氫氣純度為99.9％、99.99％和 99.999％。根據(jù)圖５、圖６、圖７，可看出，不管是采用方箱爐流程還是采用圓筒爐流程，在相同規(guī)模下，隨著產(chǎn)品氫氣純度的增大，每生產(chǎn)1Ｎｍ^３氫氣，原料天然氣的消耗均隨之增大，燃料天然氣的消耗均隨之減小，但總的天然氣消耗均呈增大趨勢(shì)，其他消耗指標(biāo)（水、電、外輸蒸汽量）也均隨之不同程度的增大。

2.3 氫氣規(guī)模對(duì)天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫裝置能耗的影響分析

2.3.1 頂燒方箱爐流程裝置能耗分析

本節(jié)同樣統(tǒng)計(jì)了產(chǎn)氫量為 10000，20000Ｎｍ^３／ｈ和 30000Ｎｍ^３／ｈ，且產(chǎn)品氫純度分別為99.9％、99.99％和 99.999％時(shí)制氫裝置的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，操作條件、產(chǎn)品純度等同2.2.1小節(jié)描述。

生產(chǎn)相同純度的氫氣，生產(chǎn)規(guī)模與能耗指標(biāo)關(guān)系見圖８～圖１０。

其中：圖８、圖９、圖１０中各指標(biāo)為每標(biāo)方產(chǎn)品氫氣的消耗。

2.3.2 頂燒圓筒爐流程裝置能耗分析

本節(jié)同樣統(tǒng)計(jì)了產(chǎn)氫量為 1000，2000Ｎｍ^３／ｈ和 3000Ｎｍ^３／ｈ，且產(chǎn)品氫純度分別為99.9％、99.99％和 99.999％時(shí)制氫裝置的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，操作條件、產(chǎn)品純度等同2.2.2小節(jié)描述。

生產(chǎn)相同純度的氫氣，生產(chǎn)規(guī)模與能耗指標(biāo)關(guān)系見圖１１～圖１３。

其中：圖１１、圖１２、圖１３中各指標(biāo)為每標(biāo)方產(chǎn)品氫氣的消耗。

根據(jù)上圖可看出，采用方箱爐流程時(shí)，生產(chǎn)相同純度的產(chǎn)品氫氣，隨著生產(chǎn)規(guī)模的增大，每生產(chǎn)１Ｎｍ^３氫氣，原料天然氣的消耗基本不變，燃料天然氣消耗略微降低，天然氣總消耗呈略微降低趨勢(shì)；電耗呈下降趨勢(shì)，循環(huán)水單耗基本持平，外補(bǔ)除鹽水量及外輸蒸汽量則呈增大趨勢(shì)。

采用圓筒爐流程，生產(chǎn)相同純度的產(chǎn)品氫氣，隨著生產(chǎn)規(guī)模的增大，每生產(chǎn)１Ｎｍ^３氫氣，原料天然氣的消耗基本不變，燃料天然氣消耗略微增大，天然氣總消耗呈略微增大趨勢(shì)；電耗呈下降趨勢(shì)，循環(huán)水單耗基本持平，外補(bǔ)除鹽水量及外輸蒸汽量則呈增大趨勢(shì)。

3 結(jié)論

（１）無論采用何種爐型，在固定生產(chǎn)規(guī)模下，隨著氫氣純度增大，ＰＳＡ單元?dú)錃饣厥章蕦㈦S之降低，解吸氣氣量及熱值均有所隨之增大，將在不同程度上導(dǎo)致燃料氣的單耗降低。同時(shí)，原料天然氣及其他公用工程的單耗均呈不同程度的增大，總天然氣單耗則呈不同程度的增加。

（２）相同氫氣純度，隨著生產(chǎn)規(guī)模的增大，采用不同的爐型，消耗將呈現(xiàn)不同的趨勢(shì)。采用圓筒爐時(shí)，由于爐管單側(cè)受熱，熱效率較低；隨著規(guī)模的增加（吸熱量增大），該效率的差異逐漸顯著，因此將導(dǎo)致外補(bǔ)燃料的單耗增大。相比之下，方箱爐的爐管由于雙側(cè)受熱均勻，整體熱效率較高；同時(shí)隨著規(guī)模的增大，轉(zhuǎn)化爐的熱損失效率相對(duì)降低，因此相應(yīng)的外補(bǔ)燃料單耗降低。

無論采用何種爐型，在生產(chǎn)相同氫氣純度時(shí)，隨著規(guī)模的增大，原料天然氣單耗基本持平，電耗單耗將隨之降低，循環(huán)水單耗基本持平，外補(bǔ)除鹽水量及副產(chǎn)蒸汽量則呈增大趨勢(shì)。