煤制氫變換單元壓降對壓縮功耗的影響及優化

(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

煤制氫是將煤通過氣化工藝產生以CO、H2為主要成分的粗煤氣，然后再經過CO變換、酸性氣體脫除、氫氣提純等工藝過程獲得一定純度的氫氣產品。其中CO變換是煤制氫裝置的主要工藝單元，通過粗煤氣中的CO與水蒸氣發生變換反應，將其中的CO轉化為H2。煤制氫裝置的操作壓力一般由氣化單元的壓力決定，目前常用煤氣化工藝的操作壓力等級一般包括：壓力為1.0～2.0 MPa的低壓氣化和壓力為3.0～6.5 MPa的中壓氣化。如果氣化的操作壓力不能滿足氫氣產品的要求，則后續需要設置壓縮機以提升氫氣產品的壓力。壓縮機入口壓力的變化對其功耗的影響比較大，而在煤制氫裝置的總壓降中，變換單元壓降的占比最高，因此，降低變換單元的壓降對減少煤制氫裝置壓縮機功耗起到至關重要的作用，直接影響著裝置的經濟性。

1 煤制氫裝置的壓降分析

煤制氫裝置主要由氣化單元、變換單元、凈化單元、氫氣提純單元組成。工藝流程見圖1。

圖1 煤制氫工藝流程

對于氣化單元，氣化爐產出的粗煤氣經冷卻、除塵、洗滌塔洗滌后送至變換單元。工藝氣系統的壓力損失主要來源于除灰、洗滌及管道輸送，產生壓降的設備較少，工藝氣在氣化單元的壓降一般在0.2 MPa左右。

在變換單元中，氣化單元送來的粗煤氣要經過脫毒槽、多臺變換爐、多臺換熱器、多臺分液罐、氨洗塔后送往凈化單元。工藝氣經過的各類設備多、輸送管線長，因此產生的壓降較高，一般在0.4～0.6 MPa左右。

凈化單元主要是脫除變換氣中的H2S、CO2等酸性氣體。一般采用低溫甲醇洗或其他脫硫、脫碳工藝，如MDEA、NHD工藝等。這些工藝中，壓降基本為吸收塔產生的壓力損失，工藝氣在本單元的壓降一般在0.2 MPa左右。

氫氣提純常采用的工藝主要有變壓吸附(PSA)法或甲烷化法。PSA工藝產出的氫氣純度高，粗氫氣經過PSA吸附器脫除雜質后送出界區，壓降一般在0.05 MPa左右。甲烷化工藝產出的氫氣純度略低，粗氫氣需經過ZnO脫硫槽、甲烷化爐、換熱器、分離器后送出界區，壓降一般在0.15～0.2 MPa左右。

對于用變壓吸附(PSA)法提純氫氣的煤氣化制氫裝置，包括各單元界區間的管線輸送產生的壓降，總壓降基本在0.9～1.1 MPa左右。對于用甲烷化法提純氫氣的煤氣化制氫裝置，總壓降更高一些。

基于上述分析，在煤制氫裝置中，工藝氣在變換單元經過的設備最多、管道最長，壓力損失最大；而在其他各單元中經過的設備、管道相對較少，產生的壓降不高，壓降優化的空間較小。因此，降低煤制氫裝置的總壓降應從變換單元著手。

2 中、低壓制氫裝置壓縮機功耗隨壓降的變化

下面分別以1.6 MPa(g)等級的低壓煤制氫和4.0 MPa(g)等級的中壓煤制氫裝置為例(二者均采用變壓吸附(PSA)法提純氫氣并設置產品氫氣壓縮機)，分析裝置壓降變化對壓縮功耗的影響。

2.1 壓縮機入口壓力與功率的關系

壓縮機功率的計算方法較為復雜，若只是分析壓縮機入口壓力對壓縮功耗的影響，則可從簡化計算的理想狀態——定溫過程的壓縮機功率來計算。定溫過程壓縮機功耗計算公式見式(1)。

(1)[1]

入口介質溫度T1及壓縮機出口壓力P2一定時，對入口壓力P1求導得：

(2)

其中，W為壓縮機功率；n為介質的物質的量；R為氣體常數；T1為壓縮機入口介質溫度；P1，P2為分別為壓縮機入口、出口介質壓力。

由上式可以看出壓縮機入口壓力與功率的關系：當溫度T1一定時，壓縮機入口壓力P1越低，壓縮機功耗隨P1的變化率越大，即壓縮機入口壓力越低，入口壓力的變化對壓縮機功耗的影響越大。

