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1500nm3/h天然氣轉化製氫裝置
專案建議書
編號:fu-2013-1112
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一、總論
裝置名稱：1500nm3/h 天然氣製氫裝置
建設地點：安徽
裝置能力：
h2：1500nm3/h；
純度: ≧99.99(v/v)
壓力≧2.0 mpa(待定)
年操作時間：≧8000h
操作範圍:40%-110%
天然氣(參考條件,請根據實際組分修改完善):
氫氣產品
1.5.1 脫鹽水
● 溫度：常溫
● 壓力：0.05mpa(g)
● 水質：電導率 ≤5μs/cm
溶解o2 ≤2 mg/kg
氯化物 ≤0.1 mg/kg
矽酸鹽(以sio2計) ≤0.2 mg/kg
fe ≤0.1 mg/kg
1.5.2 迴圈冷卻水
● 供水溫度： ≤28℃
● 回水溫度： ≤40℃
● 供水壓力： ≥0.40mpa
● 回水壓力： ≥0.25mpa
● 氯離子≤25 mg/kg
1.5.3 電
● 交流電： 相數/電壓等級/頻率 3 ph/380v/50hz
● 交流電： 相數/電壓等級/頻率 1 ph/220v/50hz
● ups交流電： 相數/電壓等級/頻率 1 ph/220v/50hz
1.5.4 儀表空氣
● 壓力： 0.7mpa
● 溫度： 常溫
● **： -55 ℃
● 含塵量： <1mg/m3，含塵顆粒直徑小於3μm。
● 含油量： 油份含量控制在1ppm以下
1.5.5 氮氣
● 壓力： 0.6mpa
● 溫度： 40℃
● 需求量：在裝置建成初次置換使用，總量約為5000 nm3
正常生產時不用
注：電耗與原料天然氣壓力有關。
主裝置占地：約50×40=2000 m2 (不包括公用工程及生活設施等)
基本的工藝流程框圖如下：
注:原料天然氣壓力達到1.7mpa以上,則不需要配置天然氣壓縮機。
2.1.1天然氣蒸汽轉化
來自管網溫度常溫天然氣，燃燒用氣部分去轉化爐燃燒器作燃料使用，大部分經增壓至1.7-2.7 mpa(g)左右與迴圈氫混合後進入原料氣緩衝罐。
原料氣再經流量調節後進入轉化器對流段加熱後進入鈷鉬加氫催化劑/氧化鋅硫槽，使原料氣中的硫脫至0.1ppm以下。脫硫後的原料氣與工藝蒸汽按一定比例混合，進入混合氣過熱器，進一步預熱後進入轉化管，在催化劑床層中，甲烷與水蒸汽反應生成h2、co和 co2，甲烷轉化所需熱量由轉化器燒嘴燃燒燃料混合氣提供。
轉化氣出轉化器後，進入廢熱鍋爐轉化氣側盤管產生工藝蒸汽。
出廢鍋轉化氣溫度約為350℃進入中溫變換反應器，在催化劑的作用下co和水蒸汽變換為co2和h2，變換氣進入變換後換熱器，與鍋爐給水換熱，再依次進入mdea脫碳再沸氣、脫鹽水預熱器和迴圈冷卻水，逐步**熱量最終冷卻到40℃以下，再經氣液分離器分液後進入脫碳工序。工藝冷凝液進入酸性水氣體塔氣體，氣相與工藝蒸汽進入轉化爐、液相作為鍋爐補水，無排放，環保節能。
2.1.2氣體提純
脫碳工序:
天然氣製氫提純脫除二氧化碳有兩種方式: (雙方討論後才能工藝確定)。
化學淨化法即mdea脫碳和變壓吸附（psa）脫碳。一般需要**提純食品級co2，則採用化學淨化法脫碳， psa提純氫氣。該方法脫出的二氧化碳純度雜質含量少，但投產及生產成本較高。
另一種方法是脫碳和提純氫均選擇psa技術(抽空脫碳解析的方式) 其投資，和生產成本低於化學淨化法的製氫。
psa提純工序:
由脫碳塔來粗氫氣進入變壓吸附提氫系統，氣體採用8-2-5vpsa工藝，即提純裝置由8個吸附塔組成。採用2個吸附塔吸附，5次均壓。每個吸附在一次迴圈過程中要經歷吸附、4次壓力降、逆放、、4次均壓力公升、最終公升壓等步驟。
psa工藝設計要求是;連續的、穩定和提高氫氣收率。採用 「均壓」 「順放」「 順放」 「逆放」「 沖洗」 或抽空」等達到設計目的。
2.1.3 尾氣**
變壓吸附過程排出的解吸氣(已脫碳)通過2台解吸氣緩衝罐和自動調節系統在較為穩定的壓力下，提供給轉化爐作燃料。
2.1.4 餘熱**
:在原料氣的預熱方面，採用轉化爐對流段煙氣預熱方案。採用該方案後，不僅增加了原料預熱溫度調節的靈活性，節約了投資.
