幾種不同原料制取氫氣工藝路線技術(shù)經(jīng)濟性探討

陳　麗 ， 程延峰

(河南能源化工集團有限公司 義馬氣化廠 ， 河南 義馬　472300)

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幾種不同原料制取氫氣工藝路線技術(shù)經(jīng)濟性探討

陳麗 ， 程延峰

(河南能源化工集團有限公司 義馬氣化廠 ， 河南 義馬472300)

摘要：提出了不同原料制取氫氣的工藝路線，分析比較不同工藝路線制氫的特點，進行技術(shù)及經(jīng)濟比較，提出應(yīng)綜合考慮項目背景、原料來源、投資和成本、建設(shè)規(guī)模選擇合適的制氫工藝路線。

關(guān)鍵詞：不同原料 ； 制取氫氣 ； 工藝路線 ； 技術(shù)及經(jīng)濟比較

硫含量是車用汽油中最關(guān)鍵的環(huán)保指標，為進一步提高汽車尾氣凈化系統(tǒng)的能力，減少汽車污染物排放，《第五階段車用汽油國家標準》將硫含量指標限值由第四階段的50×10-6降為10×10-6。此前于2013年6月發(fā)布的《第五階段車用柴油國家標準》同樣要求車用柴油的硫含量不大于10×10-6。油品硫含量指標的升級、煉油原料高硫劣質(zhì)化和催化重整制芳烴受限三大因素將提升中國煉廠的氫氣需求。為了使汽柴油硫含量滿足不大于10×10-6的標準，需要對催化汽油進行進一步加氫，并對催化柴油進行高壓加氫改質(zhì)。

氫氣作為重要的工業(yè)原料和還原劑，主要應(yīng)用于煉化項目供氫、合成氨生產(chǎn)、氫氣外銷和直接液化煤制油四個方面。傳統(tǒng)的制氫工藝有烴類水蒸氣重整制氫(SMR)、煤制氫、重油(渣油)部分氧化重整制氫(POX)、水電解及變壓吸附(PSA)等工藝路線。

1不同原料制氫路線介紹

就國內(nèi)煉廠而言，目前制氫原料路線的選擇，主要取決于原料資源的可得性和氫氣成本的高低。工業(yè)制氫的方式有很多種，歸納起來，主要有甲醇、重油、烴類(天然氣、煉廠干氣或者輕石腦油)、原料煤等制氫技術(shù)。

1.1　甲醇蒸汽重整制氫

隨著甲醇制氫催化劑的成功開發(fā)，甲醇蒸汽重整制氫工藝已在小規(guī)模用氫領(lǐng)域推廣應(yīng)用。甲醇裂解制氫投資小，規(guī)模靈活，但原料成本較高，因此更適用于較小(100~1 000 Nm3/h)規(guī)模，對氫氣價格承受力較高的用戶。

1.2　重油(渣油)部分氧化重整制氫

渣油、脫油瀝青等重質(zhì)油氣化路線曾經(jīng)廣泛應(yīng)用于制氫，目前仍有小部分企業(yè)采取該路線。

1.3　烴類水蒸氣重整制氫

對已中等規(guī)模的氫氣需求，天然氣蒸汽重整制氫裝置更為合適，其單位投資低，在中等規(guī)模下也具備經(jīng)濟性。

1.4　煤制氫

對于大規(guī)模的氫氣需求，天然氣蒸汽重整制氫和煤氣化制氫各有特點，但在天然氣難以獲得或價格過高的區(qū)域，煤氣化制氫更具優(yōu)勢，尤其是煤氣化(廢鍋流程)還可以副產(chǎn)大量高品質(zhì)蒸汽供應(yīng)生產(chǎn)系統(tǒng)。

2各種制氫路線成本及能耗對比

制氫規(guī)模：14萬Nm3/h，氫氣純度：≥99.9%(物質(zhì)的量分數(shù))；氫氣壓力：≥3.1 MPa(G)， 年操作時間：8 000 h。

