制氢原料及工艺方案的选择和优化
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甲醇驰放气变压吸附制氢工艺控制优化在甲醇过程中产生了一些惰性气体聚集在系统中,对于甲醇的合成过程有着不利的影响,为此就要进行驰放气。
而在甲醇驰放气中氢气的含量较高,只要通过科学、有效的变压吸附技术,就可将氢气有效的收集起来,还能起到增产、节能的功效,本文主要对甲醇驰放气变压吸附的相关概论进行详细的阐述,并对制氢工艺优化进行了深入的分析,继而确保其发挥更高的效用。
标签:甲醇驰放气;变压吸附技术;制氢工艺1 变压吸附制氢工艺原理分析在变压吸附制氢过程中,吸附剂发挥的作用至关重要,其主要有两个特性:其一是在特定的条件下,吸附剂对于不同的吸附质发出的效力也不尽相同;其二是在不同的条件下,吸附剂对吸附质的吸附容量也存在较大差异。
随着吸附质分压的不断增加,其吸附量也会随之上升;随着吸附温度的不断升高,其吸附量便会不断地减小。
所以吸附剂的其中一个特性就是能够将氢气中的大颗粒杂质预先吸附出来,这样就能够确保氢气提取的纯度;吸附剂的第二个特性是在低温、高压条件下大量吸附杂质,在高温、低压条件下,就可进行吸附质解析、吸附剂再生的实现,如此反反复复就可达到氢气的提纯。
2 甲醇驰放气变压吸附工艺流程将原料气混合后置于3.2-3.5MPa及零下40℃的条件下,通过气液分离器将液态物质清除掉送入PSA系统进行氢气的提纯。
在甲醇驰放气制氢工艺中,每台吸附装置需要经过吸附过程、多挤压力降低过程、顺放过程、逆放过程、冲洗过程、多挤压力上升过程、升压过程等环节。
在逆放环节中将吸附装置中残留的杂质排出,然后通过冲洗环节将剩余杂质完全解吸掉。
在逆放环节前期压力较大时,气体进入缓冲罐,在不经过逆放或冲洗气较小的时候输送到混合罐,确保混合罐中进气始终保持均匀性,继而确保混合罐压力的稳定性;在逆放环节的末期,压力较低部位的气体及冲洗环节的气体均送入到解吸气混合罐中。
解吸气通过对应的缓冲罐、混合罐压力稳定后输送到甲醇装置中炉燃料气管网。
最后通过将原料气中的氢气提纯,并与氮气进行有效的混合后,通过干燥处理便能够得到氨原料气。
天然气制氢装置技术方案引言:随着环境保护意识的增强和清洁能源的发展,氢能作为清洁能源的代表受到越来越多的关注。
天然气作为一种丰富的能源资源,具有广泛的应用前景。
因此,研发天然气制氢装置成为了当前的热点问题。
本文将介绍一种基于天然气的制氢装置技术方案。
一、装置原理:该装置采用蒸汽重整和选择性氧化两个工艺步骤进行天然气制氢。
首先,天然气通过加热后进入蒸汽重整反应器,与水蒸汽发生反应生成一氧化碳和氢气。
然后,气体进入选择性氧化反应器,在催化剂的作用下,一氧化碳与水发生反应生成二氧化碳和更多的氢气。
最后,通过净化系统对氢气进行脱硫、除尘等处理,得到优质的高纯氢气。
二、装置构成:该装置主要由以下几个部分组成:1.气体预处理系统:对天然气进行预处理,包括去除杂质、调整流量和控制压力等。
预处理系统主要包括压缩机、过滤器和调节阀等设备。
2.蒸汽重整系统:将预处理后的天然气与水蒸汽在高温下进行反应,产生一氧化碳和氢气。
蒸汽重整系统主要包括反应器、加热炉和换热器等设备。
3.选择性氧化系统:将蒸汽重整产生的气体进一步反应,生成更多的氢气。
选择性氧化系统主要包括反应器、催化剂和气体分离器等设备。
4.氢气净化系统:对产生的氢气进行脱硫、除尘等处理,得到高纯度氢气。
氢气净化系统主要包括吸附器、过滤器和脱硫器等设备。
5.控制系统:用于对装置各个部分进行监测和控制,确保装置的正常运行。
控制系统主要包括仪表、传感器和自动化控制设备等。
三、技术优势:1.高效节能:该装置采用蒸汽重整和选择性氧化工艺,能够充分利用天然气的能量,提高氢气的产量,并降低能源消耗。
2.环保低碳:该装置产生的氢气不含有害气体,符合环保要求。
