制氫裝置綜合能耗的影響因素

裴增帥

制氫裝置綜合能耗的影響因素

裴增帥

（中國石油廣西石化公司，廣西 欽州 535000）

介紹了烴類水蒸汽轉(zhuǎn)化制氫中綜合能耗的構(gòu)成及影響因素，并提出優(yōu)化裝置綜合能耗的措施，以達(dá)到裝置開源節(jié)流，降本增效的目的。

烴類水蒸汽制氫；綜合能耗

目前大型工業(yè)裝置采用的制氫方法均為烴類水蒸汽轉(zhuǎn)化法，制氫裝置的大型化使得裝置能源消耗越來越大。隨著原油價(jià)格的不斷攀升，為降低煉油成本，滿足節(jié)能減排的時(shí)代要求，降低制氫過程的能量消耗已成為各煉廠追求的永恒主題。在此背景下，各種節(jié)能技術(shù)措施相繼涌現(xiàn)，使得制氫裝置的綜合能耗持續(xù)降低。

南方某煉廠14萬Nm3·h-1制氫裝置2014年7月首次開工，是國內(nèi)單系列規(guī)模最大的制氫裝置。要降低綜合能耗就要從裝置特點(diǎn)入手，了解裝置綜合能耗的影響因素，得出優(yōu)化裝置綜合能耗的措施，在降低生產(chǎn)消耗的同時(shí)，盡可能回收能量，增加能量外輸，全方位降低能耗。

1 制氫裝置綜合能耗構(gòu)成

烴類水蒸汽轉(zhuǎn)化制氫裝置的能耗構(gòu)成中，原料、燃料氣和外輸蒸汽所占比重較大，約占95%以上。某煉廠14萬Nm3·h-1制氫裝置設(shè)計(jì)能耗構(gòu)成見表1。

表1 制氫裝置設(shè)計(jì)綜合能耗

2 影響制氫裝置綜合能耗的主要因素

2.1 制氫原料

制氫原料在裝置綜合能耗中占90%以上，生產(chǎn)單位氫氣中原料消耗越小，裝置能耗越低。從制氫的轉(zhuǎn)化反應(yīng)原理可以得知，原料組成中烴類物質(zhì)氫碳比越大，產(chǎn)氫率越高，生產(chǎn)單位氫氣消耗的原料越小，裝置綜合能耗降低。在烴類蒸汽轉(zhuǎn)化制氫的原料中，主要有天然氣、煉廠干氣、液化氣和輕石腦油等，其氫碳比依次降低，因此天然氣的產(chǎn)氫率最高，綜合能耗最低，而輕石腦油的產(chǎn)氫率最低，綜合能耗最高。另外，裝置能耗最終反映氫氣的生產(chǎn)成本，原料的價(jià)格也影響裝置原料的選擇，通過計(jì)算生產(chǎn)單位氫氣所消耗的原料成本，確定選擇原料的種類。

同時(shí)，轉(zhuǎn)化爐出口甲烷含量也影響裝置原料的消耗量。烴類蒸汽轉(zhuǎn)化的主反應(yīng)是一個(gè)強(qiáng)吸熱的可逆的平衡反應(yīng)，增加反應(yīng)溫度有利于平衡向右移動(dòng)，但仍有少量甲烷未反應(yīng)。因此，轉(zhuǎn)化爐出口甲烷含量越少，轉(zhuǎn)化反應(yīng)越徹底，原料產(chǎn)氫率越高。但提高轉(zhuǎn)化爐出口溫度將增加轉(zhuǎn)化爐燃料氣的消耗量，反而增加了裝置綜合能耗，故需要控制轉(zhuǎn)化爐出口甲烷含量在一個(gè)適當(dāng)值，以總體降低裝置的綜合能耗。

