煤基制氫裝置CO變換反應(yīng)深度的選擇及經(jīng)濟性分析

魏煥景，馬如芬，朱博斐

（航天長征化學(xué)工程股份有限公司蘭州分公司，甘肅 蘭州 730000）

以某30萬t/a煤焦油加氫項目為例，其需要約3.5萬Nm3/h的H2作為焦油加氫的原料。 最終方案確定以HT-L航天粉煤加壓氣化技術(shù)造氣，采用等溫變換技術(shù)，低溫甲醇洗凈化工藝獲取粗氫氣，采用變壓吸附（PSA）技術(shù)獲取純度要求為99.9%氫氣。本文針對該項目， 應(yīng)用PROⅡ軟件對變換流程進(jìn)行模擬，根據(jù)不同的反應(yīng)深度， 計算出各公用工程消耗，并從整個制氫裝置綜合考慮，從而得出較合理的CO變換反應(yīng)深度。

1 工藝方案選擇及流程

本項目CO變換采用等溫變換技術(shù)，與傳統(tǒng)的絕熱變換工藝相比，其具有流程短、設(shè)備數(shù)量少、設(shè)備造價低、催化劑裝填量少、壽命長和一次投資較低等優(yōu)點[1]。

1.1 粗煤氣的組成

本系統(tǒng)原料氣采用HT-L粉煤加壓氣化送來的粗煤氣， 其組分的體積組成為：H2O 43.47%，CO 42.77%，H28.62%，CO24.59%，N20.46%，（H2S+COS） 0.07%。

1.2 變換工藝流程

來自氣化的粗煤氣進(jìn)入變換系統(tǒng)后， 經(jīng)V01除去少量夾帶水及大部分灰塵； 進(jìn)入E01換熱后，在V02脫除微小粉塵。 出V02氣體進(jìn)入R01進(jìn)行變換反應(yīng)，使出口氣體CO濃度降到一定數(shù)值（干基）；從R01出來的變換氣進(jìn)入E01與粗煤氣進(jìn)行換熱之后，進(jìn)入E02預(yù)熱工藝?yán)淠海俳?jīng)過調(diào)整水汽比后，進(jìn)入R02進(jìn)行二次變換反應(yīng)， 并將CO干基濃度控制在目標(biāo)數(shù)值以下。 出R02氣體進(jìn)入E03加熱鍋爐給水，再進(jìn)入E04預(yù)熱脫鹽水，最后進(jìn)入E05冷卻至40℃以下后進(jìn)入洗氨塔，除去大部分氨并進(jìn)行氣液分離后，變換氣送至低溫甲醇洗凈化工藝單元。 詳見圖1。

圖1 變換工藝流程簡圖

2 CO變換反應(yīng)深度的確定

CO變換的反應(yīng)深度是變換裝置的重要指標(biāo)，一般是指變換裝置出口變換氣組分中CO干基體積分?jǐn)?shù)。 反應(yīng)深度與轉(zhuǎn)化率是對應(yīng)的，反應(yīng)深度越深，轉(zhuǎn)化率就越高。

2.1 不同反應(yīng)深度對應(yīng)的粗氫氣規(guī)格

根據(jù)工程經(jīng)驗以及常見反應(yīng)深度，將CO反應(yīng)深度分別定為：6%、3.5%、2.5%、1.5%、0.8%、0.6%、0.4%。不同的CO變換反應(yīng)深度對應(yīng)的下游低溫甲醇洗裝置出口粗氫氣的純度不同，其對照表詳見表1。

表1 CO變換的不同反應(yīng)深度所對應(yīng)的粗氫氣規(guī)格

2.2 不同反應(yīng)深度對應(yīng)的粗煤氣有效氣量

假設(shè)PSA單元H2回收率統(tǒng)一按92%考慮， 因最終需要產(chǎn)品氫氣量相同，為35000Nm3/h，按照表1粗氫氣的規(guī)格和PSA單元H2回收率， 計算出粗煤氣有效氣量（CO+H2，下同）和原料煤消耗量，詳見表2。

表2 CO變換的不同反應(yīng)深度所對應(yīng)的粗煤氣中有效氣量和所需原料煤量

表2中損失的有效氣量為整個制氫裝置的損失量，其中，PSA單元的解吸氣量隨變換反應(yīng)深度的降低而增多；因為變換氣中含有未反應(yīng)的CO進(jìn)入下游PSA制氫單元后只能作為其解吸氣 （主要為CO、H2及其他少量惰性組份）；而本項目原料煤為粉焦，氣化單元并未設(shè)置熱風(fēng)爐，此股解吸氣無法作為熱風(fēng)爐燃料氣回收利用，且該股解吸氣壓力較低，只能作為放空氣進(jìn)入火炬燃燒，因而損失了大量的有效氣量。