而且,天然气作为装置的原料,与其他传统能源相比,具有低碳排放的特点。
3.储运方便:氢气作为清洁能源,具有广泛的应用前景。
采用天然气作为制氢原料,便于储存和运输,能够满足不同行业和领域的需求。
4.经济可行:天然气作为一种丰富的能源资源,价格相对低廉。
目录第一章工艺装置方案 (4)第一节延迟焦化装置 (4)一、装置组成及规模 (4)二、原料及产品方案 (4)三、技术方案选择 (4)四、主要操作条件 (20)五、工艺流程简述 (22)六、自控水平 (26)七、主要设备选择 (30)八、指标及能耗 (37)九、面布置 (40)第二节加氢精制装置 (41)一、概述 (41)二、工艺技术方案 (41)三、要操作条件 (45)四、艺流程简述 (46)五、控水平 (47)六、要设备选择 (52)七、节能原则和措施 (54)八、置平面布置 (55)第三节制氢装置 (56)一、概述 (56)二、原料及产品 (57)三、工艺技术方案 (58)四、主要工艺过程操作条件 (62)五、工艺流程简述 (64)六、自控水平 (66)七、主要设备选择 (72)八、节能措施 (78)九、平面布置 (78)第二章投资估算 (79)第一章工艺装置方案第一节延迟焦化装置一、装置组成及规模本装置主要包括焦化、吸收稳定、吹汽放空、水力除焦、切焦水和冷焦水循环、干气及液化石油气脱硫和液化石油气脱硫醇部分。
装置工程规模100万吨/年,年开工时间按8000小时计。
二、原料及产品方案1、原料来源本装置原料为****石化厂的减压渣油。
2、产品方案主要产品有:干气﹑液化石油气、焦化塔顶油、焦化一线油﹑焦化二线油﹑焦化甩油和石油焦。
三、技术方案选择(一)国内外焦化技术发展趋势1.国外技术进展情况国外延迟焦化技术以美国为代表,比较成熟的有凯洛格(Kellogg)公司、鲁姆斯(ABB Lummus Grest)公司、大陆(Conoco)石油公司和福斯特·惠勒(Foster Wheeler)公司的技术,从近几年设计的延迟焦化装置的套数、液体产品收率和公用工程消耗等方面来看,福斯特·惠勒公司的技术占有一定的优势。
近几年来,国外延迟焦化技术的发展具有如下趋势:(1)焦炭塔反应压力80年代以前,生产普通焦的焦炭塔的设计压力为0.17~0.21MPa(G),目前,焦炭塔的设计压力普遍降低。
高效经济制氢技术开发应用及设备制造方案
一、实施背景 随着全球能源需求的不断增长和对环境保护的日益关注,寻找可再生能源替代传统化石能源已成为全球能源产业的重要方向。氢能作为一种清洁、高效的能源形式,具有广阔的应用前景。然而,目前制氢技术存在着能源消耗大、生产成本高等问题,亟需高效经济的制氢技术开发应用及设备制造方案。 二、工作原理 高效经济的制氢技术开发应用及设备制造方案基于电解水制氢技术,通过电解水将水分解成氢气和氧气。具体工作原理如下: 1. 选择适宜的电解质:采用高效电解质,如碱性离子交换膜(AEM),能够提高电解效率,降低能源消耗。
2. 优化电解电压:通过改进电解电极材料和结构设计,降低电解电压,提高电解效率。 3. 提高电解效率:通过优化电解反应条件,如温度、压力、电流密度等,提高电解效率,降低能源消耗。 三、实施计划步骤 1. 技术开发阶段: a. 研发高效电解质:通过合成新型离子交换膜,提高电解效率。
b. 优化电解电极材料和结构设计:通过选择高活性、稳定的电解电极材料,并优化电极结构,降低电解电压。
c. 优化电解反应条件:通过实验研究,确定最佳的温度、压力、电流密度等条件,提高电解效率。
2. 设备制造阶段: a. 设计制氢设备:根据高效经济的制氢技术要求,设计制氢设备的结构和工艺流程。
b. 选择优质材料:选择耐腐蚀、高温、高压的材料,确保设备的安全稳定运行。
c. 制造设备:按照设计要求,制造高效经济的制氢设备。 四、适用范围 高效经济的制氢技术开发应用及设备制造方案适用于各类制氢需求场景,包括工业制氢、能源储备、交通运输等领域。 五、创新要点 1. 采用高效电解质:通过研发新型离子交换膜,提高电解效率。 2. 优化电解电极材料和结构设计:选择高活性、稳定的电解电极材料,并优化电极结构,降低电解电压。