2.2 轉(zhuǎn)化爐燃料氣

轉(zhuǎn)化爐燃料氣的消耗是影響制氫裝置綜合能耗的另一個(gè)主要因素。轉(zhuǎn)化爐的燃燒熱量一部分來自PSA所產(chǎn)的解吸氣，另一部分為外補(bǔ)的燃料氣。PSA的解吸氣全部去轉(zhuǎn)化爐燃燒，不足的熱量通過界區(qū)外的燃料氣補(bǔ)充，通過轉(zhuǎn)化爐出口溫度控制外補(bǔ)燃料氣的用量。當(dāng)采用價(jià)格較高的原料時(shí)，通過提高轉(zhuǎn)化爐出口溫度提高原料產(chǎn)氫率，以降低裝置綜合能耗；在使用價(jià)格較低的原料時(shí)，適當(dāng)降低轉(zhuǎn)化爐出口溫度減小原料產(chǎn)氫率，同時(shí)PSA解吸氣熱值因殘余甲烷含量增加而升高，轉(zhuǎn)化爐燃料氣的消耗量相應(yīng)較少。

通過優(yōu)化轉(zhuǎn)化爐操作提高轉(zhuǎn)化爐熱效率，可以進(jìn)一步降低燃料氣的消耗。影響轉(zhuǎn)化爐熱效率的主要因素有排煙溫度和過?？諝庀禂?shù)。根據(jù)爐膛負(fù)壓控制較低的煙氣流量，進(jìn)而控制較低的排煙溫度以減少煙氣帶走的熱量，提高轉(zhuǎn)化爐熱效率?？紤]到煙氣露點(diǎn)腐蝕問題，應(yīng)適當(dāng)控制排煙溫度大于煙氣露點(diǎn)溫度。轉(zhuǎn)化爐過?？諝庀禂?shù)過大一方面致使煙氣中過多的氧加劇轉(zhuǎn)化爐管的表面氧化，另一方面增加了熱損失降低了轉(zhuǎn)化爐熱效率。為了控制較小的過?？諝庀禂?shù)，需要認(rèn)真確認(rèn)關(guān)好轉(zhuǎn)化爐的看火窗和點(diǎn)火孔，并根據(jù)轉(zhuǎn)化爐負(fù)荷的變化及時(shí)調(diào)節(jié)鼓風(fēng)量。

2.3 外輸蒸汽

在裝置的能耗構(gòu)成中，外輸3.5MPa中壓蒸汽的產(chǎn)量所占綜合能耗的比重僅小于原料、燃料氣的消耗量，對(duì)裝置綜合能耗產(chǎn)生較大的影響，提高蒸汽外輸量可以減少裝置綜合能耗。裝置自產(chǎn)的中壓蒸汽一部分作為配汽參與轉(zhuǎn)化反應(yīng)，剩余的中壓蒸汽外輸至全廠蒸汽管網(wǎng)。提高中壓蒸汽外輸量可以通過提高裝置蒸汽自產(chǎn)量和減少轉(zhuǎn)化配汽量來實(shí)現(xiàn)。在裝置設(shè)計(jì)條件確定的情況下，現(xiàn)實(shí)操作中通過提高裝置自產(chǎn)蒸汽量來提高蒸汽外輸量并不可取，因?yàn)橥ㄟ^增加煙氣流量來提高蒸汽產(chǎn)量降低了轉(zhuǎn)化爐熱效率，增加了燃料氣消耗，反而使裝置綜合能耗增加?？刂戚^小的轉(zhuǎn)化水碳比可以減少裝置配汽量，從而增加外輸蒸汽量。

但在裝置低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，為了確保轉(zhuǎn)化爐管進(jìn)料分布均勻，轉(zhuǎn)化配汽量必須大于一個(gè)最低值；同時(shí)，過小的水碳比將減少轉(zhuǎn)化反應(yīng)深度，增加了轉(zhuǎn)化爐出口甲烷含量，原料產(chǎn)氫率降低，并且不利于轉(zhuǎn)化爐管消除積炭。因此，需要綜合考慮探索出一個(gè)最佳的轉(zhuǎn)化配汽量，以降低裝置綜合能耗和保證裝置安全平穩(wěn)運(yùn)行。

2.4 PSA產(chǎn)品氫氣收率

PSA產(chǎn)品氫氣收率通過影響原料產(chǎn)氫率從而影響裝置綜合能耗。PSA產(chǎn)品氫氣收率高，則原料產(chǎn)氫率高，裝置綜合能耗降低。影響PSA產(chǎn)品氫氣收率的主要因素有原料氣組成及壓力、產(chǎn)品氫純度及雜質(zhì)要求、解吸氣壓力、吸附劑的性能等。

