天然气制氢装置工艺技术规范

天然气制氢装置工艺技术规程

1.1装置概况规模及任务

本制氢装置由脱硫造气工序、变换工序、PSA制氢工序组成

1.2工艺路线及产品规格

该制氢装置已天然气为原料，采纳干法脱硫、3.8MPa压力下的蒸汽转化，一氧化碳中温变换， PSA工艺制得产品氢气。

1.3消耗定额（1000Nm3氢气作为单位产品）

2.1工艺过程原料及工艺流程

2.1.1工艺原理

1.天然气脱硫

本装置采纳干法脱硫来处理该原料气中的硫份。为了脱除有机硫，采纳铁锰系转化汲取型脱硫催化剂，并在原料气中加入约1-5%的氢，在约400℃高温下发生下述反应：

RSH+H2=H2S+RH

H2S+MnO=MnS+H2O

经铁锰系脱硫剂初步转化汲取后，剩余的硫化氢，再在采纳的氧化锌催化剂作用下发生下述脱硫反应而被汲取：

H2S+ZnO=ZnO+H2O

C2H5SH+ZnS+C2H5+H2O

氧化锌吸硫速度极快，因而脱硫沿气体流淌方向逐层进行，最终硫被脱除至0.1ppm以下，以满足蒸汽转化催化剂对硫的要求。

2.蒸汽转化和变换原理

原料天然气和蒸汽在转化炉管中的高温催化剂上发生烃—蒸汽转化反应，要紧反应如下：

CH4+H2O= CO+3H2-Q (1)

一氧化碳产氢 CO+H2O=CO2+H2+Q (2)

前一反应需大量吸热，高温有利于反应进行；后一反应是微放热反应，高温不利于反应进行。因此在转化炉中反应是不完全的。

在发生上述反应的同时还伴有一系列复杂的付反应。包括烃类的热裂解，催化裂解，水合，蒸汽裂解，脱氢，加氢，积碳，氧化等。

在转化反应中，要使转换率高，残余甲烷少，氢纯度高，反应温度要高，但要考虑设备承受能力和能耗，因此炉温不宜太高。为缓和

积碳，增加收率，要操纵较大的水碳比。

3.变化反应的反应方程式如下：

CO+H2O=CO2+H2+Q

这是一个可逆的放热反应，降低温度和增加过量的水蒸气，均有利于变换反应向右侧进行，变换反应假如不借助于催化剂，其速度是特不慢的，催化剂能大大加速其反应速度。使最终CO浓度降到低的程度，且为生产过程中的废热利用制造了良好的条件

4.变压吸附原理

变压吸附简称PSA，是对气体混合物进行提纯的工艺过程。该工艺是以多孔性固体物质（吸附剂）内部表面对气体分子的物理吸附为基础，在两种压力状态直接工作的可逆的物理吸附过程。它是依照混合气体中杂质组分在高压下具有较大的吸附能力，在低压下又有较小的吸附能力，而理想组分H2不管在高压下依旧在低压下都具有较小的吸附能力的原理。在高压下，增加杂质分压以便将其尽量多的吸附于吸附剂上，从而达到高的产品纯度；吸附剂的解析或再生在低压下进行，尽量减少吸附剂上杂质的残余量，以便在下个循环再次吸附杂质

2.1.2流程简图（附图）

2.1.3流程简述

1.脱硫流程和设备

天然气为原料，H2S只有几十ppm和少量的有机硫（20-30ppm），因此采纳流程为：在一个钴钼加氢器后串两个氧化锌脱硫槽。加热要紧是（原料天然气达到脱硫反应温度350-400℃）。设在一段炉对流段低温蒸汽过热蒸汽过热器之后的一个原料预热盘管组，利用烟气余热进行加热的。

来自界区的天然气经进入原料气分离器(F1101)分离掉其中的液体，分为两股，一股作为燃料气与来自PSA制氢工序的尾气在燃料气分离器（F1102）混合后去对流段余热；一股作为原料天然气，配入来自中温变换后的氢气，进入原料气压缩机J1101，压缩到22Kg/cm2左右，进入一段转化炉对流段余热盘管，预热到427℃，并用未预热的副线调节到350-400℃，再送入加氢转化器D 1101

原料天然气在加氢转化器内反应后，串联通过两个氧化锌脱硫槽D1103A、B中使天然气的硫含量降低至0.1ppm以下。这两个槽任何一个都能够作为第一个槽，也能够只使用一个槽，另一个更换脱硫剂，通过脱硫的气体送入一段炉。

2.转化流程

脱硫后的天然气配入中压蒸汽，达到一定的水碳比（3.5左右），进入一段炉对流段的混合气预热盘管，加热到500℃，送到一段炉辐射段顶的9根上集气管。每根上集气管又把气体分配到42根转化炉管

中，共378根，内装催化剂。气体在管内边吸热边反应，到转换管底的温度达到820℃。每一排横竖42根炉管的气体汇合于一根水平的下集气管。下集气管也是9，各有一根上升管。反应后的气体沿9根上升管上升，接着汲取一些热量。

在一段炉对流段分不设置：

混合器预热器

烟气废锅

蒸汽过热器

原料气预热器

锅炉给水预热器

燃料气预热器

助燃空气预热器

充分回收烟气热量提高一段炉总的热效率。

一段炉出口的转化气温度约为813℃，甲烷含量约9.7%（干基），经输气管（107-D）进入二段转化炉（103-D），二段转化炉仅作为通道使用，在二段炉水夹套的作用下，一段转化气的温度降低到约789℃，在第一废热锅炉（101-CA/B）和第二废热锅炉（102-C）中回收热量后，温度降低至约371℃去变化工序。

3.变换原理

转化气进入高变炉（D1102），高变炉中装填了铁系的高温变换触媒，在高温变换触媒中发生变换反应，大部分一氧化碳与蒸汽反应生成二氧化碳和氢气，离开高温变换炉的工艺气中一氧化碳含量降低到约2.2%（干基）。为使变换反应更接近平衡，高温变换炉出口气依次通过高变换废热锅炉（103-C）和高变气锅炉给水预热器（0108-CM）回收热量后，在约220-230℃进入装有铜触媒的小低变（104-DB1）进一步发生变换反应，从小低变出来的变换气通过高变炉出气锅炉给水预热器（106-C）回收热量后，进入到低变炉（104-DB）进一步发生变换反应，低低变换炉出口的一氧化碳含量降低到0.24%（干基），送往脱碳工序。

4.PSA

变压吸附技术是以吸附剂（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份、不易吸附低沸点组份和高压下吸附量增加（吸附组份）低压下吸附量减小（解吸组份）的特性。将原料气在压力下通过吸附剂床层，相关于氢的高沸点杂质组份被选择性吸附，低沸点组份的氢不易吸附而通过吸附剂床层（作为产品输出），达到氢和杂质组份的分离。然后在减压下解吸被吸附的杂质组份使吸附剂获得再生，已利于下一次再次进行吸附分离杂质。这种压力下吸附杂质提纯氢气、减压下解吸杂质使吸附剂再生的循环便是变压吸附过程。