2.2 中、低壓制氫裝置壓縮機功耗隨壓降的變化情況

對于同樣規模及介質的中壓與低壓制氫裝置，由于壓力不同造成的介質密度的差異，按照經濟流速選擇管徑時，計算出的中壓裝置的壓降將比低壓裝置的壓降要大一些。下面分析中壓與低壓制氫裝置在同樣的壓降情況下，壓降變化對壓縮功耗的影響。

以下分別以低壓煤氣化爐出口壓力為1.6 MPa(g)，氫氣壓縮機出口壓力要求達到1.8 MPa、2.2 MPa時；以及中壓煤氣化爐出口壓力為4.0 MPa(g)，氫氣壓縮機出口壓力要求達到5.5 MPa、6.5 MPa、8.0 MPa時為例，假設粗煤氣量為223 192 kg/h(250 494 Nm3/h)，最終氫氣產量為90 000 Nm3/h，并進入壓縮機升壓。按照煤氣化制氫裝置總壓降分別為0.90/0.95/1.0/1.05/1.1 MPa時，對壓縮機所需的功率進行計算，計算結果見表1～5。

表1 低壓煤制氫裝置壓降對壓縮機功耗的影響1

表2 低壓煤制氫裝置壓降對壓縮機功耗的影響2

由表1～2數據可見，在煤氣化爐出口壓力為1.6 MPa(g)的情況下，與裝置上游具有的壓頭1.6 MPa(g)相比，制氫裝置的總壓降損失占比高，即約有一半以上的壓力能損失在裝置內各單元內，工藝氣進入壓縮機入口的壓力較低。此時，當裝置的總壓降損失每減少0.05 MPa，即壓縮機入口壓力每提高0.05 MPa時，壓縮機功耗將降低約230～330 kW左右，降低幅度是較大的。

表3 中壓煤制氫裝置壓降對壓縮機功耗的影響1

表4 中壓煤制氫裝置壓降對壓縮機功耗的影響2

表5 中壓煤制氫裝置壓降對壓縮機功耗的影響3

由表3～5數據可見，在煤氣化爐出口壓力較高為4.0 MPa(g)情況下，與裝置上游具有的壓頭4.0 MPa(g)相比，制氫裝置的總壓降損失占比相對較低，即有25%～30%的壓力能損失在裝置內各單元內，工藝氣進入壓縮機入口的壓力相對較高。此時，當裝置的總壓降損失每減少0.05 MPa時，即壓縮機入口壓力每提高0.05 MPa時，壓縮機功耗將降低約50～60 kW，與低壓煤制氫裝置相比，降低幅度小得多。

為了更直觀地顯示上述不同壓力等級的制氫裝置的壓降對于壓縮機功耗的影響，根據表1和表5各數據分別給出了壓降相同、壓縮機功耗接近時，功耗隨制氫裝置壓降的變化曲線見圖2。

圖2 壓縮機功耗隨制氫裝置壓降的變化曲線

由圖2可以看出，低壓煤制氫裝置壓縮機功耗隨壓降的變化率遠大于高壓煤制氫裝置，即壓縮機入口壓力較低時，壓降變化會引起壓縮機功耗的顯著變化。

綜上所述，若煤制氫裝置后續設有壓縮機，與中壓煤制氫相比，低壓煤制氫裝置后續壓縮機的入口壓力較低，降低壓降即提高壓縮機入口壓力，使壓縮機功耗降低幅度更大。因此，有效降低低壓煤制氫裝置的壓降對降低壓縮功耗及裝置運營成本更有意義。

3 變換單元壓降對壓縮機功耗的影響及優化

煤制氫裝置變換單元的典型流程見圖3。變換單元的壓降主要有兩部分：管道壓力降和設備壓力降。

圖3 一段中溫+兩段低溫變換工藝流程注：1—氣液分離器；2—中溫變換爐；3—低溫變換爐；4—變換氣第一分離器；5—變換氣第二分離器；6—變換氣氨洗塔

3.1 變換設備壓降對壓縮機功耗的影響及優化

變換單元的主工藝氣主要經過脫毒槽、變換爐、換熱器、氣液分離器和氨洗塔這4類設備。氣液分離器相較其他設備壓降較小，一般只有250～500 Pa[2]，對于壓降控制意義不大，因此不作過多分析。變換氣氨洗塔的塔盤數量較少，壓降一般在5 kPa左右，壓降降低空間也不大。換熱器及變換爐的壓降較大，是變換單元設備壓降的主要影響因素。

