天然气制氢工艺及设备简介

1、制氢装置工艺及设备简介,石化老李,华北石化公司,QQ：83735178,华北石化公司,16万标方/小时制氢装置是公司千万吨升级改造项目中的新建装置,一、装置概述,工艺路线：,主要单元：,原料精制、预转化、转化、高温变换、变压吸附,以天然气、干气和石脑油为原料的轻烃水蒸汽转化法,主要产品：,合格氢气,用氢单位：,渣油加氢、加氢裂化、柴油加氢、硫磺等,一、装置概述,技术路线：,造气部分引进Technip公司低能耗蒸汽转化制氢技术 吸附部分采用成都华西工业气体有限公司PSA净化工艺,技术特点：,技术先进、成熟可靠、灵活节能,转化炉的 参数特点：,三高：高转化入口温度、高转化出口温度、高碳空速 一低：

2、低水碳比 特点：代表当今较先进的制氢技术水平。,二、工艺原理,预转化气在转化炉管内通过转化催化剂的作用，与配入的水蒸汽发生蒸汽转化反应 ，生成氢气和一氧化碳，同时伴生CO2和少量的残余CH4。,核心反应,转化气中含有的一氧化碳在变换催化剂的作用下与水蒸汽发生反应，进一步生成氢气和二氧化碳。,原料气在一定的温度、压力和空速条件下，借助加氢催化剂、脱硫剂、脱氯剂作用，把原料气中硫化物、氯化物脱除，以保护后续催化剂的正常运行。,精制原料气在预转化催化剂的作用下，烃类发生一系列的热裂解、脱氢、甲烷化反应，生成甲烷和氢气。,二、工艺原理,加氢反应是制氢工艺中一个重要的反应，它是原料精制部分的起始步骤，它

3、进行的好坏将直接影响到下一步脱硫反应的进行。加氢反应的主要作用是把原料气中有机硫转变为无机硫，即硫化氢。脱硫反应是加氢生成的硫化氢与氧化锌反应，将硫进行脱除的过程。,预转化反应是原料气和水蒸汽在高活性镍催化剂上发生反应烃类转化成甲烷的过程： CmHn + mH20 mCO + (m+n/2)H2 CO + 3H2 CH4 + H20 CO + H20 CO2 + H2,CO高温变换是将转化气中的CO与水蒸气继续反应生成CO2和氢气。 CO + H20 CO2 + H2,PSA,二、工艺原理,三、工艺过程,生产工艺过程,三、工艺过程,生产工艺过程,精制后的原料气，按水碳比2.3mol/mol与工

4、艺蒸汽混合，再经转化炉对流段中原料/蒸汽预热段预热至470，进入预转化反应器。预转化反应器为一绝热反应器，在催化剂的作用下，发生一系列的热裂解、催化裂解、脱氢、加氢、积碳、氧化、变换、甲烷化反应，生成富含甲烷的气体。,三、工艺过程,三、工艺过程,出预转化反应器的气体富含甲烷，温度426，按总水碳比2.85mol/mol配入工艺蒸汽，再经转化炉对流段预热至595 ，由上集合管进入转化炉辐射段。,三、工艺过程,由转化气蒸汽发生器来的340转化气进入高温变换反应器，在催化剂的作用下发生变换反应，将变换气中CO降至3%左右。为了提高CO的变换率，增加产品氢的收率，变换部分设置两段反应器。第一段反应器出

5、口残余CO含量约为4.4%，出口温度约416。第一段反应器出口变换气经过冷却至340后，进入第二段反应器进一步发生变换反应，反应出口温度为352，残余CO含量降至3.0%左右，变换气经一系列的换热器冷却降温至40，并经分水后进入PSA部分。,PSA,三、工艺过程,变换,转化,加氢 脱硫,氢气,蒸汽,燃料气,PSA,天然气 干气 石脑油,预转化,三、工艺过程,三、工艺过程,四、关键设备介绍-转化炉,顶烧炉,底烧炉,侧烧炉,梯台炉,转化炉为制氢装置的核心设备，通过转化炉烃类 和水蒸汽发生一系列的反应，生成氢气和其它副产物。,四、关键设备介绍-转化炉,顶烧炉,以I.C.I和 Kellogg为代表,燃

