制氢装置综合能耗的影响因素

裴增帅

制氢装置综合能耗的影响因素

裴增帅

（中国石油广西石化公司，广西 钦州 535000）

介绍了烃类水蒸汽转化制氢中综合能耗的构成及影响因素，并提出优化装置综合能耗的措施，以达到装置开源节流，降本增效的目的。

烃类水蒸汽制氢；综合能耗

目前大型工业装置采用的制氢方法均为烃类水蒸汽转化法，制氢装置的大型化使得装置能源消耗越来越大。随着原油价格的不断攀升，为降低炼油成本，满足节能减排的时代要求，降低制氢过程的能量消耗已成为各炼厂追求的永恒主题。在此背景下，各种节能技术措施相继涌现，使得制氢装置的综合能耗持续降低。

南方某炼厂14万Nm3·h-1制氢装置2014年7月首次开工，是国内单系列规模最大的制氢装置。要降低综合能耗就要从装置特点入手，了解装置综合能耗的影响因素，得出优化装置综合能耗的措施，在降低生产消耗的同时，尽可能回收能量，增加能量外输，全方位降低能耗。

1 制氢装置综合能耗构成

烃类水蒸汽转化制氢装置的能耗构成中，原料、燃料气和外输蒸汽所占比重较大，约占95%以上。某炼厂14万Nm3·h-1制氢装置设计能耗构成见表1。

表1 制氢装置设计综合能耗

2 影响制氢装置综合能耗的主要因素

2.1 制氢原料

制氢原料在装置综合能耗中占90%以上，生产单位氢气中原料消耗越小，装置能耗越低。从制氢的转化反应原理可以得知，原料组成中烃类物质氢碳比越大，产氢率越高，生产单位氢气消耗的原料越小，装置综合能耗降低。在烃类蒸汽转化制氢的原料中，主要有天然气、炼厂干气、液化气和轻石脑油等，其氢碳比依次降低，因此天然气的产氢率最高，综合能耗最低，而轻石脑油的产氢率最低，综合能耗最高。另外，装置能耗最终反映氢气的生产成本，原料的价格也影响装置原料的选择，通过计算生产单位氢气所消耗的原料成本，确定选择原料的种类。

同时，转化炉出口甲烷含量也影响装置原料的消耗量。烃类蒸汽转化的主反应是一个强吸热的可逆的平衡反应，增加反应温度有利于平衡向右移动，但仍有少量甲烷未反应。因此，转化炉出口甲烷含量越少，转化反应越彻底，原料产氢率越高。但提高转化炉出口温度将增加转化炉燃料气的消耗量，反而增加了装置综合能耗，故需要控制转化炉出口甲烷含量在一个适当值，以总体降低装置的综合能耗。

2.2 转化炉燃料气

转化炉燃料气的消耗是影响制氢装置综合能耗的另一个主要因素。转化炉的燃烧热量一部分来自PSA所产的解吸气，另一部分为外补的燃料气。PSA的解吸气全部去转化炉燃烧，不足的热量通过界区外的燃料气补充，通过转化炉出口温度控制外补燃料气的用量。当采用价格较高的原料时，通过提高转化炉出口温度提高原料产氢率，以降低装置综合能耗；在使用价格较低的原料时，适当降低转化炉出口温度减小原料产氢率，同时PSA解吸气热值因残余甲烷含量增加而升高，转化炉燃料气的消耗量相应较少。

通过优化转化炉操作提高转化炉热效率，可以进一步降低燃料气的消耗。影响转化炉热效率的主要因素有排烟温度和过剩空气系数。根据炉膛负压控制较低的烟气流量，进而控制较低的排烟温度以减少烟气带走的热量，提高转化炉热效率。考虑到烟气露点腐蚀问题，应适当控制排烟温度大于烟气露点温度。转化炉过剩空气系数过大一方面致使烟气中过多的氧加剧转化炉管的表面氧化，另一方面增加了热损失降低了转化炉热效率。为了控制较小的过剩空气系数，需要认真确认关好转化炉的看火窗和点火孔，并根据转化炉负荷的变化及时调节鼓风量。

