天然氣加氫工藝技術研究

孫晨

（國家電投集團科學技術研究院有限公司,北京 102209）

1 天然氣加氫工藝技術應用的必要性

隨著對電能需求的不斷增多，風力發(fā)電站、光伏發(fā)電站建設項目受到了重視，但是不管是風力發(fā)電站還是光伏發(fā)電站，在運行中會有大量棄風棄光現(xiàn)象的出現(xiàn)，如何在實現(xiàn)節(jié)能的基礎上進一步將棄風棄光的電量儲存起來，在需要時再循環(huán)利用是當前廣大風電光伏發(fā)電站需要重點思考的問題。從天然氣能源應用的角度來看，如果能將棄風棄光的電量通過電解水的方法制成氫氣，然后再和天然氣摻混，通過天然氣加氫工藝技術儲存為可供日常生活生產(chǎn)所需的天然氣，既滿足了消費需求，又減少了棄風棄光的現(xiàn)象，不但節(jié)約了能源而且還會降低對環(huán)境的污染。為此，必須提高對天然氣加氫工藝技術應用的重視程度，探究天然氣摻氫工藝，研究天然氣摻氫并利用天然氣管道輸送到用戶端的可行性。依次進行天然氣加氫工藝，采用分離工段、氫氣合成、綜合利用氫氣工藝滿足去除煤氣雜質的要求，將煤氣匯總進一步拖車u煤氣的焦油霧滴，得到符合工藝要求的天然氣產(chǎn)品。

2 天然氣加氫工藝化學反應機理和工藝流程

2.1 天然氣加氫工藝化學反應機理

在天然氣摻氫中，是將已經(jīng)通過電解水制成的氫氣和天然氣混合，可脫去天然氣產(chǎn)品中的飽和烯烴和產(chǎn)品中的硫、氮、氧和金屬雜質，從而提升產(chǎn)品的穩(wěn)定性，保證其顏色、氣味和燃燒性能符合使用要求。加氫通過電化學作用在天然氣分離過程中發(fā)生。

2.2 天然氣加氫工藝流程

天然氣制氫的工藝流程由原料氣處理、蒸汽轉化、CO變換和氫氣提純四大單元組成。原料氣處理單元，采用MnO和ZnO脫硫劑脫去H2S和SO2。需要處理大量的天然氣的脫硫原料，處理要求高，因此在壓縮原料氣時，一般較大的離心式壓縮機是優(yōu)選設備。

蒸汽轉化單元中轉化爐的型式、結構各有特點，上、下集氣管的結構和熱補償方式以及轉化管的固定方式也不同。水蒸氣為氧化劑，在鎳催化劑的作用下得到制取氫氣的轉化氣，將烴類物質轉化，在蒸汽轉化單元中一般采用高溫轉化和相對較低水碳比的工藝操作，對流段換熱器設置參數(shù)有利于轉化深度的提高，從而節(jié)約原料消耗。

CO變換單元含一定量的CO，轉化爐送來的原料氣，變換的作用是使CO在催化劑存在的條件下，與水蒸氣反應而生成CO2和H2。按照變換溫度分，變換工藝可分為高溫變換（350～400℃）和中溫變換（低于300～350℃）。

3 天然氣加氫工藝準備

3.1 原料和產(chǎn)品

加氫工藝的原料有由電解水生成的氫氣，將這些原料由泵送到加氫裝置進行天然氣摻氫制作。在加氫精制前還要確定好加氫產(chǎn)品的指標與轉化率指標。

3.2 設備

加氫裝置設備包括混氣撬、反應設備、壓縮設備、冷換設備、加氫高壓分離器、加氫高壓換熱器等。在加氫反應前應根據(jù)加氫工藝的需要確定合適的反應器數(shù)量并進行配置，反應器內(nèi)設置三個床層，并在床層間設置噴射盤和再分配盤。

4 天然氣加氫工藝技術存在的問題和改造完善措施

4.1 天然氣加氫工藝技術存在的問題

傳統(tǒng)的加氫工藝中，水蒸氣為氧化劑，在鎳催化劑的作用下將烴類物質轉化，得到制取氫氣的轉化氣。轉化爐、上、下集氣管的結構和熱補償方式以及轉化管的固定方式各有不同。對流段換熱器設置不同，一般在蒸汽轉化單元都采用了高溫轉化和相對較低水碳比的工藝操作參數(shù)設置有利于轉化深度的提高，從而節(jié)約原料消耗。但是由于燃料成本逐漸升高，直接制約天然氣余熱收集再利用，，在制氫過程中煙道出口溫度過高，導致很多熱量浪費，煙道氣出口溫度仍然很高，浪費了大量熱能，昂貴的設備也帶來成本升高的問題。另外，制氫過程中會殘生大量的二氧化碳，不僅會帶來資源浪費，工藝實施中產(chǎn)生的二氧化碳過量直接會影響環(huán)境。

