天然氣制氫技術(shù)應(yīng)用于浮法玻璃行業(yè)初探

張森 晏濤 王碩

河北南玻玻璃有限公司 河北廊坊 065600

1 天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫具體方案

1.1 天然氣壓縮方面

在制氫裝置中，一般會(huì)采用PSA凈化流程方式，其中中壓轉(zhuǎn)化是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外常見的一種工藝技術(shù)方案，該方案可以有效降低設(shè)備尺寸，節(jié)省裝置、設(shè)備的占地面積；有效提升在PSA中的氫氣回收率，從而大大降低氧氣裝置中氫氣壓縮機(jī)的壓縮力度；而在裝置原料消耗的逐漸提升下，裝置的外補(bǔ)燃料則會(huì)趨于下降狀態(tài)，；但是尾氣熱值的提升，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化爐火嘴設(shè)計(jì)方面越發(fā)困難。

1.2 天然氣的精制方面

轉(zhuǎn)化催化劑會(huì)因原料氣中的硫化物二失去活性，由此天然氣則需要脫硫，需要將原料其中所包含的硫有效控制在0.2×10-6以下。由于原料其中所包含的硫量各有不同，因此脫硫方案也存在多種。一般優(yōu)先選擇的脫硫方案為鈷鉬加氫脫硫方案，該方案需一定的壓力及溫度下，在原料氣中加入鈷鉬加氫催化劑從而將有機(jī)硫逐漸轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)硫；在有機(jī)硫轉(zhuǎn)化，原料還會(huì)在氧化鋅脫硫劑下，將自身的H2S脫至0.2×10-6以下，以此達(dá)到蒸汽轉(zhuǎn)化催化劑對(duì)硫的目標(biāo)，由此得出反應(yīng)，以硫醇和噻酚為例：

1.3 天然氣蒸氣轉(zhuǎn)化

在天然氣精制后，需要依照一定水碳比與水蒸氣混合在一起，通過(guò)轉(zhuǎn)化爐對(duì)流段進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)熱，將烴類物質(zhì)運(yùn)用鎳催化劑來(lái)將其轉(zhuǎn)化，由此職稱以氫氣為主的轉(zhuǎn)化其，得出以下反應(yīng)：

天然氣中，甲烷為主要成分的天然氣的蒸汽轉(zhuǎn)化過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)要，主要反應(yīng)與上述一致。利用蒸汽進(jìn)行天然氣轉(zhuǎn)化，其反應(yīng)是在體積增大后所產(chǎn)生的強(qiáng)吸熱反應(yīng)，同時(shí)在高溫、低壓、高水碳比的作用下更利于以上反應(yīng)的進(jìn)行。在上述反應(yīng)過(guò)程中，其需要的熱量是由轉(zhuǎn)化爐頂端的氣體燃料的燒嘴部分供給，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化爐后的高溫氣需要通過(guò)轉(zhuǎn)化蒸汽的發(fā)生器換熱，在溫度下降后才能進(jìn)入變換階段。

1.4 變換階段

富氫氣轉(zhuǎn)化氣來(lái)源于轉(zhuǎn)化部分，在其進(jìn)入變換反應(yīng)器后，經(jīng)過(guò)催化劑的催化而產(chǎn)生以下反應(yīng)：

使變換氣中含有的一氧化碳降低，并繼續(xù)生產(chǎn)氫氣。在熱交換回收剩余余熱之后的中變氣，還會(huì)在冷卻器中冷卻，然后進(jìn)入PSA階段。一氧化碳轉(zhuǎn)換放熱反應(yīng)之后，其低溫狀態(tài)有利于變換的平衡，由此獲取相對(duì)較高的一氧化碳轉(zhuǎn)換率，提高氫氣產(chǎn)量。為了能夠進(jìn)一步將制氫工藝流程簡(jiǎn)單化，使其操作更為你簡(jiǎn)便，在PSA凈化制氫過(guò)程中只運(yùn)用階段性的變換工藝，沒(méi)有對(duì)低溫變換進(jìn)行設(shè)置。假如想要獲取更高的一氧化碳變換率，進(jìn)一步節(jié)省原料，就一定要進(jìn)行低溫變換的反應(yīng)設(shè)置，使變換氣中的一氧化碳含量將至于0.3%左右。在對(duì)低溫變換的反應(yīng)設(shè)置后，變換率很快提高，由此降低原料的消耗。但是在PSA的解吸氣過(guò)程中，會(huì)增加二氧化碳的濃度，導(dǎo)致熱值下降，而外補(bǔ)燃料提升。進(jìn)而增加投資。這樣的低溫變換需要在燃料氣價(jià)格低于原料價(jià)格時(shí)才見效益。

