制氢装置的节能工艺技术分析

制氢装置的节能工艺技术分析

邢琎

中石化天津分公司炼油部天津市300270

摘要：制氢装置属于炼油企业以及煤化工企业生产系统中不可或缺的基本构成部分，同时也是这类企业生产系统中能量消耗最高的装置之一。文章对制氢装置的传统工艺流程进行了分析，详细论述了其中的不足之处，并在此基础上提出了相应的工艺改进策略，以期为相关人员提供参考，进而达到节能降耗的目的。

关键词：制氢装置；节能技术；预转化；冷凝水；余热回收

近些年来，各行各业尤其是汽车行业的发展，促进了我国炼油能力的增强。在炼油企业的生产系统中，临氢装置数量持续增加，其所需氢气主要来源于炼厂富氢气体提纯以及烃类转化制氢氢气等。其中烃类转化制氢装置作为氢气提供设施之一，采用的是辐射转化炉工艺，该工艺已经发展成熟，但制氢成本和能源消耗都比较高。所以，合理改进制氢装置的工艺流程，实现节能降耗，成为目前各炼油企业面临的重要问题。

1.原料加热方式分析

通过加热炉对原料进行加热来制造氢气是以往制氢装置常用的方式。为了减少燃料气使用量，进一步减低能源消耗。我国积极推广应用自产3.5兆帕饱和蒸汽加热以及中变气加热两种加热制氢装置。饱和蒸汽加热方式的中变气的生育热量传输到锅炉给水系统以制造蒸汽，原料通过装置自产的蒸汽加热，为有效调控预热之后的温度提供了极大便利，但其热量利用率相对较低，并且还要综合考虑换热后凝结水的回收事宜。中变气加热方式的中变气则能够与原料气直接进行热交换，将物料温度的换热次数有效减少，从而大大提升能量利用率。但中变气加热原料的方式也具有一定缺陷，比如当换热器产生泄露问题时，很容易导致PSA系统的催化剂中毒问题[1]。

2.绝热床与等温床结合技术

现阶段，在烯烃含量低于6.4%的加氢反应中，可适用绝热床，而如果原料气中烯烃浓度较高的环境中，等温床较为适用。但我国当前炼厂常采用天然气、焦化干气等多种制氢装置原料，并且这写原料的组分范围也存在不同程度的变化。

对于富含烯烃的原料气，如果仅靠绝热加氢反应器难以满足制氢工艺要求。而等温床反应器可在列管内填充催化剂，并利用导热油或水的汽化吸热作用将反应中产生的热量带走，从而实现对催化剂床层反应温度及温升的有效控制。但等温床受加氢转化平衡的制约，其出口气体中依然蕴含3%左右的烯烃。为了促使饱和原料气能达到转化进料的要求，应再串联一个绝热床反应器，以不断加氢饱和，直至二段加氢工艺的烯烃转化率超过93%，有机硫和有机氯的转化率超过97%。对进气中的烯烃含量进行有效调节，也就是对等温床跨线阀门开合程度进行调节，能够合理增加绝热床的反应温度，进而提高其转化效率。

如果原料其为纯天然气，或原料气所含烯烃量持续不高时，可将等温床反应器关闭，仅需单独开启绝热反应器，这样就在很大程度上简化了制氢工艺。在绝热床与等温床有效结合的二段加氢工艺，不但解决了原料气烯烃含量高的问题，还能促进低压蒸汽的出现。此工艺对原料气具有良好的适应性，并且操作便捷，最为重要的是能量消耗相对较低，能达到很好的节能效果。

3.预转化技术

转化炉内催化剂最为敏感的工艺参数时水碳比。在各项指标都能达到工艺控制标准的情况下，最大程度地降低水碳比能够有效增强节能降耗的效果。为有效减少转化炉内催化剂积碳，防止中毒情况的出现，并进一步降低转化炉对原料组分和水碳比的敏感程度，可增设一个低温绝热催化反应器，对进入转化炉前的原料气进行充分脱硫，同时把重质烃转化为甲烷以及碳氧化物，从而完成预热化工艺流程[2]。

据有关研究显示，水碳比每下降0.2，转化炉就可以降低4%的燃料消耗。现阶段，常用的转化催化剂KATALCOTM57-4GQ与KATALCOTM25-4Q都具有良好的活性和较高的转化炉，比表面积较大，同时第一次开工即可省去还原步骤而直接进料，预转化反应器将水碳比控制在3.1左右，此时转化炉内的水碳比则能减低到2.5，具有非常明显的节能降耗效果。