變換單元常用的換熱器為管殼式管熱器，工程設計中進行換熱器的選型計算時，都會根據裝置的操作壓力等級、允許壓降范圍等因素對換熱器的壓降進行優化，選取合理的壓力降，做到經濟合理。

變換爐是變換單元的主要設備，它是內裝催化劑的固定床反應器，與本單元內的其他設備相比，變換爐的壓降比較高。而煤制氫裝置要求的變換深度高，一般需要多臺變換爐串聯才能將粗煤氣中的CO基本都轉變成氫氣。因此，變換爐在變換單元設備壓降的占比較高。

變換爐按內部結構的不同分為軸向變換爐、軸徑向變換爐、徑向變換爐、等溫變換爐。其中，軸向變換爐中的變換氣是軸向通過催化劑床層，床層較高、壓降較大，一般在50～70 kPa。而對于軸徑向變換反應器、徑向變換反應器，等溫變換反應器，變換氣是徑向進入催化劑床層，這些反應器的共同特點是反應器內件結構較復雜，但流通面積增大、氣體流路短、阻力明顯降低，一般低于30 kPa。在裝置規模較大時，由于催化劑裝填量多，導致床層增高，此時采用徑向類型變換爐則降低床層壓降的效果更加明顯。

對于表1～5的舉例，假定煤制氫總壓降為第一行所列壓降，即1.1 MPa時，3臺變換爐采用的是軸向反應器，此時每臺軸向反應器的壓降約為0.05 MPa，則3臺變換爐的總壓降約為0.15 MPa。如果將這3臺變換爐改用軸徑向反應器，此時每臺軸徑向反應器的壓降為0.02 MPa，則3臺變換爐的總壓降降至0.06 MPa，即3臺變換爐改用軸徑向反應器，將使煤制氫總壓降比原來減少0.09 MPa，此時裝置總壓降將由1.1 MPa降至為1.01 MPa，若近似按1.0 MPa算，可以從表1～5的第三行所列數據看出，變換爐改用壓降低的軸徑向爐對后續壓縮機功耗的影響程度。對于上述條件的低壓變換，壓縮機功耗將降低600 kW左右；對于上述條件的中壓變換，壓縮機功耗將降低100 kW左右。

從上述分析可見，無論低壓還是中壓變換，采用軸徑向或徑向型變換爐時壓降降低顯著，對降低壓縮機功耗具有顯著作用，特別對于低壓變換的影響程度更大。因此，優化變換單元設備的壓降，重點應對變換爐結構型式的優化，對于較大型裝置，建議采用軸徑向變換反應器、徑向變換反應器、等溫變換反應器等。

3.2 變換管道壓降對壓縮機功耗的影響及優化

變換單元的主工藝氣經歷的管道長，其管道阻力損失遠遠高于其他單元。如果能對變換單元的管道壓降進行優化，則對降低制氫裝置總壓降也能起到重要作用。

管路系統的阻力降主要包括直管阻力降和管道附件的局部壓力降，其中管道附件可以折合成直管長度。管道壓力降基本計算公式見式(3)；按照預定介質流速確定管徑的基本計算公式見式(4)；綜合公式(3)、(4)可導出的管道壓力降計算公式如式(5)：

(3)[3]

(4)

(5)

其中，ΔPf為摩擦壓力降，kPa；W為管內介質的質量流量，kg/h；λ為直管阻力系數，無因次；l為直管長度，m；d為管道內徑，mm；ρ為流體密度，kg/m3；u為流速，m/s。

公式(5)中，直管阻力系數λ主要與介質流動狀態(雷諾數)、管壁的絕對粗糙度相關；直管長度l與工藝流程設置及管道布置方式有關。從上述公式可以看出，對于流量一定的介質，流速u對摩擦壓力降ΔPf的影響最大，其次流體密度ρ對ΔPf的影響也比較大。

