通過捕集制氫PSA解吸氣內CO2氣體實現制氫生產節能降耗

陳旭東 馬瑞

摘要：本論文以天然氣制氫裝置及CO2 捕集裝置為背景進行討論。天然氣制氫裝置PSA解吸氣一般做為制氫轉化爐輔助燃料利用。此過程中約占解吸氣組分50%（體積）的CO2氣體并不參與燃燒反應，但依然被加熱到約1000℃，加熱此部分氣體浪費了熱源，同時如果轉化爐后續煙氣余熱回收系統不合理還需能耗降低煙氣外排溫度。本論文討論通過捕集解吸氣中CO2氣體的方法降低入爐燃燒解吸氣中的無用組分，最終達到制氫生產節能降耗的目標。

關鍵詞：制氫；解吸氣；CO2捕集；節能降耗

1前言

本論文以已投用的兩套裝置（天然氣制氫裝置及CO2 捕集裝置）為背景，以設計數據為基礎計算分析制氫裝置PSA解吸氣做為轉化爐燃料氣回收利用前捕集回收掉解吸氣內多余CO2組分對降低制氫裝置能耗的貢獻。論文對于CO2捕集裝置能耗不做討論，對于CO2捕集回收后作為商品出售的價值不做討論。

1.1天然氣制氫裝置簡介

本制氫裝置是以天然氣為原料，通過天然氣轉化反應，中溫變換反應，PSA變壓吸附技術最終產出純度99.9%以上工業用氫氣。裝置設計加工負荷11200Nm3/h，產氫量35000 Nm3/h。本裝置PSA解吸氣設計量16664 Nm3/h（具體組份見表1）.由于解吸氣中含H2，CH4及CO具有燃燒熱值，所以本裝置流程將解吸氣返回轉化爐做為原料燃燒，以節省轉化爐燃料天然氣用量。這也是大部分制氫裝置的流程設計。

1.2 CO2 捕集裝置簡介

CO2 捕集裝置以化學吸收法為原理，利用低溫下溶劑（MEA）與CO2發生化學反應將其吸收，加熱時飽和吸收劑發生吸收的逆反應將 CO2 解吸出來。該法適用于CO2分壓較低，凈化度 要求高的情況，由于吸收過程中發生化學變化，吸收劑需要加熱才能再生，因此需要一定的能耗。

MEA 的分子式為 NH2CH2OH，胺基具有較強的堿性，與 CO2 反應的速度較快，吸 收容量大，廣泛應用于凈化裝置中。

CO2 捕集裝置以制氫裝置PSA解吸氣為原料，吸收提取CO2氣體后，解吸氣返回制氫轉化爐燃燒，CO2氣體壓縮液化后供油田驅油使用。經過CO2 捕集后的解吸氣中CO2氣體含量<10%

2制氫裝置能耗結構分析

本制氫裝置與2012年投產，一直保持正常生產，裝置能耗結構分析以裝置能耗報表為基礎?，F以2017年制裝置能耗年報進行分析見表3

根據年報數據，氫氣能耗主要來自用水，用電，燃料天然氣，其中尤以燃料天然氣量為重，占能耗比123%。因此如何降低燃料天然氣的用量，是能否降低制氫裝置能耗的關鍵。

3設計負荷下制氫PSA解吸氣內CO2捕集后，制氫裝置的能耗降低計算

如上文所述，制氫PSA解吸氣返回轉化爐燃燒，但解吸氣中CO2 組份實際不參與燃燒放熱，同時還要作為煙氣的一部分被由40℃加熱到1000℃，是極大的熱能浪費。通過CO2捕集后，解吸氣內CO2含量降低，由原來的50%降低至10%。這部分不再作為煙氣被加熱而吸收熱量，本質上節省轉化爐燃料氣的用量。以下將以設計符合數據為基準，計算CO2捕集后，轉化爐燃料天然氣的理論減少量。

取表1中制氫PSA解吸氣設計量：8586.68 Nm3/h，設為a；取表2中CO2含量：10%，設為b。設被捕集的CO2量為c。則計算得：

C=（1-b）*a=（1-10%）*8586.68=7728.012 Nm3/h

即理論負荷下，解吸氣如爐前被鋪集的CO2量為：7728.012 Nm3/h

查石油石化工藝計算圖標，CO2在25℃時的焓值為：Hi（25）=50.834 kcal/kg，在1000℃時的焓值為：Hi（1000）315.09 kcal/kg換算后得：Hi（25）= 2236.696 kcal/kmol， Hi（1000）13863.96 kcal/ kmol。

根據焓值計算把7728 Nm3CO2氣體由25℃加熱至1000℃所需的熱量Q吸為：表4

表4：計算表

以天然氣熱值8400 kcal/Nm3，則：將7728方CO2由40℃加熱至1000℃所需的天然氣量X為：

X=4011406/8400=477.5 Nm3。

4結論

根據計算，在設計符合下，天然氣制氫裝置及CO2 捕集裝置正常運行時，制氫裝置轉化爐能夠節省天然氣477.5 Nm3/h。

5結束語

以烴類化合物制氫的裝置，只收集利用H2是不合算的，應該綜合考慮C組分物質的回收利用。，其實C組分回收的優勢還有C產品的開發利用，C排放指標的控制等，是烴類化合物化工綜合利用不可缺少的一環。本文只是從制氫能耗一個角度分析回收C組分的優勢。

參考文獻

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[2]王獻紅，王佛松《二氧化碳廢氣回收利用技術》化學工業出版社 2011.06。

[3]《克拉瑪依石化甲醇廠PSA馳放氣13.5萬噸/年二氧化碳吸收及7萬噸/年液化一期項目可行性研究報告》中國昆侖工程公司 2014.10。

[4]汪壽建《天然氣綜合利用技術》化學工業出版社 2004.05。

（作者單位：中石油克拉瑪依石化有限責任公司）