乙炔尾氣制氫設(shè)計(jì)優(yōu)化

聶李紅 鄧均輝

中國成達(dá)工程有限公司 成都 610041

設(shè) 計(jì)技 術(shù)

乙炔尾氣制氫設(shè)計(jì)優(yōu)化

聶李紅*鄧均輝

中國成達(dá)工程有限公司 成都 610041

利用Aspen模擬計(jì)算，分析乙炔尾氣組分波動(dòng)對(duì)制氫裝置運(yùn)行的影響，提出通過調(diào)整工藝蒸汽溫度的解決方案，并與設(shè)置在線加熱爐解決方案進(jìn)行比較，優(yōu)化了設(shè)計(jì)。

乙炔尾氣 制氫 模擬計(jì)算 設(shè)計(jì)優(yōu)化

天然氣制乙炔生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)每噸乙炔會(huì)副產(chǎn)約9800Nm3乙炔尾氣[1]。乙炔尾氣的成分主要為CO和H2，是生產(chǎn)甲醇、合成氨、氫氣的優(yōu)質(zhì)原料[2,3]，對(duì)其加以綜合利用，不僅節(jié)能降耗，還可減少廢氣排放。

乙炔尾氣典型組分見表1，其中含一氧化碳約占30%、少量不飽和烴及氧氣，利用乙炔尾氣生產(chǎn)合成氨和氫氣需要先通過凈化脫除氧、不飽和烴等少量有害物質(zhì)，再經(jīng)變換將一氧化碳轉(zhuǎn)化成氫氣。乙炔尾氣作為上游裝置的副產(chǎn)物，其組分受上游裝置操作影響，不可避免會(huì)存在一定的波動(dòng)，尤其是其中的C2H2、C2H4、O2含量波動(dòng)，會(huì)影響凈化后乙炔尾氣溫度及變換反應(yīng)入口溫度，影響變換過程的熱量平衡，嚴(yán)重時(shí)破壞變換過程的運(yùn)行穩(wěn)定。

表1 典型乙炔尾氣組分 (v%)

本文以乙炔尾氣制氫為例，對(duì)制氫裝置進(jìn)行流程模擬計(jì)算分析，并對(duì)加熱爐、工藝蒸汽管網(wǎng)等進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，消除制氫裝置受前端乙炔尾氣組分波動(dòng)的影響，實(shí)現(xiàn)裝置操作靈活、運(yùn)行穩(wěn)定。

1 乙炔尾氣制氫簡介

制氫裝置接收的乙炔尾氣壓力一般不超過1.0MPa(G)，需要通過壓縮機(jī)升壓至需要的壓力，再脫除氧、硫、不飽和烴等少量有害物質(zhì)。乙炔尾氣中的C2H2、C2H4、O2通過凈化轉(zhuǎn)化為C2H6和H2O，從而達(dá)到凈化乙炔尾氣的目的。凈化過程主要反應(yīng)：

H2S+ZnO → ZnS+H2O+Q
C2H2+2H2→ C2H6+Q
C2H4+H2→ C2H6+Q
O2+2H2→ 2H2O+Q

經(jīng)凈化處理后的乙炔尾氣，還含一定量的CO，變換反應(yīng)的作用是使CO與H2O催化反應(yīng)生成H2，提高制氫原料氣中的H2含量，降低PSA系統(tǒng)制氫的原料氣消耗。變換過程主要反應(yīng)：

CO + H2O → CO2+ H2+ Q

乙炔尾氣制氫典型工藝流程見圖1。

圖1 乙炔尾氣制氫工藝流程

乙炔尾氣經(jīng)原料氣壓縮機(jī)壓縮到目標(biāo)壓力后，進(jìn)凈化系統(tǒng)脫除毒害物質(zhì)，凈化后的乙炔尾氣硫含量小于0.1ppm，氧氣、炔烴、烯烴基本脫除干凈，再送至變換系統(tǒng)處理。

凈化系統(tǒng)來的原料氣經(jīng)中變段間換熱器預(yù)熱到307℃后與工藝蒸汽混合，再經(jīng)中變進(jìn)出口換熱器預(yù)熱到350℃后，進(jìn)中溫變換爐上床層，在催化劑的作用下與水蒸汽反應(yīng)生成H2和CO2，并放出大量的反應(yīng)熱。然后經(jīng)中變段間換熱器冷卻到370℃，進(jìn)中溫變換爐下床層繼續(xù)發(fā)生變換反應(yīng)，出下床層的中變氣經(jīng)中變進(jìn)出口換熱器冷卻、廢鍋副產(chǎn)低壓蒸汽后，中變氣被冷卻到200℃，然后進(jìn)低溫變換爐，在低變催化劑的作用下繼續(xù)反應(yīng)，剩余的CO含量降至<0.4%。低溫變換氣經(jīng)廢鍋副產(chǎn)低壓蒸汽、回收低位熱后，進(jìn)低變氣水冷器冷卻到40℃，再進(jìn)低變氣分離器分離出冷凝液，最后送變壓吸附系統(tǒng)制得產(chǎn)品氫氣。