3. 优化电解反应条件:通过实验研究,确定最佳的温度、压力、电流密度等条件,提高电解效率。 六、预期效果 1. 提高制氢效率:通过高效经济的制氢技术开发应用及设备制造方案,能够提高制氢效率,降低能源消耗。
制氢项目实施方案一、项目背景。
随着全球能源需求的不断增长和环境问题的日益严重,清洁能源已经成为全球发展的重要方向。
在这种背景下,制氢项目成为了备受关注的领域,因为氢能源具有高效、清洁、可再生等优势。
因此,我们决定制定制氢项目实施方案,以推动清洁能源的发展,为环境保护贡献力量。
二、项目目标。
1.建设一套高效、稳定的制氢设备,实现大规模氢能源生产。
2.建立健全的制氢生产流程,保证氢气的质量和稳定供应。
3.推动氢能源的应用和推广,打造氢能产业链。
三、项目实施方案。
1.技术研发阶段。
在项目启动初期,我们将组建专业团队,进行制氢技术的研发工作。
通过实验室试验和模拟计算,不断优化制氢工艺,提高氢气产率和纯度。
2.设备采购与建设阶段。
在技术研发取得初步成果后,我们将进行制氢设备的采购和建设工作。
选取国内外知名制氢设备供应商,确保设备的质量和性能。
同时,我们将选择合适的场地,进行制氢设备的安装和调试工作。
3.生产运营阶段。
一旦制氢设备建设完成,我们将进行生产运营的工作。
建立起完善的制氢生产流程和质量控制体系,确保氢气的质量和稳定供应。
同时,我们将寻找合作伙伴,推动氢能源的应用和推广,打造氢能产业链。
四、项目预期效益。
1.环境效益,通过推广氢能源的应用,减少对传统能源的依赖,降低温室气体排放,改善环境质量。
2.经济效益,制氢项目的实施将为当地带来新的经济增长点,促进当地经济的发展。
3.社会效益,制氢项目的实施将为当地提供就业机会,促进当地社会的稳定和和谐发展。
五、项目风险及对策。
1.技术风险,制氢技术的研发和设备的建设可能会面临技术难题,我们将加强技术研发团队的建设,提高技术攻关能力。
2.市场风险,氢能源市场的不确定性较大,我们将加强市场调研,提前做好市场预判和风险应对。
3.政策风险,政策环境的变化可能对项目实施造成影响,我们将密切关注政策动态,及时调整项目实施方案。
六、总结。
制氢项目实施方案的制定,是为了推动清洁能源的发展,为环境保护贡献力量。
天然气制氢技术及经济性分析随着全球对清洁能源的需求日益增长,氢能作为一种无污染、高效的能源形式,正逐渐受到广泛。
天然气制氢技术作为一种重要的制氢途径,在能源转型和新能源发展过程中具有重要意义。
本文将对天然气制氢技术及其经济性进行分析和探讨。
天然气制氢技术主要是通过化学反应将天然气转化为氢气。
最基本的反应过程包括天然气和水蒸气的催化转化、蒸汽重整和部分氧化等。
这些反应过程均需要催化剂的参与,常用的催化剂包括镍、铂和钯等贵金属催化剂以及一些贱金属催化剂。
在天然气制氢技术中,蒸汽重整是最常用的方法,其反应温度一般在700-1000℃之间,反应压力为1-5bar。
该方法的优点是工艺成熟、产氢量大,但也存在耗能较大、催化剂易中毒等问题。
部分氧化法相对于蒸汽重整法具有较低的能耗和较高的氢气选择性,但反应条件较为苛刻,需要高温高压条件,对设备要求较高。
对于天然气制氢技术的经济性分析,主要考虑原料成本、设备投资、运行成本、氢气售价等因素。
在原料成本方面,天然气价格相对稳定,但在设备投资和运行成本方面,蒸汽重整法由于工艺成熟、设备简单,具有较大优势。
不同地区、不同企业的氢气售价也存在差异,需结合实际情况进行考虑。
在对比不同天然气制氢技术的优缺点时,可以根据具体情况选择最合适的方法。
例如,对于产氢量大、对氢气纯度要求不高的场景,可选用蒸汽重整法;对于耗能低、规模较小的场景,可选用部分氧化法。
同时,对于不同地区和企业,也可以根据自身特点和市场需求进行选择。