原料氣中氫氣含量越高（即雜質(zhì)含量越低），原料氣壓力越高，吸附效果越好，PSA產(chǎn)品氫氣收率越高。產(chǎn)品氫氣純度越高，產(chǎn)品氫氣中微量雜質(zhì)含量越低，則需要控制的吸附時(shí)間越短，導(dǎo)致解吸氣中氫氣含量增大，PSA產(chǎn)品氫氣收率降低。

解吸氣壓力越低，吸附劑再生越容易、徹底，通過控制解吸氣去轉(zhuǎn)化爐的閥門開度，減小解吸氣的壓力，同時(shí)適當(dāng)增大吸附時(shí)間，可以減少解吸氣中氫氣含量，提高PSA產(chǎn)品氫氣收率。吸附劑較好的性能包括高吸附容量、高選擇性、足夠高的機(jī)械強(qiáng)度和足夠高的化學(xué)安定性，吸附劑性能越好，PSA產(chǎn)品氫氣收率越高，同時(shí)吸附劑壽命越長。

3 優(yōu)化裝置綜合能耗的措施

3.1 合理選擇裝置原料

當(dāng)前某煉廠14萬Nm3·h-1制氫裝置可以選擇的原料有天然氣、催化干氣、液化氣和輕石腦油。由于催化干氣中烯烴含量較大，且流量不夠穩(wěn)定，容易導(dǎo)致加氫反應(yīng)器床層超溫，給裝置安全平穩(wěn)運(yùn)行帶來較大隱患，故不宜作為裝置的理想原料。受國際原油價(jià)格持續(xù)走低的影響，當(dāng)前天然氣價(jià)格高于液化氣及輕石腦油的價(jià)格，但天然氣的產(chǎn)氫率最高。3種原料單位氫氣生產(chǎn)成本列于表2。從表中數(shù)據(jù)可以看出，液化氣作為裝置原料時(shí)單位氫氣原料成本最低，由于氫氣生產(chǎn)成本中原料成本占93%以上，故選擇液化氣作制氫原料時(shí)氫氣總成本最低。

表2 3種原料生產(chǎn)成本比較

3.2 盡量降低轉(zhuǎn)化水碳比

制氫轉(zhuǎn)化反應(yīng)是一種熱力學(xué)平衡反應(yīng)，增加反應(yīng)物水蒸汽量有利于平衡向右移動(dòng)，即增加氫氣產(chǎn)量，提高原料產(chǎn)氫率。同時(shí)，增加轉(zhuǎn)化水碳比有利于轉(zhuǎn)化催化劑的消碳反應(yīng)，保證裝置長周期安全運(yùn)行。然而，水碳比的增加將致使裝置綜合能耗上升，增加了氫氣生產(chǎn)成本。為了提高原料轉(zhuǎn)化率，實(shí)際配入的水蒸汽量需要大于理論化學(xué)計(jì)量值，多余的未反應(yīng)的水蒸汽將在轉(zhuǎn)化爐中吸收大量的熱量而升溫到爐出口溫度，其吸收的熱量占轉(zhuǎn)化爐熱負(fù)荷的30%～60%，雖然此部分熱量將在后續(xù)流程中得到一定回收，但其能位大大降低，且同時(shí)增加了能量回收系統(tǒng)的能耗。因此，在保證裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，應(yīng)盡量減少蒸汽配入量，降低轉(zhuǎn)化水碳比。

