任曉凈

摘 要：主要對天然氣蒸汽轉化－變壓吸附（ＰＳＡ）氫氣提純裝置在生產不同氫氣純度、不同產氫規模的工況下進行能耗分析，從而為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(qing)氣(qi)(qi)(qi)(qi)作為一種重要(yao)的(de)石(shi)油化工原料，應用(yong)領域(yu)十分廣泛，而(er)不(bu)(bu)同(tong)行業(ye)對(dui)于氫(qing)氣(qi)(qi)(qi)(qi)純度(du)及氫(qing)氣(qi)(qi)(qi)(qi)用(yong)量的(de)需(xu)求不(bu)(bu)同(tong)，導致了裝置能(neng)耗(hao)的(de)差(cha)異性。本文主要(yao)針對(dui)生產不(bu)(bu)同(tong)氫(qing)氣(qi)(qi)(qi)(qi)純度(du)及不(bu)(bu)同(tong)產氫(qing)規模下(xia)的(de)天然氣(qi)(qi)(qi)(qi)蒸汽轉化－變壓(ya)吸附（ＰＳＡ）氫(qing)氣(qi)(qi)(qi)(qi)提(ti)純裝置進行能(neng)耗(hao)分析(xi)比較，從而(er)為以后的(de)設(she)計工作和方案選(xuan)擇(ze)提(ti)供一定(ding)的(de)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，然后預熱至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后，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 ℃后，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為燃料氣，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(tian)然氣蒸汽轉化制氫(qing)的主要工藝參(can)數如下：

轉化爐入口溫(wen)度(du)：600 ℃

轉化爐(lu)出口溫度(du)：850 ℃

水(shui)碳比：3.5

空(kong)氣預熱溫度：400~450 ℃

ＰＳＡ 收率：80%~90%（根據氫氣壓力和純度而定）

產氫壓力：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(dao)不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)爐(lu)(lu)型可能對轉化反應的(de)(de)(de)傳熱有一(yi)定(ding)的(de)(de)(de)差(cha)異，將(jiang)對兩種(zhong)常見的(de)(de)(de)爐(lu)(lu)型進行分析：頂燒方箱爐(lu)(lu)和頂燒圓筒爐(lu)(lu)，兩種(zhong)爐(lu)(lu)型的(de)(de)(de)結構和適用(yong)規模不(bu)盡相同(tong)。

 ;    由(you)于(yu)圓(yuan)(yuan)筒爐(lu)(lu)(lu)的(de)爐(lu)(lu)(lu)管排布呈圓(yuan)(yuan)周布置，燃燒(shao)器集中于(yu)轉(zhuan)化(hua)(hua)(hua)爐(lu)(lu)(lu)中心位置，導致了轉(zhuan)化(hua)(hua)(hua)爐(lu)(lu)(lu)管單側受高溫熱，因此只適用于(yu)較小的(de)生(sheng)產規模(mo)；而方箱(xiang)爐(lu)(lu)(lu)中的(de)燃燒(shao)器可均勻(yun)分布，轉(zhuan)化(hua)(hua)(hua)爐(lu)(lu)(lu)管受熱均勻(yun)，因此適用于(yu)較大的(de)生(sheng)產規模(mo)。本文將對兩種爐(lu)(lu)(lu)型的(de)流程(cheng)分別進行分析，以保證結果(guo)嚴謹性。

2.1 設計輸入條件

     裝置的原料(liao)(liao)為(wei)(wei)天然氣(qi)(qi)，轉化(hua)爐燃料(liao)(liao)以變壓吸附（ＰＳＡ）單元 脫附氣(qi)(qi)為(wei)(wei)主，不足部分需外(wai)補燃料(liao)(liao)。為(wei)(wei)保證結果的準確性(xing)，外(wai) 補燃料(liao)(liao)仍(reng)考(kao)慮(lv)為(wei)(wei)天然氣(qi)(qi)，且裝置所采用(yong)的催化(hua)劑均為(wei)(wei)同一型號 的國產催化(hua)劑。

原料及燃料天然氣組成見表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(ding)燒方(fang)箱(xiang)爐流(liu)程裝置能耗分析

     由于頂燒方箱爐一般適用于較大規模的制氫裝置，因此本節主要針對規模較 大，例如產氫量為 10000，20000Ｎｍ^３／ｈ和 30000Ｎｍ^３／ｈ，且產品氫純度分別為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，主要設計操作條件為：

轉(zhuan)化爐入(ru)口(kou)溫度(du)：600 ℃

轉(zhuan)化爐入口溫(wen)度：600 ℃

水碳比（mol／mol）：3.5

空氣預熱溫度：450 ℃

     不同純度產品氫指標見(jian)下(xia)表２。

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

        其中：圖２、圖３、圖４中各指標(biao)為每(mei)標(biao)方產(chan)品(pin)氫氣的消耗；

          圖(tu)(tu)２、圖(tu)(tu)３、圖(tu)(tu)４中橫坐標中數字“１”“２”“３”分別代(dai)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化爐一般適用于小規模的制氫裝置，因此本節主要針對規模較小，例如產氫量為 1000，2000Ｎｍ^３／ｈ和 3000Ｎｍ^３／ｈ，且產品氫純度分別為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，主要設計操作條件為：