经济因素对天然气制氢技术选择的影响主要体现在以下几个方面:原料成本:天然气是制氢的主要原料,其价格波动会对制氢成本产生直接影响。
在选择制氢技术时,需要考虑不同地区的天然气价格差异,以便选择具有竞争力的制氢方案。
设备投资和运行成本:不同制氢技术的设备投资和运行成本存在较大差异。
对于大型制氢项目,需要充分考虑设备投资规模和运行维护成本;对于小型项目,则需要考虑设备机动性和适应性。
煤制氢工艺技术分析1.氢气16世纪,瑞士科学家帕拉塞斯和17世纪的一些科学家,都发现了金属跟酸起反应产生一种可燃性气体----氢气。
当时人们还不认识它,只把它当作一种可燃性的空气。
直到1766年英国科学家卡文迪许才确认氢气与空气不同,并测定氢气的密度是空气密度的1/14.38。
他在1781年又进一步指出,氢气在空气中燃烧生成水。
1783年拉瓦锡重做了实验,证明水是氢燃烧后的唯一产物。
1787年拉瓦锡给它命名为"hydrogen",意思是“成水元素,并确认它是一种元素。
早年间人们称之为”轻气“,后定名为氢(日本现仍称之为水素)。
氢气是无色并且密度比空气小的气体(在各种气体中,氢气的密度最小。
标准状况下,1升氢气的质量是0.0899克,相同体积比空气轻得多)。
因为氢气难溶于水,所以可以用排水集气法收集氢气。
另外,在101千帕压强下,温度-252.87℃时,氢气可转变成无色的液体;-259.1℃时,变成雪状固体。
常温下,氢气的性质很稳定,不容易跟其它物质发生化学反应。
但当条件改变时(如点燃、加热、使用催化剂等),情况就不同了。
如氢气被钯或铂等金属吸附后具有较强的活性(特别是被钯吸附)。
金属钯对氢气的吸附作用最强。
当空气中的体积分数为4%-75%时,遇到火源,可引起爆炸。
2.氢气的用途氢是公认的最洁净的燃料,也是重要的化工合成原料。
但它不是一次能源,它是要从一次能源通过转换生产出来的能量载体。
它又是一种气体燃料,在输送分配方面相对地存在着一定困难。
中国又是一个以煤为主要一次能源的国家,所以,就要应用“环境、能效、经济”的生命周期研究方法,结合国情和地区的实际,用系统工程的眼光来全面地评估中国氢的生产和应用;要结合地区的实际,选择先进的技术,合理的方法来生产和应用氢,以获得最大的经济和环境效益。
3.工业制氢的方法氢气作为重要的工业原料和还原剂,在国民经济各领域被广泛地使用。
工业制氢的方法主要有以下几种方法。
液氨制氢工艺流程及应急处置措施下载提示:该文档是本店铺精心编制而成的,希望大家下载后,能够帮助大家解决实际问题。
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1. 原料准备。
在液氨制氢的工艺过程中,原料主要包括氨气和催化剂。
58在聚丙烯生产中,氢气是丙烯聚合反应的终止剂和相对分子质量调节剂,在调节聚丙烯的分子链大小,控制聚合物的相对分子质量,调节产品熔体流动速率方面发挥着重要作用。
中化泉州石化有限公司200 kt/a聚丙烯装置采用Unipol气相法工艺,于2014年建成投产,主要生产拉丝料、双向拉伸聚丙烯薄膜等产品。
聚丙烯装置使用的氢气主要来自炼油厂制氢装置生产的氢气和重整装置副产氢气,这两种氢气经过变压吸附(PSA)装置精制后送到厂区管网供用户使用。
经过PSA装置精制后,氢气中(CO+CO 2)含量小于或等于20 μg/g,无法满足Unipol工艺要求。
氢气中含有的水、二氧化碳会导致丙烯聚合催化剂中毒,降低催化剂活性,使聚合釜内形成黏壁料,甚至不发生集合反应,最终影响产品质量。
因此,氢气在进入聚合反应器之前必须进行精制以脱除杂质。
1 氢气的质量指标200 kt/a聚丙烯装置所需氢气来自炼油厂制氢装置生产的氢气和重整装置副产氢气。
制氢装置以重整气、PSA尾气、饱和干气、拔头油为原料,采用轻烃水蒸气转化法造气、PSA法提纯氢气。
