天然气蒸汽转化制氢装置能耗分析

任晓净

摘 要：主要对天然气蒸汽转化－变压吸附（ＰＳＡ）氢气提纯装置在生产不同氢气纯度、不同产氢规模的工况下进行能耗分析，从而为不同的需求客户提供参考依据。

关键词：天然气蒸汽转化－变压吸附（ＰＳＡ）氢气提纯；不同氢气纯度；不同氢气规模；能耗分析

氢气作为一种重要的石油化工原料，应用领域十分广泛，而不同行业对于氢气纯度及氢气用量的需求不同，导致了装置能耗的差异性。本文主要针对生产不同氢气纯度及不同产氢规模下的天然气蒸汽转化－变压吸附（ＰＳＡ）氢气提纯装置进行能耗分析比较，从而为以后的设计工作和方案选择提供一定的帮助及参考依据。

1 天然气蒸汽转化制氢的原理

     天然气蒸汽转化制氢装置主要由两部分组成：天然气蒸汽转化造气部分、变压吸附（ＰＳＡ）氢气提纯单元。低压的原料天然气首先经原料气压缩机进行加压，然后预热至３８０ ℃左右进行加氢脱硫精制，保证其中的硫含量＜０．５×１０^－６，氯含量＜０．２ ×１０^－６后，进行蒸汽转化、中温变换等一系列的反应，从而得到富氢中变气。富氢中变气经换热冷却至４０ ℃后，进入 ＰＳＡ 提氢单元进行氢气提纯。ＰＳＡ 单元提纯尾气返回至转化炉作为燃料气，不足部分燃料气由外补天然气进行补充。天然气蒸汽转化制氢的典型流程如图１。

天然气蒸汽转化制氢的主要工艺参数如下：

转化炉入口温度：600 ℃

转化炉出口温度：850 ℃

水碳比：3.5

空气预热温度：400~450 ℃

ＰＳＡ 收率：80%~90%（根据氢气压力和纯度而定）

产氢压力：1.5~2.4MPag

2 不同氢气纯度及规模下天然气蒸汽转化制氢装置能耗分析

     考虑到不同的炉型可能对转化反应的传热有一定的差异，将对两种常见的炉型进行分析：顶烧方箱炉和顶烧圆筒炉，两种炉型的结构和适用规模不尽相同。

     由于圆筒炉的炉管排布呈圆周布置，燃烧器集中于转化炉中心位置，导致了转化炉管单侧受高温热，因此只适用于较小的生产规模；而方箱炉中的燃烧器可均匀分布，转化炉管受热均匀，因此适用于较大的生产规模。本文将对两种炉型的流程分别进行分析，以保证结果严谨性。

2.1 设计输入条件

     装置的原料为天然气，转化炉燃料以变压吸附（ＰＳＡ）单元 脱附气为主，不足部分需外补燃料。为保证结果的准确性，外 补燃料仍考虑为天然气，且装置所采用的催化剂均为同一型号 的国产催化剂。

原料及燃料天然气组成见表１。

2.2 氢气纯度对天然气蒸汽转化制氢装置能耗的影 响分析

2.2.1 顶烧方箱炉流程装置能耗分析

     由于顶烧方箱炉一般适用于较大规模的制氢装置，因此本节主要针对规模较 大，例如产氢量为 10000，20000Ｎｍ^３／ｈ和 30000Ｎｍ^３／ｈ，且产品氢纯度分别为99.9％、99.99％ 和 99.999％时制氢装置的能耗进行分析。考虑100％负荷时，主要设计操作条件为：

转化炉入口温度：600 ℃

转化炉入口温度：600 ℃

水碳比（mol／mol）：3.5

空气预热温度：450 ℃

     不同纯度产品氢指标见下表２。

     本节统计了10000，20000Ｎｍ^３／ｈ和 30000Ｎｍ^３／ｈ制氢装置在生产不同纯度氢气时的能耗指标，其间关系见下图２～图4

        其中：图２、图３、图４中各指标为每标方产品氢气的消耗；

          图２、图３、图４中横坐标中数字“１”“２”“３”分别代表氢气纯

     2.2.2 顶烧圆筒炉流程装置能耗分析由于顶烧圆筒转化炉一般适用于小规模的制氢装置，因此本节主要针对规模较小，例如产氢量为 1000，2000Ｎｍ^３／ｈ和 3000Ｎｍ^３／ｈ，且产品氢纯度分别为99.9％、99.99％ 和 99.999％时制氢装置的能耗进行分析。考虑100％负荷时，主要设计操作条件为：

