帶換熱預(yù)轉(zhuǎn)化的高效輕烴蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝

王良輝，劉衛(wèi)東，徐為民

（昊華化工科技集團(tuán)股份有限公司成都分公司，四川 成都610225）

輕烴（如天然氣、煉廠干氣、油田伴生氣、焦?fàn)t氣、干餾煤氣、液化氣、石腦油等）蒸汽轉(zhuǎn)化制氫是氫氣制備最有效的方法之一。隨著我國對(duì)燃油的升級(jí)要求，油品加氫所需的氫氣將逐年增加，包括氫燃料電池在內(nèi)的其它用氫場合也在不斷涌現(xiàn)；因此，在今后很長的時(shí)間周期內(nèi)將會(huì)有很多輕烴蒸汽轉(zhuǎn)化制氫裝置建設(shè)的市場需求，并且，在輕烴原料供應(yīng)越發(fā)緊張的今天，提高輕烴制氫效率、降低制氫成本愈顯重要。

1 輕烴蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝

現(xiàn)有的輕烴轉(zhuǎn)化制氫一般采用一段蒸汽轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)轉(zhuǎn)化氣，再經(jīng)變換將轉(zhuǎn)化氣中絕大部分CO與轉(zhuǎn)化氣中殘留的水蒸汽反應(yīng)變換為H2和CO2，最后用氣體分離方法分離出變換氣中的氫氣產(chǎn)品[1]。典型的輕烴蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝見圖1。

圖1 典型的輕烴蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝流程圖

轉(zhuǎn)化爐采用的是外加熱排管式轉(zhuǎn)化爐，排管（即轉(zhuǎn)化管）內(nèi)裝填一段轉(zhuǎn)化催化劑，轉(zhuǎn)化原料混合氣（輕烴+水蒸汽）從頭到尾通過轉(zhuǎn)化管內(nèi)的催化劑床層發(fā)生烴類物質(zhì)的轉(zhuǎn)化反應(yīng)，爐體為鋼結(jié)構(gòu)+耐火絕熱材料。轉(zhuǎn)化管內(nèi)的轉(zhuǎn)化強(qiáng)吸熱反應(yīng)所需熱量通過爐體內(nèi)轉(zhuǎn)化管排管之間的燃料燃燒提供。

轉(zhuǎn)化原料混合氣進(jìn)轉(zhuǎn)化管前須經(jīng)轉(zhuǎn)化爐對(duì)流段預(yù)熱到一定溫度（一般為500～600℃），而轉(zhuǎn)化管出口轉(zhuǎn)化氣溫度一般為800～900℃。轉(zhuǎn)化氣和變換氣的高溫余熱需通過副產(chǎn)蒸汽、加熱鍋爐給水等方式盡量回收，然后采用介質(zhì)（空氣或冷卻水）冷卻到40℃以下，分離冷凝的水分后即得到提取氫氣用變換氣。轉(zhuǎn)化爐燃料主要為變換氣提取氫氣后的尾氣，但滿足不了轉(zhuǎn)化爐熱量需求，不足的轉(zhuǎn)化爐熱量用少量輕烴作燃料燃燒補(bǔ)充。

氫氣生產(chǎn)過程的輕烴總消耗由原料輕烴消耗和燃料輕烴消耗組成，而且整個(gè)轉(zhuǎn)化制氫裝置系統(tǒng)利用高溫余熱副產(chǎn)的水蒸汽，除滿足本裝置使用外，還有大量的水蒸汽需要外送，從而造成輕烴一段蒸汽轉(zhuǎn)化法制氫裝置普遍存在原燃料輕烴消耗高、副產(chǎn)的蒸汽需外送消化，這也是目前眾多輕烴轉(zhuǎn)化制氫企業(yè)長期呼吁急需解決的問題。

2 帶換熱預(yù)轉(zhuǎn)化的輕烴蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝

昊華化工科技集團(tuán)股份有限公司成都分公司（原四川天一科技股份有限公司）根據(jù)其長期從事轉(zhuǎn)化催化劑研制及工程設(shè)計(jì)、工程建設(shè)所積累的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)出了一種帶換熱預(yù)轉(zhuǎn)化的高效輕烴蒸汽轉(zhuǎn)化制氫專利技術(shù)[2]，可有效解決現(xiàn)有輕烴轉(zhuǎn)化制氫工藝中輕烴制氫效率不高的問題，帶換熱預(yù)轉(zhuǎn)化的輕烴蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝流程見圖2。

