煤制氫變換單元壓降對(duì)壓縮功耗的影響及優(yōu)化

(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

煤制氫是將煤通過氣化工藝產(chǎn)生以CO、H2為主要成分的粗煤氣，然后再經(jīng)過CO變換、酸性氣體脫除、氫氣提純等工藝過程獲得一定純度的氫氣產(chǎn)品。其中CO變換是煤制氫裝置的主要工藝單元，通過粗煤氣中的CO與水蒸氣發(fā)生變換反應(yīng)，將其中的CO轉(zhuǎn)化為H2。煤制氫裝置的操作壓力一般由氣化單元的壓力決定，目前常用煤氣化工藝的操作壓力等級(jí)一般包括：壓力為1.0～2.0 MPa的低壓氣化和壓力為3.0～6.5 MPa的中壓氣化。如果氣化的操作壓力不能滿足氫氣產(chǎn)品的要求，則后續(xù)需要設(shè)置壓縮機(jī)以提升氫氣產(chǎn)品的壓力。壓縮機(jī)入口壓力的變化對(duì)其功耗的影響比較大，而在煤制氫裝置的總壓降中，變換單元壓降的占比最高，因此，降低變換單元的壓降對(duì)減少煤制氫裝置壓縮機(jī)功耗起到至關(guān)重要的作用，直接影響著裝置的經(jīng)濟(jì)性。

1 煤制氫裝置的壓降分析

煤制氫裝置主要由氣化單元、變換單元、凈化單元、氫氣提純單元組成。工藝流程見圖1。

圖1 煤制氫工藝流程

對(duì)于氣化單元，氣化爐產(chǎn)出的粗煤氣經(jīng)冷卻、除塵、洗滌塔洗滌后送至變換單元。工藝氣系統(tǒng)的壓力損失主要來源于除灰、洗滌及管道輸送，產(chǎn)生壓降的設(shè)備較少，工藝氣在氣化單元的壓降一般在0.2 MPa左右。

在變換單元中，氣化單元送來的粗煤氣要經(jīng)過脫毒槽、多臺(tái)變換爐、多臺(tái)換熱器、多臺(tái)分液罐、氨洗塔后送往凈化單元。工藝氣經(jīng)過的各類設(shè)備多、輸送管線長(zhǎng)，因此產(chǎn)生的壓降較高，一般在0.4～0.6 MPa左右。

凈化單元主要是脫除變換氣中的H2S、CO2等酸性氣體。一般采用低溫甲醇洗或其他脫硫、脫碳工藝，如MDEA、NHD工藝等。這些工藝中，壓降基本為吸收塔產(chǎn)生的壓力損失，工藝氣在本單元的壓降一般在0.2 MPa左右。

氫氣提純常采用的工藝主要有變壓吸附(PSA)法或甲烷化法。PSA工藝產(chǎn)出的氫氣純度高，粗氫氣經(jīng)過PSA吸附器脫除雜質(zhì)后送出界區(qū)，壓降一般在0.05 MPa左右。甲烷化工藝產(chǎn)出的氫氣純度略低，粗氫氣需經(jīng)過ZnO脫硫槽、甲烷化爐、換熱器、分離器后送出界區(qū)，壓降一般在0.15～0.2 MPa左右。

對(duì)于用變壓吸附(PSA)法提純氫氣的煤氣化制氫裝置，包括各單元界區(qū)間的管線輸送產(chǎn)生的壓降，總壓降基本在0.9～1.1 MPa左右。對(duì)于用甲烷化法提純氫氣的煤氣化制氫裝置，總壓降更高一些。

基于上述分析，在煤制氫裝置中，工藝氣在變換單元經(jīng)過的設(shè)備最多、管道最長(zhǎng)，壓力損失最大；而在其他各單元中經(jīng)過的設(shè)備、管道相對(duì)較少，產(chǎn)生的壓降不高，壓降優(yōu)化的空間較小。因此，降低煤制氫裝置的總壓降應(yīng)從變換單元著手。

2 中、低壓制氫裝置壓縮機(jī)功耗隨壓降的變化

下面分別以1.6 MPa(g)等級(jí)的低壓煤制氫和4.0 MPa(g)等級(jí)的中壓煤制氫裝置為例(二者均采用變壓吸附(PSA)法提純氫氣并設(shè)置產(chǎn)品氫氣壓縮機(jī))，分析裝置壓降變化對(duì)壓縮功耗的影響。

