氣化制氫工藝與甲烷蒸汽重整制氫的比較

徐 群 王鳳榮 徐顯明

( 中國石油大慶化工研究中心 )

氣化制氫工藝與甲烷蒸汽重整制氫的比較

徐 群 王鳳榮 徐顯明

( 中國石油大慶化工研究中心 )

本文從原料成本及氫氣成本、基建投資、運(yùn)行費(fèi)用等方面將GE公司的氣化制氫工藝流程與傳統(tǒng)的甲烷蒸汽重整過程進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，氣化制氫不但可降低制氫成本，而且還可以解決煉油廠殘渣的處置問題。

氣化 制氫 甲烷 蒸汽重整 煉廠殘渣

隨著國內(nèi)加工含硫原油的數(shù)量越來越多及環(huán)境保護(hù)法規(guī)的更加嚴(yán)格，煉油廠消耗氫氣的數(shù)量也在不斷增長。近年隨著原油性質(zhì)劣化、進(jìn)口原油數(shù)量增多及對綠色環(huán)保產(chǎn)品的需求，新建、擴(kuò)建了不少加氫裝置，因此尋找新的生產(chǎn)氫氣的原料并保持合理的經(jīng)濟(jì)性就成為現(xiàn)代化煉油廠所要考慮的問題之一。

制氫工藝有許多種，其中最常用的是輕烴水蒸汽轉(zhuǎn)化法。它具有工藝流程短、操作簡單、技術(shù)成熟和投資較低等特點(diǎn)。輕烴水蒸氣轉(zhuǎn)化法制氫適用的原料有天然氣、液化氣和石腦油等。天然氣主要成分是甲烷，雜質(zhì)含量少，是制氫的好原料，但受地域限制較多；液化氣和石腦油的主要成分是C3～C12烴類，可用作民用燃料、化工原料等，做制氫原料受價格影響較大，制氫成本居高不下。

隨著重質(zhì)液體（固體）原料氣化工藝技術(shù)的發(fā)展，GE公司提出煉廠干氣（Off gas）、煉廠殘渣——包括減壓渣油（Vacuum Residue）、減黏裂化焦油（Visbreaker Tar）、瀝青（Asphalt）和石油焦（Petroleum Coke）等都可以作為氣化制氫原料[1]，從而為氫氣來源提供新的思路，同時也解決了煉廠中各種殘渣的處置問題。

1、甲烷蒸汽重整與煉廠殘渣氣化工藝比較

天然氣是制氫的好原料，但受地域限制較多。天然氣制氫采用蒸汽轉(zhuǎn)化法，為避免蒸汽轉(zhuǎn)化催化劑中毒，天然氣轉(zhuǎn)化制氫在流程上先進(jìn)行脫硫，一段蒸汽轉(zhuǎn)化后設(shè)置CO變換，變換工藝分高溫變換、高溫變換串低溫變換和中溫變換工藝，變換后變壓吸附法可一步脫除CO2、CO、H2O、N2、CH4等氣體，得到高純的H2。

重質(zhì)液體（固體）原料氣化工藝技術(shù)的發(fā)展使得煉廠殘渣——減壓渣油（Vacuum Residue）、減黏裂化焦油（Visbreaker Tar）、瀝青（Asphalt）和石油焦（Petroleum Coke）等都可以用作制氫原料，通過氣化工藝來制取氫氣。重質(zhì)原料具有含碳多、氫少、灰分和重金屬等雜質(zhì)多、硫含量高等特性，再加上重質(zhì)原料的非氣態(tài)進(jìn)料特性，決定了重質(zhì)原料制氫只能采用氣化工藝。其主要流程為：空分制氧+氣化+耐硫變換+酸性氣體脫除+變壓吸附，此外還需設(shè)置硫回收等裝置，以滿足環(huán)保需要。圖1是兩種工藝的制氫流程簡圖。

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2.幾種煉廠殘渣原料比較

美國GE公司早已具有對煉廠殘渣氣化處理經(jīng)驗(yàn)。該公司提出可將減壓渣油（Vacuum Residue）、減黏裂化焦油（Visbreaker Tar）、瀝青（Asphalt）和石油焦（Petroleum Coke）用作制氫原料。表1列出了幾種原料的組成情況。