2 問題及設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 問題

乙炔尾氣作為上游裝置的副產(chǎn)物，其組分隨上游裝置催化劑活性、生產(chǎn)負(fù)荷調(diào)整等影響，存在一定的波動(dòng)。由于乙炔尾氣凈化系統(tǒng)是放熱反應(yīng)，為考慮設(shè)備、管道運(yùn)行安全，一般選用乙炔尾氣中不飽和烴類及O2含量相對(duì)較高的工況作為制氫裝置的設(shè)計(jì)工況。

實(shí)際生產(chǎn)過程中乙炔尾氣組分與設(shè)計(jì)工況偏離較大時(shí)，如不飽和烴類及O2含量相對(duì)較低時(shí)，會(huì)造成凈化后乙炔尾氣溫度低于設(shè)計(jì)工況，換熱后達(dá)不到中溫變換催化劑的最佳入口溫度，影響變換過程反應(yīng)深度及中變反應(yīng)器出口溫度。而中溫變換過程為了盡量利用變換反應(yīng)熱，設(shè)有段間換熱器、進(jìn)出口換熱器等熱交換器用于預(yù)熱原料氣，中變出口溫度的下降進(jìn)一步加劇了入口原料氣溫度的下降，最終破壞中溫變換過程的熱量平衡，造成制氫裝置操作困難。

2.2 解決方案

由于設(shè)置離線加熱爐(僅開車使用)裝置，在實(shí)際運(yùn)行過程中，乙炔尾氣波動(dòng)時(shí)通常難以實(shí)現(xiàn)自身熱平衡，加熱爐難以甩掉。后來的改進(jìn)裝置通過設(shè)置在線加熱爐(或換熱器)預(yù)熱加氫轉(zhuǎn)化后乙炔尾氣，根據(jù)前端波動(dòng)來調(diào)節(jié)加熱爐負(fù)荷，達(dá)到加熱爐后變換工序穩(wěn)定運(yùn)行的目的。

設(shè)置在線加熱爐的解決方案成熟可靠、操作穩(wěn)定，但正常工況下加熱爐也要運(yùn)行，由此帶來相關(guān)的公用工程消耗增加、運(yùn)行、維護(hù)工作量加大等一系列問題；不設(shè)置在線加熱爐工藝流程簡單，但難以適應(yīng)乙炔組分波動(dòng)、操作不穩(wěn)定。

本文提出在取消在線加熱爐的基礎(chǔ)上，不改變加入工藝蒸汽量，僅調(diào)整變換工藝蒸汽溫度及對(duì)應(yīng)管道的設(shè)計(jì)溫度、優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)，解決前端乙炔尾氣組分波動(dòng)對(duì)下游裝置操作的影響。利用Aspen對(duì)不同乙炔尾氣組分進(jìn)行模擬計(jì)算，比較設(shè)置在線加熱爐和調(diào)整工藝蒸汽溫度兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，為設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)。

2.3 模擬計(jì)算分析

在處理相同乙炔尾氣量下，對(duì)設(shè)計(jì)工況和操作工況兩種乙炔尾氣分別進(jìn)行了模擬計(jì)算，兩種工況下的乙炔尾氣組分見表2。

表2 乙炔尾氣組分 (v%)

針對(duì)由乙炔尾氣組分引起的操作工況與設(shè)計(jì)工況的偏離，分別按設(shè)置在線加熱爐(方案一)和調(diào)整工藝蒸汽溫度(方案二)兩種方案進(jìn)行模擬計(jì)算，使調(diào)整后中變一段入口和中變二段入口工藝氣溫度與設(shè)計(jì)工況一致，模擬計(jì)算關(guān)鍵工藝參數(shù)見表3。

表3 模擬計(jì)算工藝參數(shù)