圖2 帶換熱預(yù)轉(zhuǎn)化的輕烴蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝流程圖

本專利技術(shù)的關(guān)鍵是在現(xiàn)行的一段蒸汽轉(zhuǎn)化流程中引入了換熱式預(yù)轉(zhuǎn)化爐，利用一段蒸汽轉(zhuǎn)化爐出口高溫轉(zhuǎn)化氣的顯熱代替部分燃料氣為轉(zhuǎn)化反應(yīng)提供部分熱量，在節(jié)省一段蒸汽轉(zhuǎn)化爐燃料消耗的同時(shí)大量減少副產(chǎn)蒸汽量，副產(chǎn)的蒸汽除自用外基本不外送，充分發(fā)揮了輕烴生產(chǎn)氫氣的效率，同時(shí)減少燃燒廢氣的排放。

國內(nèi)以天然氣為原料的合成氨裝置和甲醇裝置中有很多換熱式轉(zhuǎn)化爐的應(yīng)用實(shí)例[3]，只不過向換熱式轉(zhuǎn)化爐提供熱源的是二段轉(zhuǎn)化氣，溫度高達(dá)950～1000℃。而在帶換熱預(yù)轉(zhuǎn)化的輕烴蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝中，向換熱式預(yù)轉(zhuǎn)化爐提供熱源的是一段轉(zhuǎn)化氣，溫度只有800～900℃，操作條件比合成氨裝置和甲醇裝置的換熱式轉(zhuǎn)化爐要溫和得多。同時(shí)，該專利技術(shù)已完成工藝包設(shè)計(jì)，第一套工業(yè)化的40000Nm3/h富烴干氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫裝置正在山東龍港化工有限公司實(shí)施。因此，國內(nèi)設(shè)計(jì)、制造帶換熱預(yù)轉(zhuǎn)化的輕烴蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝中的換熱式預(yù)轉(zhuǎn)化爐是沒有問題的。

3 不同工藝制氫效率比較

油品加氫裝置是用氫大戶，用氫規(guī)模一般為10000～60000Nm3/h。為了充分比較帶換熱預(yù)轉(zhuǎn)化的輕烴蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝與現(xiàn)有典型的輕烴蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝的制氫效率，選擇常見的20000Nm3/h制氫規(guī)模進(jìn)行計(jì)算比較。

3.1 原料條件

(1)原料組成（見表1）

表1 原料天然氣組成

(2)壓力（表壓）：0.8MPa

(3)溫度：40℃

3.2產(chǎn)品氫氣

(1)氫氣產(chǎn)量：20000Nm3/h

(2)氫氣壓力（表壓）：2.3MPa

(3)氫氣溫度：≤40℃

(4)氫氣產(chǎn)品純度（見表2）

表2 氫氣產(chǎn)品純度

3.3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

表3為帶換熱預(yù)轉(zhuǎn)化的工藝和普通的一段轉(zhuǎn)化工藝制氫的技術(shù)經(jīng)濟(jì)計(jì)算結(jié)果對(duì)比。

表3 兩種工藝計(jì)算結(jié)果對(duì)比

從表3可以看出：

(1)帶換熱預(yù)轉(zhuǎn)化的輕烴蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝比現(xiàn)有典型的輕烴蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝節(jié)省天然氣消耗約6.66%。

(2)對(duì)于20000Nm3/h氫氣產(chǎn)量的制氫裝置，現(xiàn)有典型的輕烴蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝有10.25t/h副產(chǎn)的蒸汽需要外送，而帶換熱預(yù)轉(zhuǎn)化的輕烴蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝卻只有約0.12t/h；這些外送的蒸汽實(shí)際上是通過多消耗燃料天然氣產(chǎn)生的，在天然氣價(jià)格越來越貴的今天，用天然氣燃燒產(chǎn)生蒸汽顯然是不經(jīng)濟(jì)的。

(3)雖然帶換熱預(yù)轉(zhuǎn)化的輕烴蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝裝置比典型工藝裝置相對(duì)投資增加了3%，但由于天然氣的節(jié)省帶來制氫成本的降低，9個(gè)月左右即可收回增加的投資，為企業(yè)帶來長期的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

采用本公司專利技術(shù)的帶換熱預(yù)轉(zhuǎn)化的輕烴蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝可有效地提高輕烴制氫效率，大量減少甚至取消副產(chǎn)蒸汽的外送，比現(xiàn)有典型的輕烴蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝可節(jié)省輕烴消耗約6%～10%，經(jīng)濟(jì)效益顯著。