轉化爐入(ru)口溫度(du)：600 ℃

轉化爐(lu)入口溫(wen)度：850 ℃

水碳(tan)比（mol／mol）：3.5

空(kong)氣(qi)預熱溫度(du)：400 ℃

不同純(chun)度產品氫指標見下表3。

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

       ;其中(zhong)： 圖５、圖６、圖７中(zhong)各指標為每標方產品氫氣的(de)消耗(hao)；

     圖５、圖６、圖７中橫坐標中數字“１”“２”“３”分別代表氫氣純度為99.9％、99.99％ 和 99.999％。根據圖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，在相同規模下，隨著產品氫氣純度的增大，每生產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，其他消耗指標（水、電、外輸蒸汽量）也均隨之不同程度的增大。

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 頂燒方(fang)箱爐流程裝置(zhi)能耗分析

     本節同樣統計了產氫量為 10000，20000Ｎｍ^３／ｈ和 30000Ｎｍ^３／ｈ，且產品氫純度分別為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、產品純度等同2.2.1小節描述。

     生產(chan)相(xiang)同(tong)純(chun)度的氫氣，生產(chan)規模與能(neng)耗指標關系見圖８～ 圖１０。

                                                                                                                      其中： 圖(tu)(tu)８、圖(tu)(tu)９、圖(tu)(tu)１０中各指標為每標方產品氫氣(qi)的(de)消耗。

2.3.2 頂燒(shao)圓筒爐流(liu)程裝置能耗分析

     本節同樣統計了產氫量為 1000，2000Ｎｍ^３／ｈ和 3000Ｎｍ^３／ｈ，且產品氫純度分別為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、產品純度等同2.2.2小節描述。

     生產相同純度的(de)氫氣，生產規模與(yu)能耗指標關系見圖１１～圖１３。

                                 ;                                                                                其中： 圖１１、圖１２、圖１３中各(ge)指標(biao)為每標(biao)方產品氫氣的(de)消(xiao)耗。

     根據上圖可看出，采用方箱爐流程時，生產相同純度的產品氫氣，隨著生產規模的增大，每生產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。

     采用圓筒爐流程，生產相同純度的產品氫氣，隨著生產規模的增大，每生產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(wu)論采用(yong)何種爐型，在(zai)固定生產規模下，隨著氫(qing)氣(qi)純度增(zeng)(zeng)大，ＰＳＡ 單(dan)元(yuan)氫(qing)氣(qi)回收率(lv)將隨之(zhi)降低，解吸氣(qi)氣(qi)量及熱值均有(you)所隨之(zhi)增(zeng)(zeng)大，將在(zai)不同程(cheng) 度 上導致燃料氣(qi)的(de)(de)單(dan)耗降低。同時，原料天然氣(qi)及其他公用(yong)工程(cheng)的(de)(de)單(dan)耗均呈不同程(cheng)度的(de)(de)增(zeng)(zeng)大，總天然氣(qi)單(dan)耗則呈不同程(cheng)度的(de)(de)增(zeng)(zeng)加。

     （２）相(xiang)同(tong)(tong)氫氣純(chun)度，隨(sui)(sui)著生產規(gui)模的(de)(de)(de)增(zeng)大，采(cai)用不同(tong)(tong)的(de)(de)(de)爐(lu)型，消耗(hao)將呈現(xian)不同(tong)(tong)的(de)(de)(de)趨勢。采(cai)用圓筒爐(lu)時，由于爐(lu)管單(dan)(dan)側受熱(re)(re)，熱(re)(re)效(xiao)(xiao)率較低；隨(sui)(sui)著規(gui)模的(de)(de)(de)增(zeng)加（吸熱(re)(re)量增(zeng)大），該效(xiao)(xiao)率的(de)(de)(de)差異逐漸顯著，因此將導致外補(bu)燃料的(de)(de)(de)單(dan)(dan)耗(hao)增(zeng)大。相(xiang)比之(zhi)下，方箱爐(lu)的(de)(de)(de)爐(lu)管由于雙側受熱(re)(re)均勻，整體熱(re)(re)效(xiao)(xiao)率較高；同(tong)(tong)時隨(sui)(sui)著規(gui)模的(de)(de)(de)增(zeng)大，轉(zhuan)化爐(lu)的(de)(de)(de)熱(re)(re)損(sun)失效(xiao)(xiao)率相(xiang)對降低，因此相(xiang)應的(de)(de)(de)外補(bu)燃料單(dan)(dan)耗(hao)降低。

       無論采用何種爐型，在(zai)生(sheng)產(chan)相同氫氣純度時(shi)，隨(sui)著(zhu)規模的增(zeng)大，原料(liao)天然氣單耗(hao)基本持平(ping)，電(dian)耗(hao)單耗(hao)將隨(sui)之降低，循環(huan)水單耗(hao)基本持平(ping)，外補除鹽水量(liang)及副產(chan)蒸汽量(liang)則呈(cheng)增(zeng)大趨(qu)勢。

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