某煉廠14萬Nm3·h-1制氫裝置由于曾設(shè)了預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)器，使裝置設(shè)計(jì)總水碳比降為2.95，為實(shí)際運(yùn)行時(shí)降低水碳比創(chuàng)造了條件。表3列出了不同水碳比下的裝置綜合能耗數(shù)據(jù)，此時(shí)以天然氣為原料，裝置負(fù)荷62%，轉(zhuǎn)化爐出口甲烷含量保持6.6%（干基）不變。表3的結(jié)果表明，為了確保轉(zhuǎn)化爐出口甲烷含量基本不變，保持一定的原料產(chǎn)氫率，需要適當(dāng)提高轉(zhuǎn)化爐出口溫度進(jìn)行補(bǔ)償，但由于降低了水碳比，轉(zhuǎn)化爐燃料氣消耗量隨之降低，蒸汽外送量增大，裝置綜合能耗得到了降低。因此，裝置生產(chǎn)過程中，應(yīng)在保證安全平穩(wěn)的基礎(chǔ)上盡量控制較低的水碳比，以降低裝置綜合能耗。

表3 不同水碳比對(duì)綜合能耗的影響

3.3 適當(dāng)控制轉(zhuǎn)化出口甲烷含量

制氫轉(zhuǎn)化反應(yīng)的原理是把烴類物質(zhì)與水蒸汽反應(yīng)轉(zhuǎn)化為氫氣、一氧化碳、二氧化碳，并剩下少量未轉(zhuǎn)化的甲烷，故轉(zhuǎn)化爐出口甲烷含量成為轉(zhuǎn)化深度的重要標(biāo)志，直接影響原料產(chǎn)氫率。為了降低轉(zhuǎn)化爐出口甲烷含量，提高原料產(chǎn)氫率，必須增大轉(zhuǎn)化水碳比或提高轉(zhuǎn)化爐出口溫度，但裝置的動(dòng)力、燃料消耗隨之增加。因此，需要控制一個(gè)最優(yōu)的轉(zhuǎn)化爐出口甲烷含量，使裝置綜合能耗最低。過高的轉(zhuǎn)化爐出口甲烷含量則因原料消耗量大而使綜合能耗升高；相反，如果控制一個(gè)較低的轉(zhuǎn)化爐出口甲烷含量，則因燃料消耗量大而使綜合能耗增加。

圖1給出了在一定氫氣產(chǎn)量及保持低水碳比3.0不變的條件下，不同轉(zhuǎn)化爐出口殘余甲烷含量所對(duì)應(yīng)的裝置綜合能耗。從圖1中可以清楚看出，對(duì)于不同的氫氣產(chǎn)量均存在一個(gè)最優(yōu)的轉(zhuǎn)化爐出口殘余甲烷含量，使得裝置綜合能耗最低。由此可見，裝置實(shí)際生產(chǎn)中，需要根據(jù)當(dāng)前產(chǎn)氫量，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化爐出口溫度，控制殘余甲烷含量在最優(yōu)點(diǎn)附近，以使裝置綜合能耗接近最低值。

圖1 轉(zhuǎn)化爐出口殘余甲烷含量所對(duì)應(yīng)的裝置綜合能耗

3.4 提高轉(zhuǎn)化爐熱效率

轉(zhuǎn)化爐燃料氣的消耗量占裝置綜合能耗的相當(dāng)大部分，提高轉(zhuǎn)化爐熱效率可以顯著降低燃料氣消耗量，進(jìn)而降低裝置綜合能耗。根據(jù)影響轉(zhuǎn)化爐熱效率的主要因素，可以通過降低過?？諝庀禂?shù)和排煙溫度，達(dá)到降低裝置綜合能耗的目的。裝置日常生產(chǎn)中，需要加強(qiáng)巡回檢查，及時(shí)關(guān)閉已打開的點(diǎn)火孔和看火窗，防止空氣漏進(jìn)爐膛。同時(shí)，根據(jù)轉(zhuǎn)化爐負(fù)荷的變化和煙氣在線氧含量分析數(shù)據(jù)，適當(dāng)調(diào)整鼓風(fēng)機(jī)入轉(zhuǎn)化爐流量，控制煙氣中氧含量在2%～5%，并盡量控制在較低值。另外，通過調(diào)節(jié)預(yù)熱空氣旁路蝶閥，控制轉(zhuǎn)化爐排煙溫度在設(shè)計(jì)值142℃附近甚至更低，因?yàn)楦鶕?jù)專業(yè)研究機(jī)構(gòu)檢測，此轉(zhuǎn)化爐排煙溫度大于110℃仍不會(huì)造成煙氣露點(diǎn)腐蝕。