通過表3模擬計(jì)算結(jié)果可知，操作工況與設(shè)計(jì)工況相比，C2H4、C2H2、O2含量明顯下降，尤其是O2含量下降了近60%，這造成凈化氣溫度下降了近70℃、中變一段與二段入口溫度分別下降了近30℃。實(shí)際生產(chǎn)過程中，在反應(yīng)器催化劑床層高度一定、換熱器面積一定的情況下，操作工況的反應(yīng)器進(jìn)、出口溫度比模擬計(jì)算值更低。中變催化劑采用Fe-Cr系催化劑，溫度過低影響中變反應(yīng)變換率及中溫變換爐各段出口溫度。中變出口溫度的下降進(jìn)一步加劇了入口原料氣溫度的下降，使中變換過程的熱量平衡進(jìn)一步遭到破壞。

因此，根據(jù)模擬結(jié)果分析可以得出，乙炔尾氣組分波動(dòng)是造成制氫熱量無法平衡、裝置無法正常操作運(yùn)行的主要原因。

2.4 方案比較與設(shè)計(jì)優(yōu)化

方案一和方案二都可以將中溫變換爐一段入口工藝氣溫度調(diào)節(jié)至與設(shè)計(jì)工況一致，達(dá)到裝置穩(wěn)定運(yùn)行的目的。兩種調(diào)節(jié)方案模擬計(jì)算結(jié)果比較見表4。

表4 兩種方案模擬計(jì)算結(jié)果比較

表4中的差值為方案二與方案一參數(shù)之差，輸出的副產(chǎn)蒸汽量用“-”表示，折能耗標(biāo)準(zhǔn)按GB/T 50441-2007計(jì)算。方案二比方案一節(jié)省消耗3.63kgce/hr，運(yùn)行更經(jīng)濟(jì)。這是由于方案二采用蒸汽直接接觸加熱工藝氣的方式，比采用加熱爐間接加熱工藝氣能量利用效率更高。

方案二中加熱爐僅用于開車催化劑還原升溫，與方案一相比，爐內(nèi)高溫盤管設(shè)計(jì)壓力將大幅降低，設(shè)備投資也降低。方案二的工藝蒸汽管線操作溫度會(huì)有提高，設(shè)計(jì)溫度也相應(yīng)提高，但碳鋼管道及材料在該設(shè)計(jì)溫度下的壁厚并未增加，不會(huì)引起投資的變動(dòng)。因此，方案二在設(shè)備投資方面也要優(yōu)于方案一。

方案二中工藝氣體不經(jīng)過加熱爐盤管加熱，降低了裝置阻力降，后續(xù)PSA制氫系統(tǒng)運(yùn)行也更經(jīng)濟(jì)。

方案二正常操作時(shí)不需要運(yùn)行加熱爐，消除了制氫裝置內(nèi)唯一的明火設(shè)備，減少了業(yè)主日常運(yùn)行中相應(yīng)的操作、管理、維修工作，也消 除 了

加熱爐在正常操作時(shí)的煙氣排放，在環(huán)保和維護(hù)管理方面更合理。

2.5 優(yōu)化效果

采用方案二優(yōu)化設(shè)計(jì)后操作參數(shù)與設(shè)計(jì)工況參數(shù)見表5。

表5 模擬計(jì)算工藝參數(shù)

由表5可知，通過調(diào)整變換工藝蒸汽溫度、不開加熱爐，制氫裝置中變一段、二段入口溫度基本恢復(fù)到設(shè)計(jì)工況，實(shí)現(xiàn)了中變系統(tǒng)熱量平衡，克服了前端乙炔尾氣組分波動(dòng)對(duì)制氫裝置操作的影響。

3 結(jié)語

通過Aspen模擬計(jì)算、分析，確認(rèn)了制氫裝置運(yùn)行不穩(wěn)定的主要因素是乙炔尾氣組分波動(dòng)，提出通過調(diào)整工藝蒸汽溫度的解決方案，并與設(shè)置在線加熱爐解決方案進(jìn)行比較，為簡化工藝流程及優(yōu)化設(shè)計(jì)方案提供了依據(jù)，并在工程實(shí)踐中得到了驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了制氫裝置調(diào)節(jié)靈活、運(yùn)行穩(wěn)定。

1 但渝江.兩種乙炔尾氣轉(zhuǎn)化技術(shù)分析比較[J].天然氣化工,2002,27(5).

2 陳仕萍.乙炔尾氣制甲醇和天然氣制甲醇的比較[J].天然氣化工,2006,31(1).

3 李輝林,高 雁,李光輝等.天然氣裂解制乙炔尾氣用于生產(chǎn)合成氨工藝改進(jìn)[J].大氮肥,2009,32(2).

2016-05-19)

*聶李紅：工程師。2008年畢業(yè)于大連理工大學(xué)化學(xué)工藝專業(yè)獲碩士學(xué)位。從事工藝設(shè)計(jì)工作。聯(lián)系電話：(028)65531469， E-mail：nielihong@chengda.com。