制氫裝置的節能分析

姚念超， 姜岱坤 ，王海峰

(青島伊科思技術工程有限公司，山東 青島 266000)

制氫裝置的節能分析

姚念超， 姜岱坤 ，王海峰

(青島伊科思技術工程有限公司，山東 青島 266000)

對制氫裝置的能耗狀況進行了綜合分析評價，指出了過程用能的薄弱環節，以此提出了相應的用能改進措施；對改進流程進行了相應的技術經濟評價，結果表明該熱集成方案具有顯著的系統節能降耗效果。

制氫裝置；節能；水碳比；煙氣；余熱回收

制氫為采用天然氣作原料通過加氫、脫毒、轉化、變換、變壓吸附等幾個工序。系統的節能潛力主要存在于需消耗大量蒸汽的蒸汽轉化反應的工藝及參數優化以及消耗大量燃料的爐子效率的提高。本文以青島煉化制氫裝置的用能改進作為研究，裝置原設計生產工業氫能力為30000 Nm3/h，以天然氣及加氫PSA尾氣為原料，流程設計等原因，裝置的蒸汽耗量過大，造成裝置能耗偏高，與國內外先進水平存在差距。由于裝置設計中對過程用能缺乏系統的考慮，如轉化反應的水碳比偏高，裝置排煙溫度過高。本文對制氫裝置的主要耗能過程的用能狀況進行了綜合分析指出了過程用能改進的潛力，得到優化的工藝操作參數，極大地降低過程能耗，提高過程的總體經濟效益。

1 流程簡介

制氫裝置是以天然氣及加氫PSA尾氣為原料，主要包括加氫、脫毒、轉化、變換、變壓吸附及余熱回收等6個單元。經過預處理的合格原料與過熱蒸汽混合，經轉化爐對流段加熱至500℃，在總水碳比4.0以上、780℃的溫度下部分轉化為氫氣、二氧化碳以及一氧化碳。轉化氣中的一氧化碳采用中溫變換轉化為二氧化碳和氫氣，中變氣送至變壓吸附裝置提純到99．5%以上供加氫裝置使用。

2 裝置用能分析與改進

2．1 裝置用能分析

制氫裝置以天然氣及加氫PSA尾氣為原料，該裝置核心過程用能的一個重要特點是所涉及的反應類型多，如加氫、脫硫、轉化、變換和變壓吸附等，既有放熱反應，也有吸熱反應。能量流結構復雜，原料預熱與蒸汽動力系統為能量轉換環節；轉化爐、中溫變換器為能量利用環節；各種換熱設備、煙氣能量回收等則為能量回收環節。本裝置設計能耗見下表1。

表1 裝置設計能耗表

本裝置綜合能耗為1219 kg標油/H2(t)，其中轉化過程的燃料消耗占制氫裝置能耗的為(3422+1790)/(3422+1790+496+5.6+112.7+38)=91%，因此降低制氫轉化爐的燃料消耗，提高轉化爐煙氣回收效率是裝置節能的關鍵。通過能量分析發現在滿足目的反應條件的前提下裝置的工藝流程設計基本合理，但仍存在部分改進的潛力，因制氫裝置是全廠氫氣管網壓力的主要調節裝置，因此裝置大多在較低負荷下運行，轉化反應的水碳比高達6.0，既增加能耗又影響設備的生產能力。轉化爐F10l熱效率達到92%，能量轉換效率較高，然而其煙氣能量回收過程設計不是很合理，在裝置滿負荷時排煙溫度為200℃，造成爐子熱效率偏低，裝置中能量的回收利用效率有待進一步提高。

2．2 用能優化改進

2．2．1 水碳比優化

表2 水碳比與燃料消耗對比表

在制氫的操作條件下，轉化反應應受其熱力學平衡限制。為了得到較高的原料轉化率，降低轉化爐出口殘余甲烷含量，通常蒸汽與原料比例(即水碳比)要大大高于化學計量值。水碳比加大，有利于轉化爐管內傳熱以及防止結炭反應發生和提高變換工序的一氧化碳變換率，同時在維持相同轉化條件下，可以降低轉化爐出口氣體溫度，延長爐管使用壽命。然而，在確定水碳比時，還要考慮提高水碳比會增大裝置能耗，降低裝置效益這一不利情況。因為轉化反應是強吸熱反應，溫度高達780～860℃ ，蒸汽進入轉化爐管，只有30%左右的蒸汽參加了化學反應，而剩余蒸汽只能隨著轉化氣進入下游工序，通常過剩蒸汽吸收的熱量要占轉化爐總熱負荷的20%～50%，這部分熱量雖可在下游工序中得到回收，但其品位卻大大降低 。同時過大的水碳比還會增加轉化工序及下游工序能量回收系統的投資。因此，選擇合適的水碳比，對制氫裝置的節能降耗和長期平穩操作都至關重要。當然，如果單從節能角度考慮，水碳比越低越好，但水碳比的降低還受很多因素制約。首先過低水碳比會引起結炭，影響正常生產；其次為提高原料產氫率，就需用提高轉化爐出口氣體溫度來補償，水碳比每下降0．25，轉化爐出口溫度需提高10～13℃ ，這樣又受到爐管許用溫度和使用壽命的限制 。優化水碳比能降低反應過程的工藝總用能，從源頭實現過程的節能降耗。根據催化劑和轉化爐管性能與現狀綜合考慮，裝置水碳比設計值≥3.0(以天然氣為原料)比較合理。實際反應過程的水碳比與設計的水碳比比較高30%左右，在裝置負荷≥30%的情況下，采用符合設計要求較低的水碳比，不會造成原料氣在爐管內的偏流，對裝置節能降耗有益。

