基于HYSYS流程模擬軟件的制氫裝置節能方向研究

方華龍

(中國石化青島煉化公司 煉油三部，山東 青島 266550)

氫氣是許多石油化學品的重要原料之一，隨著我國臨氫裝置技術的不斷發展，對于氫氣的需求也越來越大。當重整氫、乙烯裂解氫等廉價氫源不能滿足煉廠綜合需求時，就需要制氫裝置彌補氫氣缺口。輕烴水轉化制氫裝置技術成熟，原料種類廣泛，可以利用煉廠多余的干氣制氫；既可以降低制氫成本，有可以解決煉廠火炬氣過剩的問題。但是綜合來講，制氫裝置是能耗大戶，盡可能的降低制氫能耗是每個煉廠努力的方向。本文基于HYSYS流程模擬軟件，對某煉化公司1#制氫裝置進行模擬優化，研究裝置節能方向。

1 裝置簡介

1#制氫裝置是某煉化公司1.0×107t/a煉油加工流程的一套主體裝置，設計產氫能力為3×104Nm3/h工業氫，年開工時數為8400 h，相當于產純氫2.268×104t/a。

本制氫裝置采用烴類水蒸汽轉化法造氣和變壓吸附氫氣提純的工藝，工藝流程簡單，成熟可靠，產品氫氣純度高。裝置由原料升壓及預處理、轉化及中溫變換、中變氣換熱及冷卻、PSA氫氣提純、工藝冷凝水回收及蒸汽發生系統等五部分組成。裝置原料設計為天然氣或液化天然氣(LNG)，以罐區提供的輕石腦油為補充原料，產品為工業氫氣，氫氣主要提供給全廠2.2 MPa氫氣管網；另外少量高純度氫氣送聚丙烯裝置。裝置副產的變壓吸附尾氣，全部用作轉化爐燃料。另外，裝置設計負荷下副產3.5 MPa過熱蒸汽23.42 t/h。

裝置的產品氫氣純度為99.9%(v)以上，氫氣主要供給蠟油加氫精制裝置，并與全廠氫氣管網相連；少量氫純度99.99%以上、CO含量低于0.5×10-6mol/mol的高純度氫氣，專線供聚丙烯裝置使用。

2 用能構成分析

1#制氫裝置主要用能種類有電、循環水、除氧水、除鹽水、凝結水、3.5 MPa蒸汽(過熱、飽和)、1.0 MPa蒸汽、燃料氣。

其用能組成分析如表1。

由表1可以看出1#制氫裝置主要用能點是燃料氣、除氧水、電能；外送的3.5 MPa蒸汽為其主要降耗手段。由于除氧水與裝置產汽量有關不容易調整，因此裝置節能降耗方向應主要放在節約電能、燃料氣消耗，以及增產3.5 MPa蒸汽上。下面對裝置大功率用電單位原料氣壓縮機，還有影響裝置轉化爐燃料氣用量的水碳比參數進行模擬研究。

表1 1#制氫裝置能耗表

3 壓縮機電能消耗

電能為制氫裝置主要消耗之一，通過比對結果發現公司兩套制氫裝置原料氣壓縮機用電量存在較大差距，在低負荷下2#制氫壓縮機無級調速系統存在明顯節能優勢，在壓縮機70%左右負荷下，電流僅為60 A左右，而一制氫壓縮機為保證入口壓力穩定，采取多配氫的運行方式，壓縮機電流一直處在105 A左右。基于以上特利用HYSYS模擬壓縮機負荷，計算電量消耗。