2.1 壓縮機(jī)入口壓力與功率的關(guān)系

壓縮機(jī)功率的計(jì)算方法較為復(fù)雜，若只是分析壓縮機(jī)入口壓力對(duì)壓縮功耗的影響，則可從簡(jiǎn)化計(jì)算的理想狀態(tài)——定溫過程的壓縮機(jī)功率來計(jì)算。定溫過程壓縮機(jī)功耗計(jì)算公式見式(1)。

(1)[1]

入口介質(zhì)溫度T1及壓縮機(jī)出口壓力P2一定時(shí)，對(duì)入口壓力P1求導(dǎo)得：

(2)

其中，W為壓縮機(jī)功率；n為介質(zhì)的物質(zhì)的量；R為氣體常數(shù)；T1為壓縮機(jī)入口介質(zhì)溫度；P1，P2為分別為壓縮機(jī)入口、出口介質(zhì)壓力。

由上式可以看出壓縮機(jī)入口壓力與功率的關(guān)系：當(dāng)溫度T1一定時(shí)，壓縮機(jī)入口壓力P1越低，壓縮機(jī)功耗隨P1的變化率越大，即壓縮機(jī)入口壓力越低，入口壓力的變化對(duì)壓縮機(jī)功耗的影響越大。

2.2 中、低壓制氫裝置壓縮機(jī)功耗隨壓降的變化情況

對(duì)于同樣規(guī)模及介質(zhì)的中壓與低壓制氫裝置，由于壓力不同造成的介質(zhì)密度的差異，按照經(jīng)濟(jì)流速選擇管徑時(shí)，計(jì)算出的中壓裝置的壓降將比低壓裝置的壓降要大一些。下面分析中壓與低壓制氫裝置在同樣的壓降情況下，壓降變化對(duì)壓縮功耗的影響。

以下分別以低壓煤氣化爐出口壓力為1.6 MPa(g)，氫氣壓縮機(jī)出口壓力要求達(dá)到1.8 MPa、2.2 MPa時(shí)；以及中壓煤氣化爐出口壓力為4.0 MPa(g)，氫氣壓縮機(jī)出口壓力要求達(dá)到5.5 MPa、6.5 MPa、8.0 MPa時(shí)為例，假設(shè)粗煤氣量為223 192 kg/h(250 494 Nm3/h)，最終氫氣產(chǎn)量為90 000 Nm3/h，并進(jìn)入壓縮機(jī)升壓。按照煤氣化制氫裝置總壓降分別為0.90/0.95/1.0/1.05/1.1 MPa時(shí)，對(duì)壓縮機(jī)所需的功率進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表1～5。

表1 低壓煤制氫裝置壓降對(duì)壓縮機(jī)功耗的影響1

表2 低壓煤制氫裝置壓降對(duì)壓縮機(jī)功耗的影響2

由表1～2數(shù)據(jù)可見，在煤氣化爐出口壓力為1.6 MPa(g)的情況下，與裝置上游具有的壓頭1.6 MPa(g)相比，制氫裝置的總壓降損失占比高，即約有一半以上的壓力能損失在裝置內(nèi)各單元內(nèi)，工藝氣進(jìn)入壓縮機(jī)入口的壓力較低。此時(shí)，當(dāng)裝置的總壓降損失每減少0.05 MPa，即壓縮機(jī)入口壓力每提高0.05 MPa時(shí)，壓縮機(jī)功耗將降低約230～330 kW左右，降低幅度是較大的。

表3 中壓煤制氫裝置壓降對(duì)壓縮機(jī)功耗的影響1

表4 中壓煤制氫裝置壓降對(duì)壓縮機(jī)功耗的影響2

表5 中壓煤制氫裝置壓降對(duì)壓縮機(jī)功耗的影響3

由表3～5數(shù)據(jù)可見，在煤氣化爐出口壓力較高為4.0 MPa(g)情況下，與裝置上游具有的壓頭4.0 MPa(g)相比，制氫裝置的總壓降損失占比相對(duì)較低，即有25%～30%的壓力能損失在裝置內(nèi)各單元內(nèi)，工藝氣進(jìn)入壓縮機(jī)入口的壓力相對(duì)較高。此時(shí)，當(dāng)裝置的總壓降損失每減少0.05 MPa時(shí)，即壓縮機(jī)入口壓力每提高0.05 MPa時(shí)，壓縮機(jī)功耗將降低約50～60 kW，與低壓煤制氫裝置相比，降低幅度小得多。

