天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫裝置節(jié)能降耗技術(shù)的優(yōu)化和改造

文_郁騰達(dá) 楊秀曙 嘉興市嘉城新能源有限公司

1 天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝概述

氫能作為一種高熱值、零污染的能源，對(duì)于促進(jìn)全球經(jīng)濟(jì)脫碳，特別是在工業(yè)和交通領(lǐng)域?qū)l(fā)揮不可或缺的替代作用。目前，氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展已經(jīng)到了加速期。對(duì)于不同國(guó)家和地區(qū)而言，在氫能方面的需求正呈現(xiàn)出不斷增加的變化趨勢(shì)。因此，關(guān)于氫能相關(guān)的制備分析研究，也成為備受人們關(guān)注的重要內(nèi)容。就目前的實(shí)際情況來(lái)看，在氫氣的制備過(guò)程中，以往可以選擇的方法有很多，并涉及到多種不同的制氫裝置。例如，氨裂解制氫的整體工藝流程十分簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，易于控制，具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。與煤制氫裝置等制氫方式相比較，天然氣制氫投資低、CO2排放量、耗水量小、氫氣產(chǎn)率高，是化石原料制氫路線中絕佳的制氫方式。在工藝原理方面，天然氣制氫過(guò)程中，首先需要對(duì)天然氣實(shí)施必要的預(yù)先處理。之后，通過(guò)一定的設(shè)備和裝置以及化學(xué)反應(yīng)，對(duì)水蒸氣以及甲烷進(jìn)行必要的轉(zhuǎn)化，將其轉(zhuǎn)化為氫氣以及一氧化碳等產(chǎn)物。最后，回收余熱，并應(yīng)用一定的設(shè)備對(duì)一氧化碳進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為氫氣和CO2，最終獲得所需的氫氣產(chǎn)品。

在整個(gè)工藝流程中需要使用不同類型的催化劑，催化劑存在的條件下，控制反應(yīng)溫度，轉(zhuǎn)化氣中的一氧化碳和水反應(yīng)，生成氫氣和CO2。雖然天然氣也屬于化石燃料，在生產(chǎn)“藍(lán)氫”時(shí)也會(huì)產(chǎn)生溫室氣體，但由于使用了碳捕捉、利用與儲(chǔ)存（CCUS）等先進(jìn)技術(shù)，溫室氣體被捕獲，實(shí)現(xiàn)了低排放生產(chǎn)。

天然氣制氫具體過(guò)程如圖1 所示。

圖1 天然氣制氫過(guò)程示意圖

天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫的過(guò)程中，需要設(shè)置一定的高溫條件，并使用一定的催化劑，之后再將水蒸氣與甲烷等烴類進(jìn)行反應(yīng)。在反應(yīng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸熱現(xiàn)象。為滿足反應(yīng)條件，保證該反應(yīng)的順利完成，還需要外界提供必要熱量。因此，在反應(yīng)中需要對(duì)一定量的天然氣予以燃燒，以確保反應(yīng)所需熱量。通過(guò)發(fā)生一定的重整反應(yīng)，最終可以生成混合氣體，所生成的混合氣體中包含了一氧化碳以及氫氣。天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫原理反應(yīng)式如下所示：

但是，在常規(guī)天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫過(guò)程中，所使用的裝置經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)效率較低，能耗較大，產(chǎn)品產(chǎn)出率較低等問(wèn)題，影響到最終產(chǎn)品的制備質(zhì)量。為提高制氫效率，達(dá)到節(jié)能降耗等目的，還需要進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫裝置節(jié)能降耗技術(shù)的優(yōu)化和改造

2.1 冷凝液循環(huán)利用優(yōu)化改造

天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫裝置中包含一定的冷凝液，這些冷凝液主要來(lái)自中溫變換氣的分液罐。在這些冷凝液中包含了一定的雜質(zhì)，例如鐵離子和CO2以及一氧化碳等等。目前，在天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝中，間接回用工藝的應(yīng)用較多。這一過(guò)程中，可以通過(guò)蒸汽汽提工藝，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷凝液的汽提處理。在汽提塔的塔底，可以收集到一定的冷凝液，這些冷凝液的pH 在7.0 ～7.5 的范圍內(nèi)。

對(duì)于收集到的冷凝液，可以經(jīng)過(guò)一定的處理后，送入除氧器循環(huán)使用，相應(yīng)的處理措施主要包括除氧水泵加壓、加藥、過(guò)濾等。對(duì)于汽提塔塔頂?shù)腃O2，則可以被直接排放到大氣之中。但采用汽提回收冷凝液設(shè)備投資大、消耗大量蒸汽。在將其作為鍋爐補(bǔ)充用水時(shí)，水質(zhì)要求高，鐵離子含量不可大于 50μg/L，pH 要求大于7，才能滿足其標(biāo)準(zhǔn)要求，因此冷凝液處理不好還會(huì)帶來(lái)新的安全隱患。目前國(guó)內(nèi)石化企業(yè)在進(jìn)行天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫時(shí)大多使用冷凝液循環(huán)，相應(yīng)的裝置中所包含的冷凝液量大約為10t/h，pH 值在6.9 左右，同時(shí)兼顧環(huán)保、安全、節(jié)能。冷凝液循環(huán)利用工藝流程如圖2 所示。

圖2 天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫冷凝液循環(huán)利用優(yōu)化改造示意圖

