基于HYSYS流程模擬軟件的制氫裝置節(jié)能方向研究

方華龍

(中國石化青島煉化公司 煉油三部，山東 青島 266550)

氫氣是許多石油化學(xué)品的重要原料之一，隨著我國臨氫裝置技術(shù)的不斷發(fā)展，對于氫氣的需求也越來越大。當(dāng)重整氫、乙烯裂解氫等廉價(jià)氫源不能滿足煉廠綜合需求時(shí)，就需要制氫裝置彌補(bǔ)氫氣缺口。輕烴水轉(zhuǎn)化制氫裝置技術(shù)成熟，原料種類廣泛，可以利用煉廠多余的干氣制氫；既可以降低制氫成本，有可以解決煉廠火炬氣過剩的問題。但是綜合來講，制氫裝置是能耗大戶，盡可能的降低制氫能耗是每個(gè)煉廠努力的方向。本文基于HYSYS流程模擬軟件，對某煉化公司1#制氫裝置進(jìn)行模擬優(yōu)化，研究裝置節(jié)能方向。

1 裝置簡介

1#制氫裝置是某煉化公司1.0×107t/a煉油加工流程的一套主體裝置，設(shè)計(jì)產(chǎn)氫能力為3×104Nm3/h工業(yè)氫，年開工時(shí)數(shù)為8400 h，相當(dāng)于產(chǎn)純氫2.268×104t/a。

本制氫裝置采用烴類水蒸汽轉(zhuǎn)化法造氣和變壓吸附氫氣提純的工藝，工藝流程簡單，成熟可靠，產(chǎn)品氫氣純度高。裝置由原料升壓及預(yù)處理、轉(zhuǎn)化及中溫變換、中變氣換熱及冷卻、PSA氫氣提純、工藝?yán)淠厥占罢羝l(fā)生系統(tǒng)等五部分組成。裝置原料設(shè)計(jì)為天然氣或液化天然氣(LNG)，以罐區(qū)提供的輕石腦油為補(bǔ)充原料，產(chǎn)品為工業(yè)氫氣，氫氣主要提供給全廠2.2 MPa氫氣管網(wǎng)；另外少量高純度氫氣送聚丙烯裝置。裝置副產(chǎn)的變壓吸附尾氣，全部用作轉(zhuǎn)化爐燃料。另外，裝置設(shè)計(jì)負(fù)荷下副產(chǎn)3.5 MPa過熱蒸汽23.42 t/h。

裝置的產(chǎn)品氫氣純度為99.9%(v)以上，氫氣主要供給蠟油加氫精制裝置，并與全廠氫氣管網(wǎng)相連；少量氫純度99.99%以上、CO含量低于0.5×10-6mol/mol的高純度氫氣，專線供聚丙烯裝置使用。

2 用能構(gòu)成分析

1#制氫裝置主要用能種類有電、循環(huán)水、除氧水、除鹽水、凝結(jié)水、3.5 MPa蒸汽(過熱、飽和)、1.0 MPa蒸汽、燃料氣。

其用能組成分析如表1。

由表1可以看出1#制氫裝置主要用能點(diǎn)是燃料氣、除氧水、電能；外送的3.5 MPa蒸汽為其主要降耗手段。由于除氧水與裝置產(chǎn)汽量有關(guān)不容易調(diào)整，因此裝置節(jié)能降耗方向應(yīng)主要放在節(jié)約電能、燃料氣消耗，以及增產(chǎn)3.5 MPa蒸汽上。下面對裝置大功率用電單位原料氣壓縮機(jī)，還有影響裝置轉(zhuǎn)化爐燃料氣用量的水碳比參數(shù)進(jìn)行模擬研究。

表1 1#制氫裝置能耗表

3 壓縮機(jī)電能消耗

電能為制氫裝置主要消耗之一，通過比對結(jié)果發(fā)現(xiàn)公司兩套制氫裝置原料氣壓縮機(jī)用電量存在較大差距，在低負(fù)荷下2#制氫壓縮機(jī)無級(jí)調(diào)速系統(tǒng)存在明顯節(jié)能優(yōu)勢，在壓縮機(jī)70%左右負(fù)荷下，電流僅為60 A左右，而一制氫壓縮機(jī)為保證入口壓力穩(wěn)定，采取多配氫的運(yùn)行方式，壓縮機(jī)電流一直處在105 A左右。基于以上特利用HYSYS模擬壓縮機(jī)負(fù)荷，計(jì)算電量消耗。

3.1 計(jì)算過程

如圖1，構(gòu)建壓縮機(jī)模型計(jì)算模型。

圖1 壓縮機(jī)負(fù)荷計(jì)算模型

裝置壓縮機(jī)入口定義工況1為現(xiàn)階段進(jìn)料，分別為天然氣、加氫PSA尾氣、配氫三種，其在壓縮機(jī)入口組成見表2。

表2 工況1原料組成

定義工況2為取消裝置配氫，進(jìn)料僅為天然氣和加氫PSA尾氣，其壓縮機(jī)入口組成見表3。

表3 工況2原料組成

工況1為2018年2月份平均進(jìn)料，其中天然氣與加氫PSA尾氣比例為1∶1，配氫為1500 Nm3/h；工況2為模擬配氫切除情況；以工況1作為基準(zhǔn)負(fù)荷100。