2.2.1 脫硫工段（本工藝不涉及脫硫）
轉化催化劑在使用過程中極易受到毒害而喪失活性，對原料中的雜質含量有嚴格的要求，一般要求精製後的原料氣硫含量小於0.1ppm，氯小於0.5ppm。
為了防止催化劑中毒，保障裝置長週期執行，本技術方案設有脫硫淨化工序，精製脫硫反應器可將有機硫轉換成無機硫，在脫有機硫反應器後串一台脫無機硫反應器，以保障將天然氣中硫含量降到最低。
2.2.2 蒸汽轉化工藝條件的選擇
天然氣蒸汽轉化反應操作條件的選擇是影響製氫裝置經濟性的重要因素轉化溫度
蒸汽轉化反應過程是受熱力學限制的，為滿足高溫轉化反應的工藝要求，提高轉化反應的轉化率，降低轉化氣中的甲烷含量，應維持較高的轉化氣出口溫度，以降低原料消耗。選用一種種效能優良的新型耐高溫爐管。
轉化壓力
轉化壓力選擇為1.7-2.8mpa(g)左右。
● 由於轉化壓力較低，儘管裝置壁厚降低，但裝置直徑加大，投資不一定降低，尤其是轉化爐和蒸汽發生系統的投資和中壓方案相比，基本不變；
● 在低壓操作條件下，中變氣的**降低，使得中變氣的低溫位潛熱無法有效利用，降低了中壓蒸汽產量，增加了冷卻中變氣的水電消耗；
● 在低壓操作條件下，則氫氣**率降低，造成原料耗量增加。
● 高壓力過高，增加裝置投資成本外也加大了系統的安全隱患
根據上述情況，製氫裝置一般應採用中壓轉化方案設計較為理想,同時氫氣緩衝罐在較高壓力下供氫，可以很好保證下游用氫的穩定性，對負荷變動的調整也十分有利。
2.2.3 一氧化碳變工段
採用一段中變流程(若建設方同時需要co，則不需要中變工段，增加從co**系統)
採用一氧化碳變換，降低原料單耗節省轉化爐、吸附工段投資。為此在製氫裝置設計中，均採用一氧化碳變換工藝。co變換反應為放熱反應，低溫對變換平衡有利，可得到較高的co變換率，進而可提高單位原料的產氫量，由轉化部分來的約340-360℃的轉化氣進入中溫變換反應器，在催化劑的作用下發生變換反應：
co+h2o=co2+h2 △ho298 =-41.4kj/mol
將變換氣中co含量降至2％左右，同時繼續生產氫氣。中變氣經過鍋爐給水預熱器、脫鹽水預熱器進行熱交換**部分餘熱後，再經中變氣水冷器冷凝除去水分，經分水後進入psa生產部分。
2.2.4 工藝冷凝液的**利用
來自裝置外的脫鹽水經脫鹽水預熱器預熱後與來自酸性水氣提塔的淨化水混合後進入除氧器裝置。除氧器所需的蒸汽由裝置自產水蒸氣提供。除氧水經過中壓鍋爐給水幫浦公升壓後經過鍋爐給水預熱器預熱後進入汽包。
鍋爐水通過自然迴圈的方式分別經過轉化爐煙道氣產汽段、轉化氣蒸汽發生器產生蒸汽。所產生的蒸汽一部分作為工藝蒸汽使用；多餘部分減壓作為除氧器除氧用、外輸出裝置。
2.2.5 優化餘熱**和psa解析氣利用
變壓吸附解析氣經緩衝罐混合、穩壓後全部去轉化爐燃燒器作為燃料，與燃料天然氣一起燃燒放出熱量，根據轉化爐出口氣體溫度的高低調節燃料天然氣的流量，根據煙氣殘氧量調節鼓風量，根據裝置負荷高低的工況情況調節對流段煙氣溫度。
2.3.1轉化爐選擇
本裝置轉化爐採用方箱式強制配風頂燒爐、臥式對流段設計。該方法具有以下特點:
1) 有利於延長爐管的使用壽命
眾所周知,在相同使用壓力情況下,高溫金屬材料的壽命與其承受的金屬壁溫有著直接的關係：使用溫度越高、其使用壽命呈指數關係下降。
從上圖能看出，方箱爐爐管為雙面輻射，而圓筒爐為單面輻射、單面反射，所以，如果採用相同的反應強度（即爐管的傳熱量相等）和出口溫度，那麼圓筒爐爐管迎火側壁溫一定大於方箱爐。製氫轉化爐轉化管工況已經十分惡劣，其金屬壁溫已高達950度左右,所選用的hp-nb材料設計使用壽命為10萬小時，而壁溫較高的圓筒爐爐管壽命必然會縮短。同時,由於圓筒爐為單面輻射、單面反射，徑向溫差較大，也容易使爐管變形。
方箱爐由於熱場分布均勻，爐管徑向溫差小，不易變形、使用壽命長。
2) 有利於裝置連續穩定執行
由圖可以看出，圓筒爐只有乙個燃燒器,一旦熄火就必須緊急停爐，然後吹掃後重新點火，裝置重新恢復供氣需要數個小時時間。而方形爐有多個燃燒器,可以有效維持爐溫在800度以上,熄火機率非常小，即使某個燃燒器熄火，由於爐內仍有其它明火持續引燃,所以不需要停爐,只需關閉熄火的燃燒器數分鐘後重新點燃即可，這個過程不會導致氫氣停止**。
3) 故障時，有利於裝置快速恢復生產
假如由於意外原因導致某根爐管變形、或者產生熱斑甚至破裂，對於方箱爐來講,只需採用蒸汽降溫置換、並在通氮氣保護下將該管上下豬尾管切斷、堵焊，就可重新公升溫恢復生產（對應燃燒器適當關小燃料氣）, 損壞的爐管大修時再更換管，整個過程可以在4~8小時內完成。
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