姚念超， 姜岱坤 ，王海峰

(青島伊科思技術(shù)工程有限公司，山東 青島 266000)

制氫裝置的節(jié)能分析

姚念超， 姜岱坤 ，王海峰

(青島伊科思技術(shù)工程有限公司，山東 青島 266000)

對制氫裝置的能耗狀況進(jìn)行了綜合分析評價，指出了過程用能的薄弱環(huán)節(jié)，以此提出了相應(yīng)的用能改進(jìn)措施；對改進(jìn)流程進(jìn)行了相應(yīng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價，結(jié)果表明該熱集成方案具有顯著的系統(tǒng)節(jié)能降耗效果。

制氫裝置；節(jié)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(zhuǎn)化、變換、變壓吸附等幾個工序。系統(tǒng)的節(jié)能潛力主要存在于需消耗大量蒸汽的蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)的工藝及參數(shù)優(yōu)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(jìn)作為研究，裝置原設(shè)計生產(chǎn)工業(yè)氫能力為30000 Nm3/h，以天然氣及加氫PSA尾氣為原料，流程設(shè)計等原因，裝置的蒸汽耗量過大，造成裝置能耗偏高，與國內(nèi)外先進(jìn)水平存在差距。由于裝置設(shè)計中對過程用能缺乏系統(tǒng)的考慮，如轉(zhuǎn)化反應(yīng)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(jìn)行了綜合分析指出了過程用能改進(jìn)的潛力，得到優(yōu)化的工藝操作參數(shù)，極大地降低過程能耗，提高過程的總體經(jīng)濟(jì)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(zhuǎn)化、變換、變壓吸附及余熱回收等6個單元。經(jīng)過預(yù)處理的合格原料與過熱蒸汽混合，經(jīng)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為氫氣、二氧化碳以及一氧化碳。轉(zhuǎn)化氣中的一氧化碳采用中溫變換轉(zhuǎn)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(jìn)

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(yīng)類型多，如加氫、脫硫、轉(zhuǎn)化、變換和變壓吸附等，既有放熱反應(yīng)，也有吸熱反應(yīng)。能量流結(jié)構(gòu)復(fù)雜，原料預(yù)熱與蒸汽動力系統(tǒng)為能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)；轉(zhuǎn)化爐、中溫變換器為能量利用環(huán)節(jié)；各種換熱設(shè)備、煙氣能量回收等則為能量回收環(huán)節(jié)。本裝置設(shè)計能耗見下表1。

表1 裝置設(shè)計能耗表

本裝置綜合能耗為1219 kg標(biāo)油/H2(t)，其中轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化爐的燃料消耗，提高轉(zhuǎn)化爐煙氣回收效率是裝置節(jié)能的關(guān)鍵。通過能量分析發(fā)現(xiàn)在滿足目的反應(yīng)條件的前提下裝置的工藝流程設(shè)計基本合理，但仍存在部分改進(jìn)的潛力，因制氫裝置是全廠氫氣管網(wǎng)壓力的主要調(diào)節(jié)裝置，因此裝置大多在較低負(fù)荷下運行，轉(zhuǎn)化反應(yīng)的水碳比高達(dá)6.0，既增加能耗又影響設(shè)備的生產(chǎn)能力。轉(zhuǎn)化爐F10l熱效率達(dá)到92%，能量轉(zhuǎn)換效率較高，然而其煙氣能量回收過程設(shè)計不是很合理，在裝置滿負(fù)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(jìn)一步提高。

2．2 用能優(yōu)化改進(jìn)