表2是GE公司以減壓渣油、石油焦、減粘裂解焦油和瀝青作氣化制氫原料的商業(yè)運(yùn)行情況。

3.氣化制氫原料成本比較

下面用幾個圖列出了減壓渣油、石油焦、減黏裂解爐焦油和瀝青制氫與天然氣制氫成本的比較。

從圖2中可以看出：

減壓渣油為20美元/噸時，氫氣的成本為0.4003美分/標(biāo)準(zhǔn)立方英尺或0.971元/標(biāo)準(zhǔn)立方米。

基于中國的基建費(fèi)用, 氫氣的成本可下降至0.2319美分/標(biāo)準(zhǔn)立方英尺或0.562元/標(biāo)準(zhǔn)立方米。

2010年，卡塔爾LNG的價格為 6.20美元/MMBtu（百萬英熱單位）, 渣油價格在 99.98美元/噸時，較甲烷蒸汽重整制氫仍然具有成本優(yōu)勢。

從圖3中可以看出：

石油焦成本為154.68美元/噸時，氫氣的成本為0.7701美分/標(biāo)準(zhǔn)立方英尺或1.8584元/標(biāo)準(zhǔn)立方米。

基于中國的基建費(fèi)用 , 氫氣的成本可下降至0.5617美分/標(biāo)準(zhǔn)立方英尺或1.3556元/標(biāo)準(zhǔn)立方米。

2010年，卡塔爾LNG的價格為 6.20美元/MMBtu, 石油焦價格在 28.96美元/噸時，較甲烷蒸汽重整制氫仍然具有成本優(yōu)勢。

從圖4可以看出：

減黏裂解焦油成本為20美元/噸時，氫氣的成本為0.4002美分/標(biāo)準(zhǔn)立方英尺或0.971元/標(biāo)準(zhǔn)立方米。

基于中國的基建費(fèi)用 , 氫氣的成本可下降至0.2318美分/標(biāo)準(zhǔn)立方英尺或0.562元/標(biāo)準(zhǔn)立方米。

2010年，卡塔爾LNG的價格為 6.20美元/MMBtu, 裂解焦油價格在 100.31美元/噸時，較甲烷蒸汽重整制氫仍然具有成本優(yōu)勢。

圖5是瀝青氣化制氫與天然氣制氫成本比較。

從圖5可以看出：

瀝青成本為 20美元/噸時，氫氣的成本為0.4016美分/標(biāo)準(zhǔn)立方英尺或0.974元/標(biāo)準(zhǔn)立方米。

基于中國的基建費(fèi)用 , 氫氣的成本可下降至0.2332美分/標(biāo)準(zhǔn)立方英尺或0.566元/標(biāo)準(zhǔn)立方米。

2010年，卡塔爾LNG的價格為 6.20美元/MMBtu, 瀝青價格在 95美元/噸時，較甲烷蒸汽重整制氫仍然具有成本優(yōu)勢。

4.以石油焦為例，分析幾種影響要素對氫氣成本敏感度的影響

圖6是以石油焦為例，分析了幾種影響要素（在線率Availability、基建投資CapEx、原料價格Fuel Price、效率/轉(zhuǎn)化率Efficiency以及運(yùn)行費(fèi)用OpEx）變化10%對氫氣成本產(chǎn)生的影響。

從圖6中可以看出：

在線率降低10%對于氫氣成本增加的影響最大。

基建投資降低10%對于氫氣成本降低的影響最大。

原料價格，效率/轉(zhuǎn)化率以及運(yùn)行費(fèi)用對氫氣成本的影響不明顯。

因此應(yīng)關(guān)注于降低基建投資和提高RAM（可靠性，在線性，可維護(hù)性）來提高項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性。

5.甲烷蒸汽重整與氣化制氫工藝對原料（Fuel）價格、運(yùn)行費(fèi)用（OpEx）和基建投資（CapEx）等影響因素的敏感度分析

從圖7中可以看出，從氫氣成本方面來看，甲烷蒸汽重整制氫對原料價格敏感，氣化制氫對基建投資敏感。

6.結(jié)語

今天的市場中，能源價格波動巨大，對天然氣價格的敏感度是甲烷蒸汽重整制氫的一個重大風(fēng)險。LNG合同價與原油價格的聯(lián)動使其價格的波動進(jìn)一步加劇。 而氣化制氫技術(shù)只對基建投資有較大的敏感度，這使其成為一個明智的選擇。而且氣化制氫還可以解決煉油廠殘渣的處理問題。GE氣化技術(shù)已被國內(nèi)生產(chǎn)商和設(shè)計院反復(fù)應(yīng)用證明了其生產(chǎn)成本是可控的，甚至可以降低。

[1]GE ENERGY (USA) LLC AND/OR ITS AFFILIATES. H2 Manufacturing Processes//中石油技術(shù)交流會資料.北京：[出版者不詳]2011.

Comparison between the hydrogen production technology through gasifi cation and mathane steam reforming process

Xu qun Wang fengrong Xu xianming
( CNPC Daqing Chemical Research Center )

The article compared the hydrogen production technology through gasification from GE company with traditional mathane steam reforming process from fuel price、hydrogen cost、capital investment and operating expense and so on. It shows that hydrogen production through gasification can not only result in cost reduction，but also resolve refinery residue disposal problem。

gasification、hydrogen production、mathane、steam reforming、refinery residue

TQ116.2

A

T1672-8114(2013)03-031-04

徐群（1973.5），女，天津市，大學(xué)本科，工程師