為了更直觀地顯示上述不同壓力等級(jí)的制氫裝置的壓降對(duì)于壓縮機(jī)功耗的影響，根據(jù)表1和表5各數(shù)據(jù)分別給出了壓降相同、壓縮機(jī)功耗接近時(shí)，功耗隨制氫裝置壓降的變化曲線見圖2。

圖2 壓縮機(jī)功耗隨制氫裝置壓降的變化曲線

由圖2可以看出，低壓煤制氫裝置壓縮機(jī)功耗隨壓降的變化率遠(yuǎn)大于高壓煤制氫裝置，即壓縮機(jī)入口壓力較低時(shí)，壓降變化會(huì)引起壓縮機(jī)功耗的顯著變化。

綜上所述，若煤制氫裝置后續(xù)設(shè)有壓縮機(jī)，與中壓煤制氫相比，低壓煤制氫裝置后續(xù)壓縮機(jī)的入口壓力較低，降低壓降即提高壓縮機(jī)入口壓力，使壓縮機(jī)功耗降低幅度更大。因此，有效降低低壓煤制氫裝置的壓降對(duì)降低壓縮功耗及裝置運(yùn)營(yíng)成本更有意義。

3 變換單元壓降對(duì)壓縮機(jī)功耗的影響及優(yōu)化

煤制氫裝置變換單元的典型流程見圖3。變換單元的壓降主要有兩部分：管道壓力降和設(shè)備壓力降。

圖3 一段中溫+兩段低溫變換工藝流程注：1—?dú)庖悍蛛x器；2—中溫變換爐；3—低溫變換爐；4—變換氣第一分離器；5—變換氣第二分離器；6—變換氣氨洗塔

3.1 變換設(shè)備壓降對(duì)壓縮機(jī)功耗的影響及優(yōu)化

變換單元的主工藝氣主要經(jīng)過脫毒槽、變換爐、換熱器、氣液分離器和氨洗塔這4類設(shè)備。氣液分離器相較其他設(shè)備壓降較小，一般只有250～500 Pa[2]，對(duì)于壓降控制意義不大，因此不作過多分析。變換氣氨洗塔的塔盤數(shù)量較少，壓降一般在5 kPa左右，壓降降低空間也不大。換熱器及變換爐的壓降較大，是變換單元設(shè)備壓降的主要影響因素。

變換單元常用的換熱器為管殼式管熱器，工程設(shè)計(jì)中進(jìn)行換熱器的選型計(jì)算時(shí)，都會(huì)根據(jù)裝置的操作壓力等級(jí)、允許壓降范圍等因素對(duì)換熱器的壓降進(jìn)行優(yōu)化，選取合理的壓力降，做到經(jīng)濟(jì)合理。

變換爐是變換單元的主要設(shè)備，它是內(nèi)裝催化劑的固定床反應(yīng)器，與本單元內(nèi)的其他設(shè)備相比，變換爐的壓降比較高。而煤制氫裝置要求的變換深度高，一般需要多臺(tái)變換爐串聯(lián)才能將粗煤氣中的CO基本都轉(zhuǎn)變成氫氣。因此，變換爐在變換單元設(shè)備壓降的占比較高。

變換爐按內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同分為軸向變換爐、軸徑向變換爐、徑向變換爐、等溫變換爐。其中，軸向變換爐中的變換氣是軸向通過催化劑床層，床層較高、壓降較大，一般在50～70 kPa。而對(duì)于軸徑向變換反應(yīng)器、徑向變換反應(yīng)器，等溫變換反應(yīng)器，變換氣是徑向進(jìn)入催化劑床層，這些反應(yīng)器的共同特點(diǎn)是反應(yīng)器內(nèi)件結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但流通面積增大、氣體流路短、阻力明顯降低，一般低于30 kPa。在裝置規(guī)模較大時(shí)，由于催化劑裝填量多，導(dǎo)致床層增高，此時(shí)采用徑向類型變換爐則降低床層壓降的效果更加明顯。