中壓變換工藝氣的密度比低壓變換工藝氣的密度大得多，因此，處理能力相同、介質流速相同的中壓變換比低壓變換的管道壓降更大。

下面再分別以低壓和中壓煤制氫的變換裝置為例，分析計算一下工藝氣管道(粗煤氣、變換氣)流速變化導致管道阻力變化，對后續壓縮機功耗的影響。

當然實際工程中變換單元內各段工藝管線的流速不會完全相同，本文為了方便比較流速變化對管線壓降的影響，假定單元內每段管線的管徑及流速都是相同的。

對于表1的低壓煤制氫變換裝置，假定3臺變換爐均采用軸徑向反應器，假定工藝管線的流速為20 m/s時，裝置總壓降為第3行所列數據1.0 MPa，此時壓縮機入口壓力0.60 MPa(g)，現將管線流速逐步降低至15m/s，計算變換單元管線流速變化對低壓煤制氫的總壓降及壓縮機功率的影響(見表6)。

表6 低壓煤制氫變換單元管線流速對總壓降及壓縮機功率的影響

從表6可看出，對于低壓變換，工藝氣密度較小，變換管線百米壓降較小。當管線流速從20 m/s逐步降低至15 m/s時，管線的百米壓降將由5.26 kPa降低至2.51 kPa，降低了2.75 kPa。在本示例假定的流量下，選用管線內徑的變化范圍為639～737 mm，管線流速每降低1 m/s，管線百米壓降將降低約0.43～0.66 kPa，制氫裝置總壓降將降低約0.01～0.02 MPa，相應壓縮機功耗將降低47.03～83.36 kW。

對于上述舉例的表5的中壓煤制氫變換裝置，假定3臺變換爐均采用軸徑向反應器，工藝管線的流速為20 m/s時，裝置總壓降為第3行所列數據1.0 MPa，此時壓縮機入口壓力3.00 MPa(g)，現將管線流速逐步降低至15 m/s，計算變換單元管線流速變化對中壓煤制氫的總壓降及壓縮機功率的影響(見表7)。

表7 中壓煤制氫變換單元管線流速對總壓降及壓縮機功率的影響

從表7可看出，對于中壓變換，由于工藝氣密度較大，則管線百米壓降較大。當管線流速從20 m/s逐步降低至15 m/s時，管線的百米壓降將由22.58 kPa降低至10.65 kPa，降低了11.93 kPa。在本示例假定的流量下，選用管線內徑的變化范圍為406～469 mm，管線流速每降低1 m/s，管線百米壓降將降低約1.96～2.83 kPa，制氫裝置總壓降將降低約0.05～0.07 MPa，相應壓縮機功耗將降低53.65～82.43 kW。

為更直觀地看出低壓及中壓系統下壓縮機功耗隨變換管線流速變化的影響，根據表6及表7中相關數據，分別做出制氫裝置壓降及壓縮機功耗隨變換單元管線流速變化的曲線(見圖4)，假定制氫裝置其他各單元的壓降是一定的。

圖4 制氫裝置壓降及壓縮機功耗隨變換單元管線流速的變化曲線

由圖4可以看出，低壓制氫壓降隨流速的變化率比中壓制氫的小，說明管道流速發生變化時，低壓管線的壓降變化小而中壓管線的壓降變化大。但是中、低壓制氫功耗隨變換單元管線流速的變化率則基本相同。

從上述分析可見，無論低壓還是中壓變換，通過擴大管徑來降低管線流速減小管道壓降均可以明顯降低壓縮機功耗。管道流速發生同樣變化時，雖然中、低壓管線的壓降變化不同，但最終對壓縮機功耗的影響基本相同。

4 結語

當煤制氫裝置后續需設置壓縮機用以提升氫氣的壓力時，若想提升壓縮機入口壓力以降低功耗，應主要從降低變換單元壓降入手。從以上分析可見，無論低壓及中壓煤制氫裝置，變換采用軸徑向或徑向型變換爐時壓降降低顯著，對降低壓縮機功耗具有顯著作用，特別對于低壓變換的影響程度更大。因此，優化變換單元設備的壓降，重點應對變換爐結構型式的優化，對于較大型裝置，建議采用軸徑向變換反應器、徑向變換反應器、等溫變換反應器。

由于煤制氫裝置變換單元主工藝氣流經管線最長，因而，還可通過擴大管徑降低管線流速的方式進一步降低系統壓降，達到減少壓縮機功耗的目的。但管徑擴大隨之會造成投資費用的增加，因此，在實際工程設計中，應對擴大管徑造成的投資費用增加與降低壓縮機功耗造成的運營成本降低進行經濟對比后再做決定。