1.5 PSA凈化工藝

中變氣在冷區(qū)及分水之后進(jìn)入PSA，吸附并除去氫氣之外的一些雜質(zhì)，從而起到更好的凈化作用。PSA凈化工藝是一套在程序控制系統(tǒng)下自動(dòng)循環(huán)進(jìn)行的工藝，通過(guò)凈化的氫氣純度在99．999%以上，方可出裝置。

2 氫氣品質(zhì)對(duì)玻璃生產(chǎn)工藝的影響

運(yùn)用天然氣制氫工藝的整個(gè)過(guò)程中除了會(huì)產(chǎn)生氫氣之外，還會(huì)出現(xiàn)其他組分，如一氧化碳、二氧化碳、甲烷、氮?dú)庖约八任镔|(zhì)，所以想要獲得更高純度的氫氣，需要利用吸附的方式，將產(chǎn)生的氫氣以外的雜質(zhì)控制在有效范圍內(nèi)。結(jié)合相關(guān)工業(yè)實(shí)際應(yīng)用的相關(guān)證明以及變壓吸附的原理，想要獲取純度為99．999%以上的氫氣很容易，但是結(jié)合產(chǎn)生的雜質(zhì)來(lái)看，增加了以往電解水產(chǎn)生的氫氣中不包含的一氧化碳、二氧化碳、甲烷、氮?dú)獾入s質(zhì)，而這些雜質(zhì)是否對(duì)玻璃的生產(chǎn)過(guò)程的影響還有待探究。首先，在浮法玻璃的錫槽中主要的保護(hù)氣體為氮?dú)?，而氮?dú)庖彩撬囊环N雜質(zhì)，不會(huì)在玻璃的生產(chǎn)中產(chǎn)生不良影響；其次，一氧化碳屬于還原性氣體，也不會(huì)影響玻璃的生產(chǎn)。此外，二氧化碳、甲烷等屬于惰性氣體，基于玻璃生產(chǎn)中其包含的含量來(lái)講是存在一定益處的；錫槽中的電熱元件以碳質(zhì)元件或碳涂層材料構(gòu)成的，而對(duì)氣體中氫氣的保護(hù)對(duì)高溫暴露狀態(tài)下的電極元件可起到防火的保護(hù)性。而錫槽溫度下的碳會(huì)逐漸與水蒸氣及氫氣產(chǎn)生反應(yīng)，形成甲烷，進(jìn)而成為碳?xì)浠衔?。因此保護(hù)氣體中包含二氧化碳及甲烷，能夠防止氫和碳間的反應(yīng)，同時(shí)也對(duì)水蒸氣及暴露的碳元件之間的反應(yīng)起到阻止作用。氫氣能夠在浮法玻璃生產(chǎn)中起到還原氣氛的作用，所以要控制好氧化氣氛的水。吸附劑對(duì)水的吸附能力非常強(qiáng)，尤其是硅膠、活性炭、一氧化鋁等吸附劑，其在吸附過(guò)程中的吸附能力很大，正常情況下，水分溫度在-70℃以下即可生成，要比電解水純化系統(tǒng)中的氫氣水分含量更低[2]。

3 結(jié)語(yǔ)

采用天然氣蒸汽重整制氫達(dá)到了無(wú)污染、零排放等環(huán)保要求，同時(shí)所成產(chǎn)出的氫氣純度很高，且成本低廉，非常適用于高檔玻璃的生產(chǎn)，對(duì)玻璃生產(chǎn)企業(yè)而言具有客觀的經(jīng)濟(jì)效益。