产品氢气质量指标如下:氢气纯度为99.9%(体积分数,以下同),(CO+CO 2)含量小于20 μg/g,甲烷体积分数为0.1%,CO最高含量小于5 μg/g,CO 2最高含量小于5 μg/g。
Unipol工艺要求氢气纯度为99.9%,水含量为1 μg/g(最高含量为2 μg/g),氧含量小于0.5 μg/g(最高含量为2μg/g),(CO+CO 2)含量小于0.2 μg/g(最高含量为1μg/g)。
由于氢气中CO和CO 2含量无法满足Unipol工艺要求,因此需要在聚丙烯装置内部设置氢气精制系统。
2 氢气精制技术方案及技术经济性对比2.1 氢气甲烷化氢气甲烷化就是利用催化剂使CO和CO 2加氢转化为甲烷的方法,该方法可以将碳氧化物含量降低到10μg/g以下。
目前国内采用Unipol工艺的聚丙烯装置基本使用这种方法精制氢气。
第 1 页 共 15 页 先进的蒸汽转化制氢工艺 1 前言 现在,许多国家对氢气的需求量日益增长。尤其是炼油厂为了生产更环保的汽柴油产品,必须提高氢气规模以降低硫等杂质的含量。在炼油厂,制氢装置已经被视为公用工程,要求操作可靠、灵活,装置投资要低。操作费用是制氢装置一个非常重要的参数。 从图1可以看出,氢气的用途十分广泛。对于最小规模(在100Nm3/h以下),氢气可以采用电解法制取或者在市场上买瓶装的氢气。氨/甲醇分解转化制氢适用用规模小、需求时而连续、时而间断的场合,一般用于食品、电子和医药等行业。 对于较大规模(500Nm3/h以上),制氢主要采用以烃为原料,水蒸汽转化或者高温氧化转化工艺。工艺路线包括原料烃蒸汽转化、变换反应和产品氢净化等几个步骤。 炼油行业是用氢大户,约占50%,规模大多在5000Nm3/h以上,而且对氢气的需求仍在继续增长。其次是钢铁行业和基础化工产品行业,例如:氨和甲醇。 根据所需用氢量,炼油厂有小的制氢装置,也有处理量大到120000Nm3/h的装置,主要为炼油厂的加氢裂化、加氢脱硫和脱芳构化装置提供了氢源。 蒸汽转化工艺路线的选择取决于装置规模、原料和产品氢气规格。
2 蒸汽转化工艺 Topsφe公司50多年来一直致力于蒸汽转化工艺和催化剂的研究开发,并取得了明显的成就,开发出一系列制氢流程。用户可根据不同工况,选择最佳工艺方案。在制氢工艺中,蒸汽转化已经占据了主导地位。表1列出Topsφe公司的蒸汽转化工艺。 绝热预转化工艺可将原料中重烃转化为甲烷和一氧化碳,确保下游设备,如:管式转化炉、对流式转化炉或者自热式转化(取决工艺方案),能在苛刻条件的操作。 Topsφe管式转化炉设计是基于侧烧模式,这种炉型通过对炉管温度精确控制,确保高合金管材的最优使用,延长炉管的使用寿命。侧烧式蒸汽转化炉实现其它炉型不能达到的操作条件。 在有氧气来源的场所,自热式转化工艺是有效的选择。原料和氧气以及水蒸汽在装有专用转化催化剂的反应器中反应,进入自热式反应器的原料可以是烃,也可以是经过预转化的
甲醇裂解制氢气装置技术方案项目名称:***Nm3/h甲醇裂解制氢装置技术方案及设备配置第一部分技术方案一、技术指标及运行要求1.1 氢气技术指标:1.2 主要原料要求甲醇质量应符合国标GB338-2011一等品要求,外观为无色透明液体,无特殊异臭气味,无可见杂质,具体质量指标见下表。
脱盐水指标满足下表二、工艺方案1、装置组成本装置主要由甲醇蒸汽转化工序、变压吸附提氢工序(PSA-H2)、导热油装置供热工序三部分组成。
2、工艺原理2.1 造气将甲醇与水按一定比例混合、加热汽化并过热,达到一定的温度和压力,在这种条件下混合过热气通过催化剂作用,同时发生催化裂解反应以及一氧化碳变换反应,最终生成氢、二氧化碳及残存的少量一氧化碳等的混合气体。
甲醇加水裂解反应是一个多组份,多反应的气固催化复杂反应系统。
主要反应为:CH3OH ⇔CO + 2H2– 90.7kJ/molCO + H2O ⇔CO2+ H2+ 41.2kJ/mol总反应为:CH3OH + H2O ⇔CO2+ 3H2– 49.5kJ/mol综合来看,整个过程为一个吸热过程。
