天然气转化制氢装置中设置脱碳工序.doc

天然气转化制氢装置中设置脱碳工序对制氢装置的影响分析上海华西化工科技有限公司 周琴 孙健 余浩 1、 概述轻烃水蒸汽转化制氢装置在制得氢气的同时也副产大量的二氧化碳（CO2），通常的制氢流程中，这些CO2都是随着PSA氢气提纯单元的解吸气一起作为了转化炉的燃料，然后再随转化炉的烟气一起排空了。因此许多用户都提出这样的问题：这部分CO2降低了解吸气的热值，同时从转化炉中带走了部分热量，如果能将这些CO2脱除，是否可以降低燃料的消耗，从而降低制氢的成本？而且脱出的CO2还可以进一步加工成工业级或食品级液态CO2销售，既可以进一步增加总体经济效益，又可以减少碳排放，实现变废为宝。但CO2的脱除工序本身需要增加投资和能耗，同时CO2的脱除工艺和流程设计又是可以多种多样的，因此有必要对不同的CO2脱除工艺和流程进行分析与计算，确定各种脱碳工艺对制氢成本的影响。2、 脱碳工艺路线说明脱碳工序的设置位置：脱碳工序的设置位置有两种选择：一种是设在PSA氢提纯单元前，另一种设在PSA氢提纯工序后。设在PSA氢提纯单元前的好处是：由于变换气的压力较高，因此无论采用哪种脱碳工艺，运行成本都会更低一些，而且变换气在脱碳后再进入PSA氢提纯单元，还可以增加PSA氢提纯单元的氢气回收率；但缺点是：需要对整个制氢装置的总流程进行改变，对于已建制氢装置的实施较为麻烦。设在PSA氢提纯单元后的好处是：不影响原有制氢装置设计；但缺点是：由于PSA单元的解吸气压力低，因此脱碳的能耗较高，而且不能提高原有PSA氢提纯单元的氢气回收率。脱碳工艺的选择：工业气体脱除CO2的方法主要有四类：化学吸收法、物理吸收法、PSA法和膜分离法碳。由于受到制氢装置的原料气压力限制，相对经济、高效的脱碳工艺只能选择化学法和PSA法，而且化学法如果是以PSA单元后的低压解吸气为原料，能耗过高，蒸汽也不能平衡，明显没有经济性，因此化学法只能选择在PSA氢提纯单元前。这样我们就可以基本确定出几种可行的脱碳工序路线。传统制氢和几种带脱碳工序的制氢流程框图比较如下：1）方案一：传统制氢工艺流程框图2） 方案二：在PSA氢提纯前设置MDEA脱碳工序该流程的特点是：脱碳后PSA氢提纯的氢气回收率可以提高到94%。CO2脱除率高（大于90%），CO2产品纯度高（大于99.5%）脱碳工序需要消耗副产蒸汽，但耗电较低。3） 方案三：在PSA氢提纯前设置VPSA脱碳该流程的特点是：脱碳后PSA氢提纯的氢气回收率可以提高到94%。CO2脱除率约90%，CO2产品纯度略低（约90%）脱碳工序不消耗蒸汽，但耗电较高，有部分有效气损失。4） 方案四：在PSA氢提纯后设置VPSA脱碳该流程的特点是：VPSA脱碳的原料为低压解吸气，需要升压后才能进行VPSA脱碳，电耗较高。CO2脱除率约90%，CO2产品纯度略低（约90%）VPSA脱碳不影响氢气提纯5） 方案五：在PSA氢提纯后设置VPSA脱碳+尾气PSA氢提纯该流程的特点是：增加的VPSA脱碳和提氢的原料为低压解吸气，需要升压后，电耗高。CO2脱除率约90%，CO2产品纯度略低（约90%）增加PSA提氢工序后，总的氢气回收率为96.5%3、 各种脱碳工艺路线对制氢成本的影响为便于比较各种脱碳工艺对制氢装置消耗和成本的影响，我们以10000Nm3/h天然气制氢装置为例进行计算，并假设天然气的条件如下表：原料天然气组成mol%CH496.0C21.1C30.4N21.4CO21.1合计100天然气进装置压力0.6MPa.G天然气进装置温度40转化工段的操作条件也均维持不变进行计算。氢气压力设定为2.5MPa.G，转化出口温度设定为860，水碳比设定为：3.0。在此条件下，经过计算，得到各种工艺流程下的投资与消耗如下表：项目方案一方案二方案三方案四方案五投资（万元）76008600880087009500原料天然气Nm3/h37833630364037833487燃料天然气Nm3/h594502540385655天然气消耗合计Nm3/h43774132418041684142脱盐水t/h11.18.38.48.68.0循环水t/h60400100107190电耗kwh/h461597614 719 1139净化风Nm3/h2002003003004003.5MPa蒸汽t/h-6.30-3.8-3.9-3.7注：表示外送蒸汽如果统一按照：10年折旧，天然气价格3.0元/Nm3，脱盐水价格5.0元/t，循环水价格0.4元/t，电价：0.6元/kwh，净化风价格0.2元/Nm3，外送蒸汽价格120元/t，CO2放空不计价，进行车间生产成本核算，那么各种方案下的氢气车间生产成本如下表：项目方案一方案二方案三方案四方案五折旧小时成本（元/h）950107511001087.51187.5天然气小时成本（元/h）1313112396125401250412426脱盐水小时成本（元/h）55.541.5424340循环水小时成本（元/h）241604042.876电耗小时成本（元/h）276.6358.2368.4431.4683.4净化风小时成本（元/h）4040606080蒸汽小时成本（元/h）-7560-456-468-444催化剂小时成本（元/h）190200190190190每小时总成本（元/h）13911.114270.713884.413890.714238.9单位氢气成本（元/Nm3）1.3911.4271.3881.3891.424从上表的计算结果可以看出，增加脱碳工序后，虽然天然气的消耗有所降低，但氢气成本并不能降低，甚至在方案二和方案五中还会导致氢气成本的上升，分析其原因：主要是因为：脱碳工序增加了投资，导致折旧成本增大，但因增加投资而带来的副产品CO2却是放空的，没有效益；而且因此增加了电耗，并减少了副产蒸汽的外送。那么，考虑到有些制氢装置用户的副产蒸汽没有用途，是放空的，并且回收的CO2可以销售，工业气体CO2的价格按照100元/吨计价的话，我们再比较一下这种情况下的氢气成本，见下表：项目方案一方案二方案三方案四方案五折旧小时成本（元/h）950107511001087.51187.5天然气小时成本（元/h）1313112396125401250412426脱盐水小时成本（元/h）55.541.5424340循环水小时成本（元/h）241604042.876电耗小时成本（元/h）276.6358.2368.4431.4683.4净化风小时成本（元/h）4040606080蒸汽小时成本（元/h）00000催化剂小时成本（元/h）190200190190190每小时总成本（元/h）14667.114270.714340.414358.714682.9单位氢气成本（元/Nm3）1.4671.4271.4341.4361.468CO2销售收入（元/h）0400400400400从上表中可以看出：如果制氢装置副产的蒸汽没有用途的情况下，增加脱碳工序是可以降低制氢成本，提高装置效益的，而且，此时采用方案二的氢气成本最低，效益最好，如果CO2也有销路，那么经济效益更加显著，以方案为例，每小时可节省运行成本800元（含CO2销售收入），每年可增加效益640万元，所增加的1000万投资在1.6年左右就可以回收。4、 结论通过以上的分析，我们可以得出这