2.2 提高轉(zhuǎn)化爐余熱回收率

在天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫裝置中的轉(zhuǎn)化爐對(duì)流室中會(huì)安裝空氣預(yù)熱器。在制氫的過(guò)程中，轉(zhuǎn)化爐對(duì)流室中的空氣預(yù)熱器煙氣進(jìn)口溫度可以達(dá)470℃左右。但是，如果長(zhǎng)時(shí)間保持此種運(yùn)行狀態(tài)，將會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)化爐的運(yùn)行效率產(chǎn)生影響，導(dǎo)致整體效率的下降。同時(shí)，也會(huì)影響到空氣預(yù)熱器熱管的效果，甚至導(dǎo)致其出現(xiàn)失效的情況。因此，為了提高整個(gè)裝置的工作效率，并盡可能地減少能量消耗，可以考慮對(duì)空氣預(yù)熱器進(jìn)行一定的優(yōu)化設(shè)計(jì)和改造處理。

在天然氣蒸汽制氫過(guò)程中，轉(zhuǎn)化爐和所排出的轉(zhuǎn)化氣中均包含了大量的余熱。在轉(zhuǎn)化爐排出煙氣之后，會(huì)導(dǎo)致大量熱量的消失。這一情況下，也導(dǎo)致轉(zhuǎn)化爐效率的下降。為優(yōu)化這一問(wèn)題，可以選擇對(duì)空氣預(yù)熱器的翅片換熱管束進(jìn)行必要的更換和擴(kuò)容。通常情況下，煙氣入口處的溫度以及排煙溫度可以達(dá)到大約470℃和240℃，整體溫度偏高。分析熱管失效的具體原因，與空氣預(yù)熱器煙氣入口溫度過(guò)高相關(guān)，需要進(jìn)行必要的優(yōu)化改造。改造前分析熱管失效的原因，期間曾對(duì)空氣預(yù)熱器熱管束進(jìn)行過(guò)更換和擴(kuò)容改造，現(xiàn)在繼續(xù)對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的改造。在改造過(guò)程中，可以在原有基礎(chǔ)上，在煙道氣進(jìn)口處加裝若干高溫?zé)峁?。同時(shí)，對(duì)原空氣預(yù)熱器前10 排的240 根換熱管進(jìn)行更換，將其全部改為高溫?zé)峁堋?/p>

2.3 PSA-H2尾氣CO2提純改造

天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫裝置的尾氣CO2含量約30%左右，直接排放時(shí)將會(huì)有大量的熱量被帶走，致使系統(tǒng)整體內(nèi)能的下降。為減少能源浪費(fèi)，針對(duì)此工藝進(jìn)行技術(shù)改造，即新增PSA-H2尾氣CO2提純工藝，進(jìn)行尾氣內(nèi)CO2的回收。天然氣制氫中，壓縮并脫硫后天然氣與水蒸汽混合后，在鎳催化劑的作用下于750 ～850℃將天然氣物質(zhì)轉(zhuǎn)化為H2、CO 和CO2的轉(zhuǎn)化氣。對(duì)于這些轉(zhuǎn)化氣，可以通過(guò)一定的變換，將CO 變換為H2，獲得變換氣。之后，通過(guò)變壓吸附(PSA)方式對(duì)于所得到的變換氣或者轉(zhuǎn)化氣進(jìn)行處理，便可以獲得純度較高的氫氣。

在完成換熱、冷凝、汽水分離等工藝流程之后，工作人員可以借助一定的控制程序?qū)怏w進(jìn)行處理。通過(guò)科學(xué)處理，相應(yīng)的氣體可以通過(guò)含有不同吸附劑的吸附塔。整個(gè)吸附過(guò)程中，會(huì)通過(guò)變壓吸附(PSA)以及升壓吸附方式對(duì)其中的各類氣體進(jìn)行必要的吸附處理，最終獲得所需的氫氣。在獲得所需產(chǎn)品之后，可以通過(guò)降壓方式，解析放出各種雜質(zhì)，這一過(guò)程中用到的吸附劑也可以實(shí)現(xiàn)再生。在改造過(guò)程中，可以在裝置原有的工藝基礎(chǔ)上，增加一定的PSA-H2尾氣處理設(shè)備。PSA-H2尾氣處理設(shè)備的使用，能夠在原來(lái)基礎(chǔ)上對(duì)CO2做進(jìn)一步的提純，避免因?yàn)镃O2排放帶走大量的熱量，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)化爐內(nèi)部轉(zhuǎn)化效率的提升，對(duì)于天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫生產(chǎn)意義重大，具有更高的實(shí)用性與經(jīng)濟(jì)性。借助這一設(shè)備，可以對(duì)CO2進(jìn)程一定的轉(zhuǎn)變，達(dá)到CO2脫氣處理的效果。在技術(shù)改造之后，即便CO2含量相對(duì)偏低，也可以正常完成轉(zhuǎn)化，最終生成CO。所生成的CO 可以用于轉(zhuǎn)化制氫工藝之中，充當(dāng)工藝流程所需的燃料，有效減少熱量的損耗。

3 結(jié)語(yǔ)

天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫已經(jīng)成為十分重要的制氫方式之一。這一過(guò)程中，需要用到一定的天然氣制氫裝置。但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，還存在裝置能耗較大等問(wèn)題。針對(duì)天然氣蒸汽制氫裝置進(jìn)行節(jié)能降耗技術(shù)改造，對(duì)整個(gè)制氫行業(yè)來(lái)講意義重大。在本文的研究中，對(duì)天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹，并從冷凝液循環(huán)利用優(yōu)化改造等方面詳細(xì)分析天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫裝置節(jié)能降耗技術(shù)的優(yōu)化和改造方法。通過(guò)對(duì)天然氣蒸汽制氫裝置的改造，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗的目標(biāo)。在保證生產(chǎn)效率的同時(shí)，減少各類能源的浪費(fèi)，減少生產(chǎn)成本的投入，為企業(yè)的發(fā)展?fàn)幦「嗟慕?jīng)濟(jì)效益。