反应需要的热量通过导热油的循环来提供。
为节约热能,反应后的气体要与原料液换热、冷却、并在净化塔内洗涤,冷凝和洗涤后产生的混合液在净化塔分离(分离出来的液体成分主要是水和甲醇,被送回到原料液罐循环使用),得到组分合格的转化气,满足造气要求。
2.2氢气提纯氢气提纯采用五塔吸附变压吸附技术。
变压吸附(PSA)技术是以特定的吸附剂(多孔固体物质)内部表面对气体分子的物理吸附为基础,利用吸附剂在相同压力下易吸附高沸点组分、不易吸附低沸点组分和高压下吸附量增加、低压下吸附量减少的特性,将原料气在一定压力下通过吸附床,相对于氢的高沸点杂质组分被选择性吸附,低沸点的氢气不易被吸附而穿过吸附床,达到氢和杂质组分的分离。
吸附完成后,吸附剂在减压下解吸被吸附的杂质组分,使吸附剂获得再生,以能再次进行吸附分离杂质。
焦炉煤气生产LNG余气制氢工艺流程随着化工工业的发展,氢气已经成为一种重要的能源和化工原料。
而焦炉煤气生产LNG(液化天然气)过程中产生的余气,可以通过合理的工艺流程转化为高纯度的氢气,具有重要的经济和环保意义。
本文将介绍焦炉煤气生产LNG余气制氢的工艺流程及其原理。
一、焦炉煤气生产LNG的余气组成及特点1. 余气组成焦炉煤气生产LNG的余气主要包括CO、CO2、CH4、H2和其他杂质气体,其中CO和CO2含量较高,CH4和H2含量较低,同时还含有少量的硫化氢、氨等有害气体。
2. 特点焦炉煤气生产LNG的余气具有高热值、低温、高烟气含量等特点,同时由于含有大量的CO和CO2,因此需要经过一系列的处理和转化才能得到高纯度的氢气。
二、焦炉煤气生产LNG余气制氢工艺流程1. 粗气处理首先对焦炉煤气生产LNG的余气进行粗气处理,包括除酸、除水、除尘等工艺,以保证后续制氢过程的稳定进行。
2. 变换反应经过粗气处理后的余气进入变换反应器,利用变换催化剂将CO和水蒸气转化为CO2和H2,即进行水煤气变换反应。
3. 吸附分离通过吸附剂对变换反应产物进行分离,得到高纯度的H2气体,并且可以实现CO2的再循环利用,提高氢气的产率。
4. 催化裂解可根据实际情况考虑采用催化裂解技术进一步提高H2产率。
5. 精气制备通过精气制备装置将得到的高纯度H2气体进行精制和纯化,以满足不同工艺和产品的要求。
这是焦炉煤气生产LNG余气制氢的工艺流程及原理,通过合理的工艺设计和操作控制,可以实现对焦炉煤气生产LNG余气的高效利用,提高生产效率,降低能源消耗,并且减少环境污染,具有重要的经济和社会价值。
需要指出的是,考虑到生产中的实际情况和技术水平,实际操作中可能会有所不同,需要根据具体情况进行调整和优化。
希望能够对相关工程技术人员和决策者提供一定的参考和借鉴价值。
随着焦炉煤气生产LNG余气制氢技术的不断完善和发展,其在工业生产中的应用也越来越广泛。
制氢装置原料及工艺方案的选择和优化
上海华西化工科技有限公司纪志愿
随着合成氨、甲醇等合成气工业的飞速发展,国内轻油蒸汽转化制氢技术有了长足的进步。
在半个多世纪的工业实践中,ICI、凯洛格、赫尔蒂、KTI、托普索等公司在转化炉型、催化剂性能、能量回收、净化方法等方面均有重大改进,使轻油蒸汽转化技术日臻成熟,可靠性、灵活性有了很大提高。
目前由于越来越严格的环境保护要求,各种发动机燃料的质量越来越高,炼油厂中氢气的需要不断增加,极大地剌激了制氢工艺的迅猛发展。
以KTI、托普索为代表的轻烃蒸汽转化制氢技术公司,在充分吸收、借鉴现代合成气生产经验的同时,利用其制氢的优化设计软件,力求开发出适合当代要求的轻烃制氢技术。
最新的进展包括:1、低水碳比、高转化温度,以降低原料和燃料消耗;2、预转化工艺和后转化工艺(一种列管式的转化反应器)与常规转化炉的优化组合应用,以降低转化炉的燃料消耗;3、应用现代节能技术,优化余热回收方案,以进一步降低装置能耗。
国内轻烃蒸汽转化制氢技术自六十年代第一套2×104Nm3/h油田气制氢装置一次投产成功以来,取得了可喜的进展。