對(duì)于表1～5的舉例，假定煤制氫總壓降為第一行所列壓降，即1.1 MPa時(shí)，3臺(tái)變換爐采用的是軸向反應(yīng)器，此時(shí)每臺(tái)軸向反應(yīng)器的壓降約為0.05 MPa，則3臺(tái)變換爐的總壓降約為0.15 MPa。如果將這3臺(tái)變換爐改用軸徑向反應(yīng)器，此時(shí)每臺(tái)軸徑向反應(yīng)器的壓降為0.02 MPa，則3臺(tái)變換爐的總壓降降至0.06 MPa，即3臺(tái)變換爐改用軸徑向反應(yīng)器，將使煤制氫總壓降比原來減少0.09 MPa，此時(shí)裝置總壓降將由1.1 MPa降至為1.01 MPa，若近似按1.0 MPa算，可以從表1～5的第三行所列數(shù)據(jù)看出，變換爐改用壓降低的軸徑向爐對(duì)后續(xù)壓縮機(jī)功耗的影響程度。對(duì)于上述條件的低壓變換，壓縮機(jī)功耗將降低600 kW左右；對(duì)于上述條件的中壓變換，壓縮機(jī)功耗將降低100 kW左右。

從上述分析可見，無論低壓還是中壓變換，采用軸徑向或徑向型變換爐時(shí)壓降降低顯著，對(duì)降低壓縮機(jī)功耗具有顯著作用，特別對(duì)于低壓變換的影響程度更大。因此，優(yōu)化變換單元設(shè)備的壓降，重點(diǎn)應(yīng)對(duì)變換爐結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)化，對(duì)于較大型裝置，建議采用軸徑向變換反應(yīng)器、徑向變換反應(yīng)器、等溫變換反應(yīng)器等。

3.2 變換管道壓降對(duì)壓縮機(jī)功耗的影響及優(yōu)化

變換單元的主工藝氣經(jīng)歷的管道長(zhǎng)，其管道阻力損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他單元。如果能對(duì)變換單元的管道壓降進(jìn)行優(yōu)化，則對(duì)降低制氫裝置總壓降也能起到重要作用。

管路系統(tǒng)的阻力降主要包括直管阻力降和管道附件的局部壓力降，其中管道附件可以折合成直管長(zhǎng)度。管道壓力降基本計(jì)算公式見式(3)；按照預(yù)定介質(zhì)流速確定管徑的基本計(jì)算公式見式(4)；綜合公式(3)、(4)可導(dǎo)出的管道壓力降計(jì)算公式如式(5)：

(3)[3]

(4)

(5)

其中，ΔPf為摩擦壓力降，kPa；W為管內(nèi)介質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/h；λ為直管阻力系數(shù)，無因次；l為直管長(zhǎng)度，m；d為管道內(nèi)徑，mm；ρ為流體密度，kg/m3；u為流速，m/s。

公式(5)中，直管阻力系數(shù)λ主要與介質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)(雷諾數(shù))、管壁的絕對(duì)粗糙度相關(guān)；直管長(zhǎng)度l與工藝流程設(shè)置及管道布置方式有關(guān)。從上述公式可以看出，對(duì)于流量一定的介質(zhì)，流速u對(duì)摩擦壓力降ΔPf的影響最大，其次流體密度ρ對(duì)ΔPf的影響也比較大。

中壓變換工藝氣的密度比低壓變換工藝氣的密度大得多，因此，處理能力相同、介質(zhì)流速相同的中壓變換比低壓變換的管道壓降更大。

下面再分別以低壓和中壓煤制氫的變換裝置為例，分析計(jì)算一下工藝氣管道(粗煤氣、變換氣)流速變化導(dǎo)致管道阻力變化，對(duì)后續(xù)壓縮機(jī)功耗的影響。

當(dāng)然實(shí)際工程中變換單元內(nèi)各段工藝管線的流速不會(huì)完全相同，本文為了方便比較流速變化對(duì)管線壓降的影響，假定單元內(nèi)每段管線的管徑及流速都是相同的。

對(duì)于表1的低壓煤制氫變換裝置，假定3臺(tái)變換爐均采用軸徑向反應(yīng)器，假定工藝管線的流速為20 m/s時(shí)，裝置總壓降為第3行所列數(shù)據(jù)1.0 MPa，此時(shí)壓縮機(jī)入口壓力0.60 MPa(g)，現(xiàn)將管線流速逐步降低至15m/s，計(jì)算變換單元管線流速變化對(duì)低壓煤制氫的總壓降及壓縮機(jī)功率的影響(見表6)。