2．2．2 轉化爐優化

轉化爐F10l是本裝置的主要能量轉換設備，耗能較高，合理利用和回收其熱量是本裝置節能的關鍵。從裝置操作數據可知，當裝置滿負荷生產時轉化爐出口煙氣的溫度高達190℃ ，煙氣流量為 106380 Nm3/h，在現有的經濟和技術條件下，通過對空氣預熱器進行改造，增加空氣預熱器的換熱面積，煙氣的溫度完全可以降到130℃左右，但降低排煙溫度還要考慮到煙氣的露點腐蝕問題，由于燃料氣中含有一部分硫含量，使得燃燒后的煙氣中含有大量的SO2，部分SO2繼續氧化生成SO3,SO3遇水凝結成硫酸，引起露點腐蝕。其腐蝕大致分為以下幾個過程：

Fe + H2SO4=FeSO4+H2

FeSO4=FeS+2O2

4FeS+3O2=2Fe2O3+4S

在腐蝕產物中有FeS 、Fe2O3，還有單體S。據資料介紹[1]，煙氣中的SO2大約有2%～3%要轉化成SO3，當SO3含量達10mg/L時，煙氣露點溫度很快上升至100℃以上，煙氣中的SO3越高，露點溫度也越高，SO3含量達50mg/L時，其露點溫度不再上升，其極限溫度大約在160℃左右。為了延長空氣預熱器的使用壽命，減少煙氣露點腐蝕，煙氣出口溫度的設計溫度應該高于露點腐蝕溫度。露點腐蝕溫度主要由燃料氣中的硫含量來決定。下表列出裝置兩次測定的煙氣分析數據：

表3 煙氣測試數據

從表2可以看出：燃料氣中的S幾乎檢測不出，煙氣中的SO2濃度也為0 mg/kg，因此理論上煙氣的實際排煙溫度可以接近設計溫度而不用擔心露點腐蝕，而制氫裝置中設計排煙溫度為190℃，通過對空氣預熱器加以改造就可以使排煙溫度降至130℃以下。

表4 空氣預熱器的性能參數

按裝置滿負荷來考慮，當煙氣溫度降至130℃時節能效果將很明顯；由Q=nRΔT可知，Q=106380/20×7.31(190-130)=5319×7.31×60=277MJ/℃=66kg標油/t。從計算可知，通過降低轉化爐的排煙溫度，使進轉化爐的熱空氣溫度上升，減少瓦斯消耗，降低了裝置的能耗。

3 經濟評價

通過對裝置水碳比的優化，若裝置年運行時間按8400 h計，初步估算此項措施實施后每年可以節省過飽和中壓蒸汽約5萬噸，若蒸汽按80元/噸計，折合人民幣約400萬元/年；通過對轉化爐空氣預熱器進行改造，將排煙溫度降至130℃，每小時可節約瓦斯0.067t瓦斯，若裝置年運行時間按8400 h計，初步估算此項措施實施后每年可以節省瓦斯約560t，若瓦斯按2000元/噸計，折合人民幣約112萬元/年；裝置改造中新增或改動的設備主要包括新增煙氣熱量回收，初步估算所需設備投資約為200萬元，通過裝置改造及優化操作，每年可節約資金約312萬元，因此改造方案的經濟性極好。

4 結論

通過對制氫裝置的能量平衡分析和用能分析發現，造成制氫裝置能耗偏高的主要原因是裝置長時間低負荷運行，在生產過程中轉化工藝采用了過高的水碳比、轉化爐過高的爐排煙溫度；通過優化操作，降低轉化工藝中過高的水碳比，通過技術改造，增加空氣預熱器的換熱面積，提高進轉化爐預熱空氣溫度，減少瓦斯消耗等相關的能量回收系統改造，實現了系統整體節能，極大提高了裝置的熱量利用效率，取得約312萬元/年的節能經濟效益，說明所提出的改進方案和措施經濟性極好。

[1] 李群柱，郭劍峰．預轉化制氫工藝的最新進展及其節能潛力淺析[J]．煉油技術與工程, 2001, 31(3):40-43.

(本文文獻格式：姚念超， 姜岱坤 ，王海峰.制氫裝置的節能分析[J].山東化工，2017，46(04)：99-100，102.)

2016-07-13

姚念超(1973—), 工程師 ,大學本科， 1994年畢業于廣東石油化工學院，一直從事石油化工的技術管理工作。

TE624

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1008-021X(2017)04-0099-02