三十年来的工业实践表明,国内自行设计施工的制氢装置工艺可靠,开车方便,原料、燃料单耗和主要性能能量指标均已达到国际先进水平。
目前石油化工等行业大于1000m3n/h的制氢装置均采用轻烃蒸汽转化制氢技术。
一、制氢技术的多样化
目前,氢气生产装置通常采用以下四种技术方案:方案一,以轻烃类(包括天然气、轻石脑油、催化和焦化干气等)为原料,采用水蒸汽转化法生产氢气;方案二,以甲醇、液氨为原料,采用甲醇或氨分解生产氢气;方案三,以水为原料,电解水生产氢气;方案四,以煤为原料,采用煤气化法生产氢气。
随着国际能源价格的上涨,以轻石脑油等轻烃为原料生产的氢气及富氢产品价格也将不断上涨,因此目前多用于有低价原料资源(如廉价天然气和催化及焦化干气)的地区。
甲醇或氨裂解制氢虽然工艺装置简单,但由于甲醇和液氨本身就是以煤或天然气为原料经过制氢后再生产的产品,因此再将其裂解用于制氢,显然成本过高,因此只适合于特别小规模的装置,通常小于500Nm3/h。
电解水法制氢技术,由于耗电高导致氢成本过高,因此也只适合于特别小规模的装置,通常小于200Nm3/h。
由于中国是煤炭生产大国,煤炭价格较低,原料丰富,因此煤制氢的成本在几种工艺中属于较低的一种,但由于煤制氢工艺流程较长,操作环境略差,污染相对较大,因此通常适合于无其他廉价原料的中、大规模制氢装置(大于2000Nm3/h)。
以下是几种制氢工艺技术的技术经济性比较见表1
二、轻烃蒸汽转化制氢技术方案选择
轻烃蒸汽转化制氢装置根据配套的净化工艺不同,主要可分为两种流程,即化学净化法(常规净化法)和变压吸附净化法(PSA净化法)。
国内早期建设的制氢装置均采用化学净化法。
近年来,由于PSA的氢回收率进一步提高,特别是PSA实现国产化以后,投资进一步降低,因此,新建PSA净化法制氢装置明显增多。
两种流程在国内均已有成功的操作经验。
两种净化流程的工艺特点见表2。
从表中可以看出,化学净化法流程具有原料消耗低、工程投资低的优点,但工艺流程复杂、能耗较高、生产的工业氢纯度低;PSA净化流程,尽管其原料消耗高、投资稍高,但其能耗低、工艺流程简单、开停工方便、工业氢纯度高、供氢压力高。
尤其是由于近期PSA技术的进步(多床多次均压,吸附剂性能的改进等),使氢气的回收率高达90~92%,加之近几年PSA技术的国产化,极大地降低了PSA的投资,从而有效地降低了该工艺的氢气生产成本,使该技术在新建制氢装置中占主导地位。
两种净化方法的选择主要取决于原料和燃料价格及技术经济比较结果。
即流程选择依据主要取决于原料和燃料的差价。
差价越大、采用化学净化法工艺技术越经济。
差价越小,采用PSA净化工艺技术越经济。
三、制氢装置原料的多样化
由于制氢装置中的各种催化剂对原料的族组成、馏程以及杂质含量均有特殊要求,而且制氢装置的原料在氢气成本中所占的比重较高,约达65~85%。
因此,在选择制氢原料时,应充分考虑各种因素,优先选用H/C比大的含硫低的饱和烃类原料,或者几种H/C比大的原料混合进料,以减少原料耗量,降低氢气成本。
适合于作制氢装置的原料可分为气态烃和液态烃二类。
气态烃主要有:天然气、沼气、加氢干气、重整干气、焦化干气、催化干气以及芳构化干气等。
液态烃主要有:直馏石脑油、加氢的轻石脑油、重整装置生产的抽余油、拔头油以及加氢装置生产的饱和液化石油气等。
在上述原料中,除天然气、沼气外,其它原料均为石油化工厂生产或副产的产品。
焦化干气由于氢气含量较高,而且烯烃含量较低,因此,焦化干气是一种非常好的制氢原料。
而催化干气尽管氢气含量较高,但由于氮气含量较高,在系统跑“龙套”,造成燃料和公用工程消耗增加;烯烃含量较高,则必须增加烯烃饱和设施,造成装置投资增加。
因此,催化干气与焦化干气相比,装置投资和消耗均较高,一般不宜作为制氢装置的原料,而应首先作为全厂的燃料使用。
除非在全厂没有焦化干气的情况下,才考虑使用催化干气。
