天然氣蒸汽轉化制氫裝置能耗分析

任曉淨

摘 要：主要對天然氣蒸汽轉化－變壓吸附（ＰＳＡ）氫氣提純裝置在生産不同氫氣純度、不同産氫規模的工況下進行能耗分析，從而爲不同的需求客戶提供參考依據。

關鍵詞：天然氣蒸汽轉化－變壓吸附（ＰＳＡ）氫氣提純；不同氫氣純度；不同氫氣規模；能耗分析

氫氣作爲一種重要的石油化工原料，應用領域十分廣泛，而不同行業對於(yú)氫氣純度及氫氣用量的需求不同，導緻瞭(le)裝置能耗的差異性。本文主要針對生産不同氫氣純度及不同産氫規模下的天然氣蒸汽轉化－變壓吸附（ＰＳＡ）氫氣提純裝置進行能耗分析比較，從而爲以後的設計工作和方案選擇提供一定的幫助及參考依據。

1 天然氣蒸汽轉化制氫的原理

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

天然氣(qì)蒸汽轉化制氫的主要工藝參(cān)數如下：

轉化爐(lú)入口溫(wēn)度：600 ℃

轉化爐(lú)出口溫(wēn)度：850 ℃

水碳比：3.5

空氣(qì)預熱(rè)溫度：400~450 ℃

ＰＳＡ 收率：80%~90%（根據(jù)氫氣壓力和純(chún)度而定）

産(chǎn)氫(qīng)壓力：1.5~2.4MPag

2 不同氫氣純度及規模下天然氣蒸汽轉化制氫裝置能耗分析

     考慮到不同的爐型可能對轉化反應的傳(chuán)熱有一定的差異，将對兩種常見的爐型進行分析：頂(dǐng)燒方箱爐和頂(dǐng)燒圓筒爐，兩種爐型的結構和适用規模不盡相同。

     由於(yú)圓筒爐的爐管排布呈圓周布置，燃燒器集中於(yú)轉化爐中心位置，導緻瞭(le)轉化爐管單側受高溫熱，因此隻适用於(yú)較小的生産規模；而方箱爐中的燃燒器可均勻分布，轉化爐管受熱均勻，因此适用於(yú)較大的生産規模。本文将對兩種爐型的流程分别進行分析，以保證結果嚴謹性。

2.1 設計輸入條件

     裝置的原料爲天然氣，轉化爐燃料以變壓吸附（ＰＳＡ）單元 脫附氣爲主，不足部分需外補燃料。爲保證結果的準確(què)性，外 補燃料仍考慮爲天然氣，且裝置所採(cǎi)用的催化劑均爲同一型号 的國産催化劑。

原料及燃料天然氣(qì)組成見(jiàn)表１。

2.2 氫氣純度對天然氣蒸汽轉化制氫裝置能耗的影 響分析

2.2.1 頂(dǐng)燒方箱爐(lú)流程裝置能耗分析

     由於頂燒方箱爐一般适用於較大規模的制氫裝置，因此本節主要針對規模較 大，例如産氫量爲 10000，20000Ｎｍ^３／ｈ和 30000Ｎｍ^３／ｈ，且産品氫純度分别爲99.9％、99.99％ 和 99.999％時制氫裝置的能耗進行分析。考慮100％負荷時，主要設計操作條件爲：

轉化爐(lú)入口溫(wēn)度：600 ℃

轉化爐(lú)入口溫(wēn)度：600 ℃

水碳比（mol／mol）：3.5

空氣預熱溫度：450 ℃

     不同純(chún)度産(chǎn)品氫指标見下表２。

     本節統計瞭10000，20000Ｎｍ^３／ｈ和 30000Ｎｍ^３／ｈ制氫裝置在生産不同純度氫氣時的能耗指标，其間關系見下圖２～圖4

        其中：圖２、圖３、圖４中各指标爲每标方産(chǎn)品氫氣(qì)的消耗；

          圖２、圖３、圖４中橫(héng)坐标中數字“１”“２”“３”分别代表氫氣純(chún)

     2.2.2 頂燒圓筒爐流程裝置能耗分析由於頂燒圓筒轉化爐一般适用於小規模的制氫裝置，因此本節主要針對規模較小，例如産氫量爲 1000，2000Ｎｍ^３／ｈ和 3000Ｎｍ^３／ｈ，且産品氫純度分别爲99.9％、99.99％ 和 99.999％時制氫裝置的能耗進行分析。考慮100％負荷時，主要設計操作條件爲：