4.2 天然氣加氫工藝技術改造和完善

對天然氣加氫工藝進行改進，是為了對原有加氫反應器的反應溫度、燃燒配風比等運行參數(shù)進行合理的調(diào)整與控制，從而起到優(yōu)化運行、環(huán)保生產(chǎn)和節(jié)能降耗的作用。在具體措施方面，進為在滿足加氫基本要求和設備運行安全穩(wěn)定的基礎上，可在加氫爐出口位置設置合理的降溫設施，從而可減少加氫爐內(nèi)燃燒氣的消耗。此外，多次實驗測試氧化燃燒配風比進行合理設置，確定相應的伴燒蒸汽用量，既能滿足燃燒產(chǎn)氫的量，又能減少燃燒過程中結焦現(xiàn)象的出現(xiàn)。

天然氣分離預處理工序，提取純氫氣工序，完成真空變壓，甲烷液化，經(jīng)過預處理脫離多余二氧化碳，進行氫氣等組分的加入，氫氣的提出工序降低能耗，根據(jù)加氫反應設計合理的溫度條件，在低溫狀態(tài)下去除堵塞的成分和腐蝕的成分，根據(jù)加氫反應的溫度設計要求，在滿負荷運行狀態(tài)下，做好加氫反應器的反應溫度、燃燒配風比等參數(shù)的設置，適當降低爐出口溫度，確定相應的伴燒蒸汽用量，經(jīng)過測試，降低出口溫度的試驗保持24小時的溫度梯次的運行，保證裝置內(nèi)的化學反應充分，并控制尾氣吸收塔排放的尾氣含量。在測試中如果發(fā)現(xiàn)加氫器出口溫度較低時出現(xiàn)多次滅火的現(xiàn)象，表明在該溫度范圍內(nèi)加氫爐內(nèi)燃燒不穩(wěn)定，通過增加一個梯度的溫度再次測試，氣液化裝置采用混合冷劑進行制冷配置，經(jīng)過氰化物的混合、冷凝、蒸發(fā)、膨脹得到不同溫度水平的制冷量，通過操作溫度的控制，降低尾氣吸收塔的排放尾氣硫化和有機硫，減少加氫爐內(nèi)燃燒氣用量，可相應減少尾氣的排放量。第二，根據(jù)燃料氣的組分計算裝置使用的燃料氣含量，并根據(jù)實際加氫裝置情況合理設置配風比的范圍，并進行測試后對配風比進行合理調(diào)整，與急冷塔頂氣相反應后的氫量比較確定合適的配風比范圍，然后根據(jù)加氫爐內(nèi)燃燒結焦的速度確定最終配風比值。

5 天然氣加氫過程中需要注意的事項

通過開展尾氣處置裝置的標定，250攝氏度為加氫反應爐最佳的操作溫度，通過控制操作溫度，尾氣吸收塔的硫化氫小于50ppm,加氫燃料氣550NM3/H。燃燒配封閉根據(jù)普光凈化裝置，計算燃燒器每摩爾燃燒需要9.5322mol空氣，防止積碳和結焦的情況發(fā)生。

氫氣作為裝置的原料氣，氫氣一旦發(fā)生泄漏也會引起火災、爆炸等事故。加氫裝置中含有高濃度的硫化氫，在反應過程中若使硫化氫隨著廢氣排出就會使人中毒甚至死亡。因此，必須對裝置設置安全防護設施，且現(xiàn)場人員必須采取防毒措施，嚴格按照操作步驟開展。另外，要求加強現(xiàn)場電氣管理，做好對管線、管件、閥門等設施的檢查檢測，做好嚴格的管線焊接技術質量控制，加強現(xiàn)場安全巡查，這些都是降低現(xiàn)場安全事故、保證加氫精制順利完成的必須采取的措施。

6 結語

綜上所述，加氫精制的目的是降低天然氣原料及其產(chǎn)品中的硫含量，但因為單純的加氫脫硫無法起到大幅度降低含硫量的效果，所以還需要通過提升催化劑的制作質量、選擇先進的加氫裝置設備，掌握加氫精制的工藝原理和流程，對加氫原料和產(chǎn)品質量進行控制，才能使最終產(chǎn)品符合生產(chǎn)使用要求。