如在教學(xué)《三角形的分類》這部分內(nèi)容的時候，教師可以讓學(xué)生拿出自己事先準(zhǔn)備好的學(xué)具三角形若干個，然后，讓學(xué)生分別用直尺量出每個三角形的邊長是多少，用直角三角板的直角比對以后，再完成下表：

2.3 等溫爐數(shù)量的選擇

關(guān)于等溫變換爐的數(shù)量，根據(jù)工程經(jīng)驗，當(dāng)變換反應(yīng)深度為3.5%時，建議選兩臺等溫爐，因為在催化劑壽命的前期，一臺等溫爐尚能滿足變換反應(yīng)深度，但到了催化劑壽命的中、后期，就很難達(dá)到變換反應(yīng)深度，無法滿足生產(chǎn)；所以當(dāng)變換反應(yīng)深度＜3.5%時，選兩臺等溫爐；當(dāng)變換反應(yīng)深度＞3.5%，應(yīng)酌情分析，根據(jù)具體情況設(shè)置臺數(shù)，例如當(dāng)變換反應(yīng)深度為6%時，一臺等溫爐即可滿足要求。 具體等溫爐臺數(shù)詳見表3。

表3 不同CO變換反應(yīng)深度所對應(yīng)等溫變換爐的數(shù)量

2.4 流程模擬及結(jié)果

根據(jù)上述反應(yīng)深度、等溫爐的個數(shù)和工藝流程簡圖（圖1），利用PROⅡ軟件對變換流程進(jìn)行模擬，其結(jié)果見表4。 從表4結(jié)果可以看出，反應(yīng)深度越深，需要補入的蒸汽量也越大。

2.5 CO變換反應(yīng)深度的最終確定

表4中列出了不同CO變換反應(yīng)深度所對應(yīng)的裝置公用工程消耗， 該消耗僅代表變換單元的經(jīng)濟性。

根據(jù)表2中原料煤消耗量， 煤炭單價按當(dāng)?shù)貐⒖济簝r300元/t，計算出原料煤費用；根據(jù)表4中公用工程消耗和單價計算出公用工程費用；然后，將原料煤費用與公用工程費用進(jìn)行累計， 得出綜合費用，其結(jié)果見表5。

根據(jù)表5中數(shù)據(jù)，以CO反應(yīng)深度作為橫坐標(biāo)，綜合費用作為縱坐標(biāo)，繪得曲線，見圖2。

綜合以上數(shù)據(jù)和圖表可以看出：

（1）原料煤耗量隨著變換反應(yīng)深度的增大而減少，原料煤費用降低，其原因是變換反應(yīng)深度越深，有效氣損失越少，原料煤耗量越少。

表4 不同CO反應(yīng)深度所對應(yīng)的變換公用工程消耗

表5 不同CO變換反應(yīng)深度的綜合費用

圖2 綜合費用隨不同CO變換反應(yīng)深度的變化曲線

（2）當(dāng)變換反應(yīng)深度為6.0%時，此時為一段等溫變換（一臺等溫爐），公用工程費用較高；當(dāng)變換反應(yīng)深度為3.5%～0.4%時，此時為兩段等溫變換（兩臺等溫爐）， 變換反應(yīng)深度越深， 公用工程費用越高，其原因是在相同平衡溫距下，變換反應(yīng)深度越深，蒸汽耗量越大，因此公用工程費用也越高。

（3）PSA單元的解吸氣量隨變換反應(yīng)深度的降低而增多， 當(dāng)CO變換反應(yīng)深度為1.5%與0.4%時，1.5%時綜合費用較低， 但解吸氣損失量略大；0.4%時綜合費用較高，但解吸氣損失量較小。

（4） 當(dāng)CO變換反應(yīng)深度為1.5%、2.5%和3.5%時，綜合費用均較低，且相比差別不大。 但3.5%時，損失有效氣量較大，為了盡可能的多產(chǎn)氫氣，反應(yīng)深度為1.5%相對較為合理。

3 結(jié)論

文中通過考察不同CO變換反應(yīng)深度對煤基制氫經(jīng)濟性的影響，可以得出以下結(jié)論：

（1）在有效產(chǎn)氫量不變的情況下，隨著CO變換反應(yīng)深度的提高，原料煤耗量減少，相應(yīng)降低了原料煤費用；同時，蒸汽耗量增加，變換公用工程費用也隨之提高。

（2）CO變換反應(yīng)深度在1.5%～3.5%范圍內(nèi)，其綜合費用較低且差別不大；但從多產(chǎn)氫氣角度， CO反應(yīng)深度為1.5%時，經(jīng)濟性分析較佳。

（3）裝置的經(jīng)濟性需要從整個制氫裝置綜合來考慮，不可一味追求反應(yīng)深度。

同時，本文公用工程消耗中的副產(chǎn)蒸汽自產(chǎn)自用，即蒸汽壓力要大于工藝氣的壓力，因此，選擇等溫變換技術(shù)時須考慮副產(chǎn)蒸汽的壓力是否滿足要求。