6、烧器布置在辐射室顶部，转化管受热形式为单排管受双面辐射，火焰与炉管平行，垂直向下燃烧，烟气下行，从炉膛底部烟道离开辐射室。这种炉型的对流室均布置在辐射室旁边。 大型化的制氢炉大都选用顶烧炉（约占75%）。,顶烧炉简图,顶烧炉现场照片,四、关键设备介绍-转化炉,侧烧炉,以丹麦TOPSE公司为代表,燃烧器在辐射室的侧墙，火焰附墙燃烧。早期转化管的受热形式多为炉膛中间的双排管受侧墙的双面辐射，由于受热形式不好，操作条件苛刻时，炉管易弯曲，现在大部分都改为单排管受双面辐射的形式。这种炉子的烟气上行，对流室置于辐射室顶部，大型装置的对流室考虑到结构及检修等原因，对流室经常放置在辐射室旁边 。,侧烧炉简图

7、,四、关键设备介绍-转化炉,梯台炉,以美国FOSTER WHEELER （福斯特*惠勒）公司为代表,辐射室侧墙呈梯台形，燃烧器火焰沿倾斜炉墙平行燃烧，通过炉墙向转化管辐射传热。与侧烧炉类似，转化管可以为双排或单排。这种炉子的对流室全部置于辐射室顶部，烟气上行，采用自然抽风，没有引风机。,四、关键设备介绍-转化炉,底烧炉,目前多用于 小型装置,燃烧器位于辐射室底部，烟气上行。,底烧炉现场照片,1、提供的热量与介质流向相 同，适合转化反应的要求。 2、炉管受热均匀，有利于延长炉管的使用寿命。 3、燃烧器数量少，调节方便，维护量小。 4、占地面积小，对流段设置于地面上，安装和检修都较为方便，汽包安装

8、高度亦大大降低。,四、关键设备介绍-转化炉,特点,图片,四、关键设备介绍-转化炉,炉型结构比较,传热方式,炉型结构比较,工况的适应,炉型结构比较,操作情况,炉型结构比较,结构特点,炉型结构比较,热强度及壁温分布,四、关键设备介绍-压缩机,原动机带动曲轴旋转，而曲轴通过连杆与活塞杆相连，连杆将曲轴的旋转运动转换为活塞的往复运动，活塞在汽缸内对气体进行压缩工作过程演示 整个工作过程分吸气、压缩和排气三个过程 压缩机的理想工作过程是：压缩机没有余隙容积，吸、排气过程没有阻力损失，吸、排气过程中与外界没有热量交换；没有泄漏。,由于压缩机结构、制造、装配、运转等方面的需要，气缸中某些部位留有一定的空间或

9、间隙，将这部分空间或间隙称为余隙容积,往复式压缩机工作过程,四、关键设备介绍-压缩机,实体图,压缩机整体,1气缸；2活塞；3气缸；4气阀；5-填料；6活塞杆； 7十字头；8连杆；9曲轴；10机身；11滑道； 12挡油圈；13中体；14流量调节器（补助余隙容积）； 15流量调节器（压、开进气阀）；16润滑油泵；17注油器,压缩机实体图,压缩机实体图,固体催化剂颗粒堆积所形成的固定床层静止不动，气体反应物自上而下流过床层，进行反应的装置称作固定床反应器,四、关键设备介绍-反应器,催化剂展示,优点,three,two,four,one,固定床层内的气相流动接近平推流，有利于实现较高的转化率与选择性,

10、反应器的操作方便、操作弹性较大,可用较少量的催化剂和较小的反应器容积获得较大的生产能力,结构简单、催化剂机械磨损小，适合于贵金属催化剂,固定床反应器的优点,缺点,three,two,four,one,催化剂颗粒较大，有效系数较低。,无,催化剂床层的传热系数较小，容易产生局部过热。,催化剂颗粒的更换麻烦，不适于容易失活的催化剂。,固定床反应器的缺点,固定床反应器类型,反应器外壳包裹绝热保温层，使催化剂床层与外界没有热量交换。中空圆筒的底部放置搁板，上面堆放固体催化剂。气体从上而下通过催化剂床层。,四、关键设备介绍-转化炉,图片,四、关键设备介绍-反应器,结构简单，床层横截面温度均匀。单位体积内催化剂量大，即生产能力大。但只适用于热效应不大的反应。,反应器简图,如图(a)所示。这种反应器结构最简单，实际上是一个容器，催化剂均匀堆置于床内，预热到一定温度的反应物料自上而下流过床层进行反应，床层同外界无热交换。,图片,如图 (b) 所示