轉化爐(lú)入口溫(wēn)度：600 ℃

轉化爐(lú)入口溫(wēn)度：850 ℃

水碳比（mol／mol）：3.5

空氣預熱溫度：400 ℃

不同純(chún)度産(chǎn)品氫指标見下表3。

     本節統計瞭1000，2000Ｎｍ^３／ｈ和 3000Ｎｍ^３／ｈ制氫裝置 在生産不同純度氫氣時的能耗指标，其間關系見 圖５～圖７。

       其中： 圖５、圖６、圖７中各指标爲每标方産(chǎn)品氫氣(qì)的消耗；

     圖５、圖６、圖７中橫坐标中數字“１”“２”“３”分别代表氫氣純度爲99.9％、99.99％ 和 99.999％。根據圖５、圖６、圖７，可看出，不管是採用方箱爐流程還是採用圓筒爐流程，在相同規模下，随著産品氫氣純度的增大，每生産1Ｎｍ^３ 氫氣，原料天然氣的消耗均随之增大，燃料天然氣的消耗均随之減小，但總的天然氣消耗均呈增大趨勢，其他消耗指标（水、電、外輸蒸汽量）也均随之不同程度的增大。

2.3 氫氣規模對天然氣蒸汽轉化制氫裝置能耗的影響分析

2.3.1 頂(dǐng)燒方箱爐(lú)流程裝置能耗分析

     本節同樣統計瞭産氫量爲 10000，20000Ｎｍ^３／ｈ和 30000Ｎｍ^３／ｈ，且産品氫純度分别爲99.9％、99.99％ 和 99.999％時制氫裝置的能耗數據進行分析，操作條件、産品純度等同2.2.1小節描述。

     生産(chǎn)相同純(chún)度的氫氣，生産(chǎn)規模與能耗指标關系見圖８～ 圖１０。

                                                                                                                      其中： 圖８、圖９、圖１０中各指标爲每标方産(chǎn)品氫氣(qì)的消耗。

2.3.2 頂(dǐng)燒圓筒爐(lú)流程裝置能耗分析

     本節同樣統計瞭産氫量爲 1000，2000Ｎｍ^３／ｈ和 3000Ｎｍ^３／ｈ，且産品氫純度分别爲99.9％、99.99％ 和 99.999％時制氫裝置的能耗數據進行分析，操作條件、産品純度等同2.2.2小節描述。

     生産(chǎn)相同純(chún)度的氫氣，生産(chǎn)規模與能耗指标關系見圖１１～圖１３。

                                                                                                                 其中： 圖１１、圖１２、圖１３中各指标爲每标方産(chǎn)品氫氣(qì)的消耗。

     根據上圖可看出，採用方箱爐流程時，生産相同純度的産品氫氣，随著生産規模的增大，每生産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；電耗呈下降趨勢，循環水單耗基本持平，外補除鹽水量及外輸蒸汽量則呈增大趨勢。

     採用圓筒爐流程，生産相同純度的産品氫氣，随著生産規模的增大，每生産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；電耗呈下降趨勢，循環水單耗基本持平，外補除鹽水量及外輸蒸汽量則呈增大趨勢。

3 結論

     （１）無論採(cǎi)用何種爐型，在固定生産規模下，随著(zhe)氫氣純度增大，ＰＳＡ 單元氫氣回收率将随之降低，解吸氣氣量及熱值均有所随之增大，将在不同程 度 上導緻燃料氣的單耗降低。同時，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，随著(zhe)生産規模的增大，採用不同的爐型，消耗将呈現不同的趨勢。採用圓筒爐時，由於(yú)爐管單側受熱，熱效率較低；随著(zhe)規模的增加（吸熱量增大），該效率的差異逐漸顯著，因此将導緻外補燃料的單耗增大。相比之下，方箱爐的爐管由於(yú)雙側受熱均勻，整體熱效率較高；同時随著(zhe)規模的增大，轉化爐的熱損失效率相對降低，因此相應的外補燃料單耗降低。

       無論採(cǎi)用何種爐型，在生産相同氫氣純度時，随著(zhe)規模的增大，原料天然氣單耗基本持平，電耗單耗将随之降低，循環水單耗基本持平，外補除鹽水量及副産蒸汽量則呈增大趨勢。

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