表1　各制氫路線成極能耗比較

由表1可知，重質(zhì)油原料有原油、重油、減壓渣油和瀝青等，據(jù)粗略統(tǒng)計，全球煉油廠通過部分氧化法制取氫氣僅占氫氣來源的4%，限制其發(fā)展和工業(yè)應(yīng)用的主要原因是工程投資太大，氫氣成本高；石腦油制氫的成本也同樣過高，將其用于深加工，能發(fā)揮出更大的經(jīng)濟效益，因而這幾條路線不適宜繼續(xù)作為煉廠制氫的發(fā)展方向。焦爐氣制氫如果是在綜合型工業(yè)園區(qū)，具備臨近大規(guī)模煉焦企業(yè)等便利條件，可以考慮采用焦爐氣制氫的工藝路線。天然氣制氫投資省、成本低，被公認為是煉油廠工業(yè)制氫的最佳方案，所以該工藝約占世界煉油廠制氫的96%。近年來煤氣化技術(shù)在中國獲得了極大的發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于化肥、甲醇、乙烯、乙二醇、煤制油、煤制氣等大宗化學(xué)產(chǎn)品的生產(chǎn)中，因為中天然氣原料成本約占氫氣成本的80%，所以在天然氣價格過高的區(qū)域，煤氣化制氫優(yōu)勢明顯。

3煤制氫與天然氣制氫經(jīng)濟性比較

根據(jù)某制氫項目的方案對比情況，對一定價格區(qū)間下天然氣制氫與煤制氫(GE水煤漿氣化)進行成本計算，得到不同原料價格對應(yīng)氫氣成本，見表2。

表2　不同原料對應(yīng)氫氣成本

從表2中的成本對比曲線可以看出：天然氣制氫成本對原料價格更為敏感。在目前煤與天然氣價格走勢下，煤制氫具備一定的成本優(yōu)勢。

4煤制氫關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)氣化爐的結(jié)構(gòu)特點，煤氣化技術(shù)可以劃分為固定床、流化床、氣流床等，其代表性技術(shù)分別為碎煤加壓氣化、U-GAS氣化， WHG干煤粉氣化或GE水煤漿氣化。表3和表4分別列出了上述氣化技術(shù)典型的氣化產(chǎn)品組成及投資和成本對比。

表3　不同氣化技術(shù)典型的氣化產(chǎn)品組成(體積分數(shù))　%

表4　不同氣化技術(shù)投資和成本對比

根據(jù)表3及表4數(shù)據(jù)，認為碎煤加壓氣化、U-GAS氣化在以甲烷為目標的產(chǎn)品當中有明顯的競爭力，而干粉煤(WHG)、水煤漿氣化生產(chǎn)合成氣方面有競爭優(yōu)勢。14萬Nm3/h煤制氫規(guī)模裝置投資(不含公用工程)，干粉煤(WHG)氣化比其他三種氣化技術(shù)投資高出20%~26%，氫氣成本比其他三種氣化技術(shù)高出17%~32%。U-gas氣化技術(shù)煤種適用性強，能夠氣化劣質(zhì)煤，污水投資小，國內(nèi)首套工業(yè)化裝置運行，技術(shù)上還處于逐漸成熟期，與石化煉油裝置要求長周期穩(wěn)定運行有一定差距。碎煤加壓氣化、水煤漿氣化氫氣成本相當，技術(shù)成熟可靠，能保證供氫的連續(xù)性，碎煤加壓氣化副產(chǎn)CH4產(chǎn)品，經(jīng)濟效益有優(yōu)勢，可以作為煤制氫工藝技術(shù)重點選擇對象。

5結(jié)論

各種制氫工藝路線均是成熟可靠的。 煉廠干氣、石腦油、重質(zhì)油制氫存在成本高、原料價值未充分利用等影響效益問題，因此現(xiàn)有煉廠干氣制氫、石腦油、重質(zhì)油制氫裝置紛紛停產(chǎn)。 天然氣制氫投資低，天然氣價格持續(xù)走高的情況下，天然氣制氫效益會受到嚴重影響。煤制氫一次投資和能耗較高，但單位成本較低，隨著氣化技術(shù)的不斷進步，利用煤以及石油焦制氫已經(jīng)成為技術(shù)成熟、環(huán)境友好、經(jīng)濟效益好的生產(chǎn)方式。盡管可能受到碳排放政策的影響，但是即便考慮了“碳稅”，在燃料價格普遍上漲的情況下，煤制氫仍具備相當?shù)某杀緝?yōu)勢，而且可以優(yōu)化煉廠的物料平衡，已成為中國煉廠制氫的重要發(fā)展方向，在未來的制氫工藝中將占有重要的地位。

?分析與測試?

作者簡介：陳麗(1973-)，女，高級工程師，從事煤化工管理工作，電話：(0398)5625516。

收稿日期：2015-01-22

中圖分類號：TQ116.2

文獻標識碼：B

文章編號：1003-3467(2015)05-0056-02