4.顶烧式转化炉技术

相比于过去的底烧炉，顶烧式转化炉采取与横向对流段结合的方式，能够促使总热效率超过90%。同时顶烧式转化炉把对流段和烟气风机都设置在了地面上，在一定程度上减少了钢制结构的资金投入。以顶烧箱式炉为例，在其顶部安装高效气体燃烧装置，不但能有效满足高压瓦斯与低压PSA脱附气的燃烧需要，同时可灵活调节一二次风比例，具有很大的弹性操作空间。顶烧箱式炉辐射转化管设计为单排双面形式，下行烟气与炉管内部气体流向相同，从而保证了炉管内吸热量与反应需热量之间的平衡，是表面温度相对均匀。转化炉管的支撑设计为下部固定、上部弹簧吊挂的方式，同时出入口集合管为尾管连接结构，这种设计形式在达到严格的应力要求的同时，又相应减少了高温钢使用量，从而降低了一定的成本支出。

5.冷凝水直接回用技术

冷凝水是制氢工艺中不可或缺的物质，其主要从中变气的分液罐中获取，冷凝水中含有一氧化碳、二氧化碳以及铁离子等杂质[3]。当前我国的制氢装置普遍应用的是间接回用工艺，通过蒸汽汽提方式，从送入常压汽提塔的冷凝水汽提出酸性气，并在常压汽提塔的底部获得酸碱度在7.0左右的精华水，在通过泵压、过滤和加药之后，融入除氧器进行循环使用，也可在加氢装置中注水，塔顶的二氧化碳即可直接排到空气中。

但这种工艺需要大量的设备资金投入，同时需要消耗很多蒸汽，并且不利于环境保护。如果将该工艺用于锅炉回用水，其水质要求铁离子含量不能超过每升50微克，酸碱度必须超过7.0，才能达到标准要求，所以，如果不能做好净化水处理就可能会形成一定的安全隐患。

6.高效余热回收技术

制氢装置具有较大的回收余热的空间，其能总能耗在很大程度上受到热量利用效率的影响。按照加热介质的热源能级别以及温位来科学设定换热顺序，并对换热系统进行整体优化，可以有效降低制氢装置的能耗，提升能量利用率。利用八段换热装置来充分发挥烟气余热的能量，同时可通过转化器余热来生产3.5兆帕的蒸汽和余热除氧水等，并利用中变气来加热除盐水和回用冷凝水。高效余热回收工艺的特点有下面几个：

第一点，在二级热管式空气预热器的作用下，将空气温度提升到375℃，以提升加热炉的热效率。第二点，利用光管和翅片管，来进行逆流和顺流的流向组合，从而减少钢材用量和换热面积，促进换热效率的提高。第三点，在保证适当的传热温差的基础上，降低排烟温度，从而提升能量利用效率。第四点，利用烟气加热替换掉以往的原料气加热炉，从而达到减少设备投入、节约燃料的效果。第五点，该工艺流程中产生的3.5兆帕蒸汽可供其他装置使用，从而增强能量利用高效性与合理性。

7.其他节能方式

第一点，中变气可在变频蒸发式空冷作用下进行冷却，可以促使水冷凝发生分离，以提高PSA产氢质量，实现节约电能和水资源的目的。第二点，在排污过程中产生的扩容蒸汽能够作为除氧器工作的能量来源，同时可利用相关设施将除氧器顶部的白气回收，以达到节水节气的效果。第三点，转化路的燃料可充当副产脱附气，当副产脱附气不足时可使用燃料气作为补充，从而有效减少装置的能量消耗。第四点，在PSA提氢过程中，部分塔器一直处在吸附状态中，能够有效提高设备利用效率。第五点，合二为一的自然循环产气工艺不仅能够减少该工艺的能耗和投入，还将热回收流程进一步简化。

8.结语

在分析和研究传统制氢装置相关工艺流程后得知，导致制氢装置能量消耗相对较高的关键原因是转化工艺中的水碳比太高，转化炉的排烟温度也过高。采取相应改进措施后，使空气预热器换热面积加大，进入转化炉内的预热空气温度得到提升等，从而全面提升了制氢装置的节能效果，并在一定程度上节约了装置改造成本，进而提高炼油企业的经济效益。

参考文献：

[1]张晓辉，赵霞，孙嫚.烃类蒸汽转化法制氢工艺发展现状[J].当代化工研究，2016（12）：63-65.

[2]费恩柱.制氢装置用能分析及节能措施[J].炼油与化工，2016（6）：64-68.

[3]肖曾.浅析闭式冷凝水回收工艺应用[J].当代化工研究，2016（3）：58-59.