2014年，某煉廠14×104Nm3·h-1制氫裝置轉(zhuǎn)化爐各月實(shí)際熱效率見表4。從表中數(shù)據(jù)可以看出，部分月份的轉(zhuǎn)化爐熱效率小于設(shè)計(jì)值92%，需要進(jìn)一步加強(qiáng)操作調(diào)整，以更好地優(yōu)化裝置節(jié)能降耗。3.5 優(yōu)化PSA操作參數(shù)

表4 2014年8～12月轉(zhuǎn)化爐熱效率

某煉廠14萬Nm3·h-1制氫裝置PSA部分引進(jìn)美國UOP專利技術(shù)設(shè)備，設(shè)計(jì)氫氣收率為90%。影響PSA產(chǎn)品氫氣收率的主要因素有原料氣組成及壓力、產(chǎn)品氫純度及雜質(zhì)含量、解吸氣壓力和吸附劑的性能。原料氣組成及壓力由造氣部分確定，而吸附劑一旦裝入吸附塔即不再改變，能夠進(jìn)行優(yōu)化操作的只有產(chǎn)品氫純度與雜質(zhì)含量以及解吸氣壓力。吸附時(shí)間是PSA最為關(guān)鍵的參數(shù)，其設(shè)定值的大小決定了PSA產(chǎn)品氫純度與雜質(zhì)含量，進(jìn)而決定了產(chǎn)品氫氣收率。吸附時(shí)間設(shè)定值增大，則產(chǎn)品氫純度下降，雜質(zhì)含量增多，氫氣收率提高；相反，吸附時(shí)間設(shè)定值減小，則產(chǎn)品氫純度上升，雜質(zhì)含量減小，氫氣收率降低。因此在調(diào)節(jié)PSA操作過程中，應(yīng)根據(jù)原料氣組成和流量的變化及時(shí)調(diào)整吸附時(shí)間，使產(chǎn)品氫氣純度剛好合格，雜質(zhì)含量基本不超標(biāo)，即不使產(chǎn)品質(zhì)量過剩，從而最大限度地提高產(chǎn)品氫氣收率，這期間也可通過化驗(yàn)分析解吸氣中氫氣含量對(duì)吸附時(shí)間進(jìn)行修正。另外，生產(chǎn)過程中通過開大解吸氣去轉(zhuǎn)化爐的控制閥和手閥，盡量降低解吸氣壓力，以提高產(chǎn)品氫氣收率。2014年，某煉廠14萬Nm3·h-1制氫裝置PSA單元，通過降低吸附時(shí)間，控制產(chǎn)品氫氣中（CO+CO2）微量含量在3.5×10-6附近，低于設(shè)計(jì)值20×10-6，因此PSA氫氣收率在89.5%左右，小于設(shè)計(jì)值90%，需要在以后的操作中進(jìn)一步優(yōu)化PSA操作參數(shù)，提高PSA產(chǎn)品氫氣收率和制氫原料產(chǎn)氫率，以降低裝置綜合能耗。

3.6 其它

降低循環(huán)水量也是一個(gè)比較重要的節(jié)能手段。當(dāng)前循環(huán)水量為280t·h-1左右，高于設(shè)計(jì)值177t·h-1，循環(huán)水溫差1℃多，小于公司要求的6℃，可以降低循環(huán)水用量。另外，伴熱水現(xiàn)在用量為15t·h-1，南方冬天天氣并不低，對(duì)儀表影響不大，可以適當(dāng)降低伴熱水用量。

4 結(jié)語

綜上所述，降低制氫裝置綜合能耗需要根據(jù)進(jìn)料性質(zhì)、天氣影響等因素綜合調(diào)節(jié)，力求裝置開源節(jié)流，降本增效，達(dá)到最好水平。

Influence Factors of Comprehensive Energy Consumption in Hydrogen Generation Unit

PEI Zeng-shuai
（Guangxi Petrochemical Company， CNPC， Qinzhou 535000， China）

TQ 116.2

B

1671-9905（2016）06-0069-04

2016-04-11