3.1 計算過程

如圖1，構建壓縮機模型計算模型。

圖1 壓縮機負荷計算模型

裝置壓縮機入口定義工況1為現階段進料，分別為天然氣、加氫PSA尾氣、配氫三種，其在壓縮機入口組成見表2。

表2 工況1原料組成

定義工況2為取消裝置配氫，進料僅為天然氣和加氫PSA尾氣，其壓縮機入口組成見表3。

表3 工況2原料組成

工況1為2018年2月份平均進料，其中天然氣與加氫PSA尾氣比例為1∶1，配氫為1500 Nm3/h；工況2為模擬配氫切除情況；以工況1作為基準負荷100。

工況1下壓縮機運行情況如表4。

表4 工況1下壓縮機運行情況

通過軟件計算結果如表5。

表 5 工況1下壓縮機運行計算結果

工況2下壓縮機運行情況如表6。

表6 工況2下壓縮機運行情況

通過軟件計算結果如表7。

表 7 工況2下壓縮機運行計算結果

4 水碳比

水碳比即裝置原料中水分子與碳原子的摩爾比，對與制氫轉化反應來說是一個重要參數。水碳比過高時，浪費了水蒸氣，減少了水蒸氣的外送量，增加了裝置的能耗，有可能造成催化劑的純化。水碳比低時，會造成反應不完全，爐出口甲烷含量高，輕烴轉化率下降會影響氫氣的產率。目前由于裝置負荷較低，為保證轉化爐不發生偏流，采取高水碳比的操作方式，但是會造成一定能耗增加，通過利用HYSYS模擬轉化反應以及余熱鍋爐B-502，尋找低負荷下最佳水碳比，從而降低燃料氣用量，增加3.5 MPa蒸汽外送。

4.1 轉化爐反應模型

轉化爐由對流段和輻射段組成，且對流段主要起加熱的作用，脫硫氣在輻射段內反應，因此轉化爐模塊采用了一個加熱器模擬對流段；輻射段則選用反應器模型REquil一平衡反應器裝置平衡溫距取20℃模擬結果。

表 8 原料體積組分

原料組成：取1#制氫混合原料氣，其中為天然氣、加裂干氣、加裂液化氣、配氫 四部分組成。原料體積組分如表8。

水碳比變化模擬結果見表9。

表 9 不同水碳比轉化氣中各組分的摩爾流量

由表9可以看出，水碳比在5.5以后產氫收益驟然下降，而每提升0.5水碳比約要提高配汽3.5 t/h，按燃料氣熱值44042 kJ/kg 來計算每小時約增加0.17 t燃料氣消耗，按2000元/t燃料氣價格來計算，每月增加成本25萬元左右；增加3.5 t/h 3.5 MPa蒸汽外送，按噸蒸汽118元計算，每月可以增效30萬元左右。所以在滿足生產需要的情況下，降低水碳比效益十分明顯，綜合考慮水碳比控制在4左右最為經濟。

4.2 余熱鍋爐B-502模型

B-502出口溫度一直以來是制氫瓶頸之一，由于沒有后續調節手段，過高的B-502出口溫度會導致中變反應器超溫，影響生產負荷。通過模擬計算水碳比對B-502出口溫度影響。

如圖2，構建壓縮機模型計算模型。

圖2 B-502換熱計算模型

為簡化計算流程，將余熱鍋爐B-502看做一臺換熱器，管程入口為轉化氣和未反應剩余的水蒸氣的混合物，由于中變反應前后體積不變，可以用中變氣流量FI-01902來表示其流量，未參加轉化反應的剩余水蒸氣后變為脫酸水，可以用脫酸水流量計FI-02002來計算其流量。

整個換熱器換熱量視為固定。

轉化氣組成為：

工況1 定義為目前最低負荷，產氫量：25000 Nm3/h。

表 10 工況1下轉化氣組成

工況2 定義為滿負荷，產氫量為40000 Nm3/h。

表 11 工況2下轉化氣組成

通過軟件計算結果如表12、13。

通過比較結果可以看出在水蒸氣充足的情況下，每噸剩余蒸氣約能影響B-502出口溫度0.7℃左右。降低水碳比可以降低B-502出口溫度。

表 12 工況1計算結果

表 13 工況2計算結果

5 結論

(1)在低負荷下(50%)，壓縮機增上無級調量系統節能效果明顯，按入口壓力0.45 MPa計算，可以減少壓縮機電流35 A左右，折合每月150000 kWh，按一度電1.6元計算，每月可以節約成本24萬元。

(2)在高負荷下如果維持壓縮機入口在較高壓力(0.5 MPa)下，也可以達到節能的目的，但是節能效果有限，只有10%暨電流減少10 A左右。

(3)目前1#制氫在4.5左右，可以將水碳比控制在4.0左右，根據計算可以降本增效每月50萬元左右。

(4)降低配汽量對余熱鍋爐影響不大，適當降低對裝置后續中變反應有一定好處。