2．2．1 水碳比優(yōu)化

表2 水碳比與燃料消耗對比表

在制氫的操作條件下，轉(zhuǎn)化反應(yīng)應(yīng)受其熱力學(xué)平衡限制。為了得到較高的原料轉(zhuǎn)化率，降低轉(zhuǎn)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(xué)計量值。水碳比加大，有利于轉(zhuǎn)化爐管內(nèi)傳熱以及防止結(jié)炭反應(yīng)發(fā)生和提高變換工序的一氧化碳變換率，同時在維持相同轉(zhuǎn)化條件下，可以降低轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化反應(yīng)是強(qiáng)吸熱反應(yīng)，溫度高達(dá)780～860℃ ，蒸汽進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐管，只有30%左右的蒸汽參加了化學(xué)反應(yīng)，而剩余蒸汽只能隨著轉(zhuǎn)化氣進(jìn)入下游工序，通常過剩蒸汽吸收的熱量要占轉(zhuǎn)化爐總熱負(fù)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(zhuǎn)化工序及下游工序能量回收系統(tǒng)的投資。因此，選擇合適的水碳比，對制氫裝置的節(jié)能降耗和長期平穩(wěn)操作都至關(guān)重要。當(dāng)然，如果單從節(jié)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(jié)炭，影響正常生產(chǎn)；其次為提高原料產(chǎn)氫率，就需用提高轉(zhuǎn)化爐出口氣體溫度來補(bǔ)償，水碳比每下降0．25，轉(zhuǎn)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(yōu)化水碳比能降低反應(yīng)過程的工藝總用能，從源頭實現(xiàn)過程的節(jié)能降耗。根據(jù)催化劑和轉(zhuǎn)化爐管性能與現(xiàn)狀綜合考慮，裝置水碳比設(shè)計值≥3.0(以天然氣為原料)比較合理。實際反應(yīng)過程的水碳比與設(shè)計的水碳比比較高30%左右，在裝置負(fù)荷≥30%的情況下，采用符合設(shè)計要求較低的水碳比，不會造成原料氣在爐管內(nèi)的偏流，對裝置節(jié)能降耗有益。

2．2．2 轉(zhuǎn)化爐優(yōu)化

轉(zhuǎn)化爐F10l是本裝置的主要能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，耗能較高，合理利用和回收其熱量是本裝置節(jié)能的關(guān)鍵。從裝置操作數(shù)據(jù)可知，當(dāng)裝置滿負(fù)荷生產(chǎn)時轉(zhuǎn)化爐出口煙氣的溫度高達(dá)190℃ ，煙氣流量為 106380 Nm3/h，在現(xiàn)有的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件下，通過對空氣預(yù)熱器進(jìn)行改造，增加空氣預(yù)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(xù)氧化生成SO3,SO3遇水凝結(jié)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(chǎn)物中有FeS 、Fe2O3，還有單體S。據(jù)資料介紹[1]，煙氣中的SO2大約有2%～3%要轉(zhuǎn)化成SO3，當(dāng)SO3含量達(dá)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(dá)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(yù)熱器的使用壽命，減少煙氣露點腐蝕，煙氣出口溫度的設(shè)計溫度應(yīng)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(shù)據(jù)：

表3 煙氣測試數(shù)據(jù)

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(shè)計溫度而不用擔(dān)心露點腐蝕，而制氫裝置中設(shè)計排煙溫度為190℃，通過對空氣預(yù)熱器加以改造就可以使排煙溫度降至130℃以下。

表4 空氣預(yù)熱器的性能參數(shù)

按裝置滿負(fù)荷來考慮，當(dāng)煙氣溫度降至130℃時節(jié)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(biāo)油/t。從計算可知，通過降低轉(zhuǎn)化爐的排煙溫度，使進(jìn)轉(zhuǎn)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(jīng)濟(jì)評價

通過對裝置水碳比的優(yōu)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(jié)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(zhuǎn)化爐空氣預(yù)熱器進(jìn)行改造，將排煙溫度降至130℃，每小時可節(jié)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(jié)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(shè)備主要包括新增煙氣熱量回收，初步估算所需設(shè)備投資約為200萬元，通過裝置改造及優(yōu)化操作，每年可節(jié)約資金約312萬元，因此改造方案的經(jīng)濟(jì)性極好。

4 結(jié)論

通過對制氫裝置的能量平衡分析和用能分析發(fā)現(xiàn)，造成制氫裝置能耗偏高的主要原因是裝置長時間低負(fù)荷運行，在生產(chǎn)過程中轉(zhuǎn)化工藝采用了過高的水碳比、轉(zhuǎn)化爐過高的爐排煙溫度；通過優(yōu)化操作，降低轉(zhuǎn)化工藝中過高的水碳比，通過技術(shù)改造，增加空氣預(yù)熱器的換熱面積，提高進(jìn)轉(zhuǎn)化爐預(yù)熱空氣溫度，減少瓦斯消耗等相關(guān)的能量回收系統(tǒng)改造，實現(xiàn)了系統(tǒng)整體節(jié)能，極大提高了裝置的熱量利用效率，取得約312萬元/年的節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益，說明所提出的改進(jìn)方案和措施經(jīng)濟(jì)性極好。

[1] 李群柱，郭劍峰．預(yù)轉(zhuǎn)化制氫工藝的最新進(jìn)展及其節(jié)能潛力淺析[J]．煉油技術(shù)與工程, 2001, 31(3):40-43.

(本文文獻(xiàn)格式：姚念超， 姜岱坤 ，王海峰.制氫裝置的節(jié)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(xué)本科， 1994年畢業(yè)于廣東石油化工學(xué)院，一直從事石油化工的技術(shù)管理工作。

TE624

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