转化炉入口温度：600 ℃

转化炉入口温度：850 ℃

水碳比（mol／mol）：3.5

空气预热温度：400 ℃

不同纯度产品氢指标见下表3。

     本节统计了1000，2000Ｎｍ^３／ｈ和 3000Ｎｍ^３／ｈ制氢装置 在生产不同纯度氢气时的能耗指标，其间关系见 图５～图７。

       其中： 图５、图６、图７中各指标为每标方产品氢气的消耗；

     图５、图６、图７中横坐标中数字“１”“２”“３”分别代表氢气纯度为99.9％、99.99％ 和 99.999％。根据图５、图６、图７，可看出，不管是采用方箱炉流程还是采用圆筒炉流程，在相同规模下，随着产品氢气纯度的增大，每生产1Ｎｍ^３ 氢气，原料天然气的消耗均随之增大，燃料天然气的消耗均随之减小，但总的天然气消耗均呈增大趋势，其他消耗指标（水、电、外输蒸汽量）也均随之不同程度的增大。

2.3 氢气规模对天然气蒸汽转化制氢装置能耗的影响分析

2.3.1 顶烧方箱炉流程装置能耗分析

     本节同样统计了产氢量为 10000，20000Ｎｍ^３／ｈ和 30000Ｎｍ^３／ｈ，且产品氢纯度分别为99.9％、99.99％ 和 99.999％时制氢装置的能耗数据进行分析，操作条件、产品纯度等同2.2.1小节描述。

     生产相同纯度的氢气，生产规模与能耗指标关系见图８～ 图１０。

                                                                                                                      其中： 图８、图９、图１０中各指标为每标方产品氢气的消耗。

2.3.2 顶烧圆筒炉流程装置能耗分析

     本节同样统计了产氢量为 1000，2000Ｎｍ^３／ｈ和 3000Ｎｍ^３／ｈ，且产品氢纯度分别为99.9％、99.99％ 和 99.999％时制氢装置的能耗数据进行分析，操作条件、产品纯度等同2.2.2小节描述。

     生产相同纯度的氢气，生产规模与能耗指标关系见图１１～图１３。

                                                                                                                 其中： 图１１、图１２、图１３中各指标为每标方产品氢气的消耗。

     根据上图可看出，采用方箱炉流程时，生产相同纯度的产品氢气，随着生产规模的增大，每生产１Ｎｍ^３ 氢气，原料天然气 的消耗基本不变，燃料天然气消耗略微降低，天然气总消耗呈略微降低趋势；电耗呈下降趋势，循环水单耗基本持平，外补除盐水量及外输蒸汽量则呈增大趋势。

     采用圆筒炉流程，生产相同纯度的产品氢气，随着生产规模的增大，每生产１Ｎｍ^３氢气，原料天然气的消耗基本不变，燃料天然气消耗略微增大，天然气总消耗呈略微增大趋势；电耗呈下降趋势，循环水单耗基本持平，外补除盐水量及外输蒸汽量则呈增大趋势。

3 结论

     （１）无论采用何种炉型，在固定生产规模下，随着氢气纯度增大，ＰＳＡ 单元氢气回收率将随之降低，解吸气气量及热值均有所随之增大，将在不同程 度 上导致燃料气的单耗降低。同时，原料天然气及其他公用工程的单耗均呈不同程度的增大，总天然气单耗则呈不同程度的增加。

     （２）相同氢气纯度，随着生产规模的增大，采用不同的炉型，消耗将呈现不同的趋势。采用圆筒炉时，由于炉管单侧受热，热效率较低；随着规模的增加（吸热量增大），该效率的差异逐渐显著，因此将导致外补燃料的单耗增大。相比之下，方箱炉的炉管由于双侧受热均匀，整体热效率较高；同时随着规模的增大，转化炉的热损失效率相对降低，因此相应的外补燃料单耗降低。

       无论采用何种炉型，在生产相同氢气纯度时，随着规模的增大，原料天然气单耗基本持平，电耗单耗将随之降低，循环水单耗基本持平，外补除盐水量及副产蒸汽量则呈增大趋势。

      四川蜀泰化工科技有限公司

      联系电话:0825-7880085

【上一篇：天然气蒸汽转化制氢工艺研究】

【下一篇：天Ni/SSZ-13催化剂的CO₂甲烷化反应性能研究】