表6 低壓煤制氫變換單元管線流速對(duì)總壓降及壓縮機(jī)功率的影響

從表6可看出，對(duì)于低壓變換，工藝氣密度較小，變換管線百米壓降較小。當(dāng)管線流速?gòu)?0 m/s逐步降低至15 m/s時(shí)，管線的百米壓降將由5.26 kPa降低至2.51 kPa，降低了2.75 kPa。在本示例假定的流量下，選用管線內(nèi)徑的變化范圍為639～737 mm，管線流速每降低1 m/s，管線百米壓降將降低約0.43～0.66 kPa，制氫裝置總壓降將降低約0.01～0.02 MPa，相應(yīng)壓縮機(jī)功耗將降低47.03～83.36 kW。

對(duì)于上述舉例的表5的中壓煤制氫變換裝置，假定3臺(tái)變換爐均采用軸徑向反應(yīng)器，工藝管線的流速為20 m/s時(shí)，裝置總壓降為第3行所列數(shù)據(jù)1.0 MPa，此時(shí)壓縮機(jī)入口壓力3.00 MPa(g)，現(xiàn)將管線流速逐步降低至15 m/s，計(jì)算變換單元管線流速變化對(duì)中壓煤制氫的總壓降及壓縮機(jī)功率的影響(見表7)。

表7 中壓煤制氫變換單元管線流速對(duì)總壓降及壓縮機(jī)功率的影響

從表7可看出，對(duì)于中壓變換，由于工藝氣密度較大，則管線百米壓降較大。當(dāng)管線流速?gòu)?0 m/s逐步降低至15 m/s時(shí)，管線的百米壓降將由22.58 kPa降低至10.65 kPa，降低了11.93 kPa。在本示例假定的流量下，選用管線內(nèi)徑的變化范圍為406～469 mm，管線流速每降低1 m/s，管線百米壓降將降低約1.96～2.83 kPa，制氫裝置總壓降將降低約0.05～0.07 MPa，相應(yīng)壓縮機(jī)功耗將降低53.65～82.43 kW。

為更直觀地看出低壓及中壓系統(tǒng)下壓縮機(jī)功耗隨變換管線流速變化的影響，根據(jù)表6及表7中相關(guān)數(shù)據(jù)，分別做出制氫裝置壓降及壓縮機(jī)功耗隨變換單元管線流速變化的曲線(見圖4)，假定制氫裝置其他各單元的壓降是一定的。

圖4 制氫裝置壓降及壓縮機(jī)功耗隨變換單元管線流速的變化曲線

由圖4可以看出，低壓制氫壓降隨流速的變化率比中壓制氫的小，說明管道流速發(fā)生變化時(shí)，低壓管線的壓降變化小而中壓管線的壓降變化大。但是中、低壓制氫功耗隨變換單元管線流速的變化率則基本相同。

從上述分析可見，無論低壓還是中壓變換，通過擴(kuò)大管徑來降低管線流速減小管道壓降均可以明顯降低壓縮機(jī)功耗。管道流速發(fā)生同樣變化時(shí)，雖然中、低壓管線的壓降變化不同，但最終對(duì)壓縮機(jī)功耗的影響基本相同。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)煤制氫裝置后續(xù)需設(shè)置壓縮機(jī)用以提升氫氣的壓力時(shí)，若想提升壓縮機(jī)入口壓力以降低功耗，應(yīng)主要從降低變換單元壓降入手。從以上分析可見，無論低壓及中壓煤制氫裝置，變換采用軸徑向或徑向型變換爐時(shí)壓降降低顯著，對(duì)降低壓縮機(jī)功耗具有顯著作用，特別對(duì)于低壓變換的影響程度更大。因此，優(yōu)化變換單元設(shè)備的壓降，重點(diǎn)應(yīng)對(duì)變換爐結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)化，對(duì)于較大型裝置，建議采用軸徑向變換反應(yīng)器、徑向變換反應(yīng)器、等溫變換反應(yīng)器。

由于煤制氫裝置變換單元主工藝氣流經(jīng)管線最長(zhǎng)，因而，還可通過擴(kuò)大管徑降低管線流速的方式進(jìn)一步降低系統(tǒng)壓降，達(dá)到減少壓縮機(jī)功耗的目的。但管徑擴(kuò)大隨之會(huì)造成投資費(fèi)用的增加，因此，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)對(duì)擴(kuò)大管徑造成的投資費(fèi)用增加與降低壓縮機(jī)功耗造成的運(yùn)營(yíng)成本降低進(jìn)行經(jīng)濟(jì)對(duì)比后再做決定。