2.3 外输蒸汽

在装置的能耗构成中，外输3.5MPa中压蒸汽的产量所占综合能耗的比重仅小于原料、燃料气的消耗量，对装置综合能耗产生较大的影响，提高蒸汽外输量可以减少装置综合能耗。装置自产的中压蒸汽一部分作为配汽参与转化反应，剩余的中压蒸汽外输至全厂蒸汽管网。提高中压蒸汽外输量可以通过提高装置蒸汽自产量和减少转化配汽量来实现。在装置设计条件确定的情况下，现实操作中通过提高装置自产蒸汽量来提高蒸汽外输量并不可取，因为通过增加烟气流量来提高蒸汽产量降低了转化炉热效率，增加了燃料气消耗，反而使装置综合能耗增加。控制较小的转化水碳比可以减少装置配汽量，从而增加外输蒸汽量。

但在装置低负荷运行时，为了确保转化炉管进料分布均匀，转化配汽量必须大于一个最低值；同时，过小的水碳比将减少转化反应深度，增加了转化炉出口甲烷含量，原料产氢率降低，并且不利于转化炉管消除积炭。因此，需要综合考虑探索出一个最佳的转化配汽量，以降低装置综合能耗和保证装置安全平稳运行。

2.4 PSA产品氢气收率

PSA产品氢气收率通过影响原料产氢率从而影响装置综合能耗。PSA产品氢气收率高，则原料产氢率高，装置综合能耗降低。影响PSA产品氢气收率的主要因素有原料气组成及压力、产品氢纯度及杂质要求、解吸气压力、吸附剂的性能等。

原料气中氢气含量越高（即杂质含量越低），原料气压力越高，吸附效果越好，PSA产品氢气收率越高。产品氢气纯度越高，产品氢气中微量杂质含量越低，则需要控制的吸附时间越短，导致解吸气中氢气含量增大，PSA产品氢气收率降低。

解吸气压力越低，吸附剂再生越容易、彻底，通过控制解吸气去转化炉的阀门开度，减小解吸气的压力，同时适当增大吸附时间，可以减少解吸气中氢气含量，提高PSA产品氢气收率。吸附剂较好的性能包括高吸附容量、高选择性、足够高的机械强度和足够高的化学安定性，吸附剂性能越好，PSA产品氢气收率越高，同时吸附剂寿命越长。

3 优化装置综合能耗的措施

3.1 合理选择装置原料

当前某炼厂14万Nm3·h-1制氢装置可以选择的原料有天然气、催化干气、液化气和轻石脑油。由于催化干气中烯烃含量较大，且流量不够稳定，容易导致加氢反应器床层超温，给装置安全平稳运行带来较大隐患，故不宜作为装置的理想原料。受国际原油价格持续走低的影响，当前天然气价格高于液化气及轻石脑油的价格，但天然气的产氢率最高。3种原料单位氢气生产成本列于表2。从表中数据可以看出，液化气作为装置原料时单位氢气原料成本最低，由于氢气生产成本中原料成本占93%以上，故选择液化气作制氢原料时氢气总成本最低。

表2 3种原料生产成本比较

3.2 尽量降低转化水碳比

制氢转化反应是一种热力学平衡反应，增加反应物水蒸汽量有利于平衡向右移动，即增加氢气产量，提高原料产氢率。同时，增加转化水碳比有利于转化催化剂的消碳反应，保证装置长周期安全运行。然而，水碳比的增加将致使装置综合能耗上升，增加了氢气生产成本。为了提高原料转化率，实际配入的水蒸汽量需要大于理论化学计量值，多余的未反应的水蒸汽将在转化炉中吸收大量的热量而升温到炉出口温度，其吸收的热量占转化炉热负荷的30%～60%，虽然此部分热量将在后续流程中得到一定回收，但其能位大大降低，且同时增加了能量回收系统的能耗。因此，在保证装置安全稳定运行的前提下，应尽量减少蒸汽配入量，降低转化水碳比。

某炼厂14万Nm3·h-1制氢装置由于曾设了预转化反应器，使装置设计总水碳比降为2.95，为实际运行时降低水碳比创造了条件。表3列出了不同水碳比下的装置综合能耗数据，此时以天然气为原料，装置负荷62%，转化炉出口甲烷含量保持6.6%（干基）不变。表3的结果表明，为了确保转化炉出口甲烷含量基本不变，保持一定的原料产氢率，需要适当提高转化炉出口温度进行补偿，但由于降低了水碳比，转化炉燃料气消耗量随之降低，蒸汽外送量增大，装置综合能耗得到了降低。因此，装置生产过程中，应在保证安全平稳的基础上尽量控制较低的水碳比，以降低装置综合能耗。