在采用干气水蒸汽转化工艺制氢时,一般原料选择顺序为:首选加氢干气、焦化干气、催化干气以及其它轻烃类。
四、含烯烃原料的烯烃饱和技术
目前,制氢装置使用的含烯烃原料主要是焦化干气和催化干气。
焦化干气或催化干气作为制氢原料需要解决的主要问题是烯烃饱和问题。
由于烯烃的加氢反应是一个强放热反应,从催化剂的耐热性能来说,加氢过程的操作温度就有一定的限制。
因此要使烯烃加氢转化反应顺利进行,就必须合理选择烯烃加氢工艺以及与此相配套的低温性能良好的加氢催化剂,以维持加氢反应的正常进行。
目前国内普遍采用的烯烃加氢工艺主要有以下几种:
1、绝热加氢工艺
2
系。
3
加氢工艺相比,该工艺具有投资低、能耗低、原料适应性强、操作弹性大等优点。
在石化行业推广,将具有极大的工业应用价值。
目前,该工艺已在齐鲁第一化肥厂、武汉石化总厂、清江石化总厂推广应用。
4、变温烯烃加氢工艺
变温加氢工艺由一台列管式加氢反应器和一台氧化锌脱硫反应器组成,取消了等温绝热加氢工艺中的绝热反应器。
列管式加氢反应器管程和壳程温度均是变化的,谓之变温。
该反应器的壳程取热介质可以采用市售的导热油或加氢精制装置的柴油。
壳程入口温度为220~230℃,出口温度根据导热油的不同可以控制在310~350℃;管程入口温度为220~230℃,出口温度控制在340~380℃,满足氧化锌的脱硫温度要求。
催化剂可以采用西北院开发的JT-4和JT-1G组合加氢精制催化剂。
反应气体温度通过调节导热油的
流量来控制。
高温导热油的循环冷却根据处理的原料气的规模可以分别采用水冷、空冷、发生蒸汽以及与其它冷流介质换热的方式(见图4,图5)。
从图中可以看出,来自原料预热炉
五、蒸汽转化工艺条件的选择
轻烃蒸汽转化反应操作条件的选择是影响制氢装置经济性的重要因素
1、转化温度
蒸汽转化反应过程是受热力学限制的,为满足高温转化反应的工艺要求,提高转化反应的转化率,降低转化气中的甲烷含量,应维持较高的转化气出口温度,以降低原料消耗。
近年来随着能源价格的上扬和各种性能优良的新型耐高温炉管的出现,转化反应的操作温度也呈上升趋势。
对于采用价格较高的轻石脑油作原料时,应尽可能提高转化气出口温度,以降低原料消耗;但对于原料价格较低,或原料和燃料相同的制氢装置,采用较高的转化温度,虽然原料消耗降低了,但PSA解析气的热值降低,外补燃料增加,经济性不明显,而装置投资却有所增加。
而且过高的反应压力和温度又给转化炉的机械设计造成很大困难,且投资增加,影响全装置的经济性。
因此,转化温度的选择应综合考虑到原料和燃料的性质和价格进行选择。
根据目前国内转化炉炉管的生产水平,转化炉的出口温度按820-865℃考虑。
2、水碳比
从化学平衡角度上来看,提高水碳比有利于转化反应,提高原料转化率,有利于抑制催化剂积碳。
但由于大量的富裕水蒸汽“跑龙套”,因此,提高了装置的能耗和氢气成本;水碳比的降低将使转化炉的热负荷降低,燃料耗量降低,外输蒸汽增加,有利于降低氢气成本和装置能耗。
但转化的水碳比也不能过低,过低的水碳比造成催化剂的积碳倾向加大。
根据装置转化温度的选择,水碳比选择3.0-3.5(mol/mol)。
3、转化压力
目前,国内外制氢装置采用PSA净化工艺流程时,装置供氢压力一般较高,为2.4Mpa(G)左右。
该压力的选择,主要是考虑PSA部分能在一个最高的氢气回收率下操作,有利于降低原料的消耗。
另外制氢装置供氢压力提高后,可以大幅度的降低用氢装置的压缩机功耗。
4、转化入口温度
转化炉入口温度的选择主要取决于装置采用的原料。
装置采用的原料为天然气时,而该天然气的主要成分为甲烷,在高温下不存在甲烷裂解积碳的问题。
因此,应尽可能的提高转化炉的入口温度。
其优点如下:1)降低了转化炉的热负荷,降低了转化炉的燃料消耗。
2)充分利用转化炉对流段的烟气余热。
当采用炼油厂的各种干气和轻石脑油时,为了避免催化剂积炭,转化炉的入口控制在530℃以下。