工況1下壓縮機(jī)運(yùn)行情況如表4。

表4 工況1下壓縮機(jī)運(yùn)行情況

通過軟件計(jì)算結(jié)果如表5。

表 5 工況1下壓縮機(jī)運(yùn)行計(jì)算結(jié)果

工況2下壓縮機(jī)運(yùn)行情況如表6。

表6 工況2下壓縮機(jī)運(yùn)行情況

通過軟件計(jì)算結(jié)果如表7。

表 7 工況2下壓縮機(jī)運(yùn)行計(jì)算結(jié)果

4 水碳比

水碳比即裝置原料中水分子與碳原子的摩爾比，對與制氫轉(zhuǎn)化反應(yīng)來說是一個(gè)重要參數(shù)。水碳比過高時(shí)，浪費(fèi)了水蒸氣，減少了水蒸氣的外送量，增加了裝置的能耗，有可能造成催化劑的純化。水碳比低時(shí)，會(huì)造成反應(yīng)不完全，爐出口甲烷含量高，輕烴轉(zhuǎn)化率下降會(huì)影響氫氣的產(chǎn)率。目前由于裝置負(fù)荷較低，為保證轉(zhuǎn)化爐不發(fā)生偏流，采取高水碳比的操作方式，但是會(huì)造成一定能耗增加，通過利用HYSYS模擬轉(zhuǎn)化反應(yīng)以及余熱鍋爐B-502，尋找低負(fù)荷下最佳水碳比，從而降低燃料氣用量，增加3.5 MPa蒸汽外送。

4.1 轉(zhuǎn)化爐反應(yīng)模型

轉(zhuǎn)化爐由對流段和輻射段組成，且對流段主要起加熱的作用，脫硫氣在輻射段內(nèi)反應(yīng)，因此轉(zhuǎn)化爐模塊采用了一個(gè)加熱器模擬對流段；輻射段則選用反應(yīng)器模型REquil一平衡反應(yīng)器裝置平衡溫距取20℃模擬結(jié)果。

表 8 原料體積組分

原料組成：取1#制氫混合原料氣，其中為天然氣、加裂干氣、加裂液化氣、配氫 四部分組成。原料體積組分如表8。

水碳比變化模擬結(jié)果見表9。

表 9 不同水碳比轉(zhuǎn)化氣中各組分的摩爾流量

由表9可以看出，水碳比在5.5以后產(chǎn)氫收益驟然下降，而每提升0.5水碳比約要提高配汽3.5 t/h，按燃料氣熱值44042 kJ/kg 來計(jì)算每小時(shí)約增加0.17 t燃料氣消耗，按2000元/t燃料氣價(jià)格來計(jì)算，每月增加成本25萬元左右；增加3.5 t/h 3.5 MPa蒸汽外送，按噸蒸汽118元計(jì)算，每月可以增效30萬元左右。所以在滿足生產(chǎn)需要的情況下，降低水碳比效益十分明顯，綜合考慮水碳比控制在4左右最為經(jīng)濟(jì)。

4.2 余熱鍋爐B-502模型

B-502出口溫度一直以來是制氫瓶頸之一，由于沒有后續(xù)調(diào)節(jié)手段，過高的B-502出口溫度會(huì)導(dǎo)致中變反應(yīng)器超溫，影響生產(chǎn)負(fù)荷。通過模擬計(jì)算水碳比對B-502出口溫度影響。

如圖2，構(gòu)建壓縮機(jī)模型計(jì)算模型。

圖2 B-502換熱計(jì)算模型

為簡化計(jì)算流程，將余熱鍋爐B-502看做一臺(tái)換熱器，管程入口為轉(zhuǎn)化氣和未反應(yīng)剩余的水蒸氣的混合物，由于中變反應(yīng)前后體積不變，可以用中變氣流量FI-01902來表示其流量，未參加轉(zhuǎn)化反應(yīng)的剩余水蒸氣后變?yōu)槊撍崴?，可以用脫酸水流量?jì)FI-02002來計(jì)算其流量。

整個(gè)換熱器換熱量視為固定。

轉(zhuǎn)化氣組成為：

工況1 定義為目前最低負(fù)荷，產(chǎn)氫量：25000 Nm3/h。

表 10 工況1下轉(zhuǎn)化氣組成

工況2 定義為滿負(fù)荷，產(chǎn)氫量為40000 Nm3/h。

表 11 工況2下轉(zhuǎn)化氣組成

通過軟件計(jì)算結(jié)果如表12、13。

通過比較結(jié)果可以看出在水蒸氣充足的情況下，每噸剩余蒸氣約能影響B(tài)-502出口溫度0.7℃左右。降低水碳比可以降低B-502出口溫度。

表 12 工況1計(jì)算結(jié)果

表 13 工況2計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論

(1)在低負(fù)荷下(50%)，壓縮機(jī)增上無級(jí)調(diào)量系統(tǒng)節(jié)能效果明顯，按入口壓力0.45 MPa計(jì)算，可以減少壓縮機(jī)電流35 A左右，折合每月150000 kWh，按一度電1.6元計(jì)算，每月可以節(jié)約成本24萬元。

(2)在高負(fù)荷下如果維持壓縮機(jī)入口在較高壓力(0.5 MPa)下，也可以達(dá)到節(jié)能的目的，但是節(jié)能效果有限，只有10%暨電流減少10 A左右。

(3)目前1#制氫在4.5左右，可以將水碳比控制在4.0左右，根據(jù)計(jì)算可以降本增效每月50萬元左右。

(4)降低配汽量對余熱鍋爐影響不大，適當(dāng)降低對裝置后續(xù)中變反應(yīng)有一定好處。