表3 不同水碳比对综合能耗的影响

3.3 适当控制转化出口甲烷含量

制氢转化反应的原理是把烃类物质与水蒸汽反应转化为氢气、一氧化碳、二氧化碳，并剩下少量未转化的甲烷，故转化炉出口甲烷含量成为转化深度的重要标志，直接影响原料产氢率。为了降低转化炉出口甲烷含量，提高原料产氢率，必须增大转化水碳比或提高转化炉出口温度，但装置的动力、燃料消耗随之增加。因此，需要控制一个最优的转化炉出口甲烷含量，使装置综合能耗最低。过高的转化炉出口甲烷含量则因原料消耗量大而使综合能耗升高；相反，如果控制一个较低的转化炉出口甲烷含量，则因燃料消耗量大而使综合能耗增加。

图1给出了在一定氢气产量及保持低水碳比3.0不变的条件下，不同转化炉出口残余甲烷含量所对应的装置综合能耗。从图1中可以清楚看出，对于不同的氢气产量均存在一个最优的转化炉出口残余甲烷含量，使得装置综合能耗最低。由此可见，装置实际生产中，需要根据当前产氢量，通过调节转化炉出口温度，控制残余甲烷含量在最优点附近，以使装置综合能耗接近最低值。

图1 转化炉出口残余甲烷含量所对应的装置综合能耗

3.4 提高转化炉热效率

转化炉燃料气的消耗量占装置综合能耗的相当大部分，提高转化炉热效率可以显著降低燃料气消耗量，进而降低装置综合能耗。根据影响转化炉热效率的主要因素，可以通过降低过剩空气系数和排烟温度，达到降低装置综合能耗的目的。装置日常生产中，需要加强巡回检查，及时关闭已打开的点火孔和看火窗，防止空气漏进炉膛。同时，根据转化炉负荷的变化和烟气在线氧含量分析数据，适当调整鼓风机入转化炉流量，控制烟气中氧含量在2%～5%，并尽量控制在较低值。另外，通过调节预热空气旁路蝶阀，控制转化炉排烟温度在设计值142℃附近甚至更低，因为根据专业研究机构检测，此转化炉排烟温度大于110℃仍不会造成烟气露点腐蚀。

2014年，某炼厂14×104Nm3·h-1制氢装置转化炉各月实际热效率见表4。从表中数据可以看出，部分月份的转化炉热效率小于设计值92%，需要进一步加强操作调整，以更好地优化装置节能降耗。3.5 优化PSA操作参数

表4 2014年8～12月转化炉热效率

某炼厂14万Nm3·h-1制氢装置PSA部分引进美国UOP专利技术设备，设计氢气收率为90%。影响PSA产品氢气收率的主要因素有原料气组成及压力、产品氢纯度及杂质含量、解吸气压力和吸附剂的性能。原料气组成及压力由造气部分确定，而吸附剂一旦装入吸附塔即不再改变，能够进行优化操作的只有产品氢纯度与杂质含量以及解吸气压力。吸附时间是PSA最为关键的参数，其设定值的大小决定了PSA产品氢纯度与杂质含量，进而决定了产品氢气收率。吸附时间设定值增大，则产品氢纯度下降，杂质含量增多，氢气收率提高；相反，吸附时间设定值减小，则产品氢纯度上升，杂质含量减小，氢气收率降低。因此在调节PSA操作过程中，应根据原料气组成和流量的变化及时调整吸附时间，使产品氢气纯度刚好合格，杂质含量基本不超标，即不使产品质量过剩，从而最大限度地提高产品氢气收率，这期间也可通过化验分析解吸气中氢气含量对吸附时间进行修正。另外，生产过程中通过开大解吸气去转化炉的控制阀和手阀，尽量降低解吸气压力，以提高产品氢气收率。2014年，某炼厂14万Nm3·h-1制氢装置PSA单元，通过降低吸附时间，控制产品氢气中（CO+CO2）微量含量在3.5×10-6附近，低于设计值20×10-6，因此PSA氢气收率在89.5%左右，小于设计值90%，需要在以后的操作中进一步优化PSA操作参数，提高PSA产品氢气收率和制氢原料产氢率，以降低装置综合能耗。

3.6 其它

降低循环水量也是一个比较重要的节能手段。当前循环水量为280t·h-1左右，高于设计值177t·h-1，循环水温差1℃多，小于公司要求的6℃，可以降低循环水用量。另外，伴热水现在用量为15t·h-1，南方冬天天气并不低，对仪表影响不大，可以适当降低伴热水用量。

4 结语

综上所述，降低制氢装置综合能耗需要根据进料性质、天气影响等因素综合调节，力求装置开源节流，降本增效，达到最好水平。

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