制氢装置流程及关键设备介绍

1、制氢装置简介制氢装置简介制作人：李先生制作人：李先生*石化公司石化公司关键设备介绍关键设备介绍装置概述装置概述工艺原理工艺原理工艺过程工艺过程装置概述装置概述工艺原理工艺原理*石化公司石化公司1616万标方万标方/ /小时制氢装置是公司的新建装置小时制氢装置是公司的新建装置 一、装置概述一、装置概述工艺路线：工艺路线：主要单元：主要单元：原料精制、预转化、转化、高温变换、变压吸附原料精制、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主要产品：合格氢气合格氢气用氢单位用氢单位：渣油加氢、加氢裂化、柴油加氢、硫

2、磺等渣油加氢、加氢裂化、柴油加氢、硫磺等 一、装置概述一、装置概述技术路线技术路线：造气部分引进造气部分引进TechnipTechnip公司低能耗蒸汽转化制氢技术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吸附部分采用成都华西工业气体有限公司PSAPSA净化工艺净化工艺技术特点技术特点：技术先进、成熟可靠、灵活节能技术先进、成熟可靠、灵活节能转化炉的转化炉的 参数特点参数特点：三高：高转化入口温度、高转化出口温度、高碳空速三高：高转化入口温度、高转化出口温度、高碳空速一低：低水碳比一低：低水碳比特点：代表当今较先进的制氢技术水平。特点：代表当今较先进的制氢技术水平。 二、工艺

3、原理二、工艺原理轻烃蒸汽转化法轻烃蒸汽转化法制氢过程制氢过程原料净化原料净化蒸汽预转化蒸汽预转化蒸汽转化蒸汽转化CO高温变换高温变换核心反应核心反应 烃类的蒸汽转化是将烃类与蒸汽转化为烃类的蒸汽转化是将烃类与蒸汽转化为H2和和CO，同时伴生，同时伴生CO2和少量的残余和少量的残余CH4. CH4 + H20 CO + 3H2 CO + H20 CO2 + H2 二、工艺原理二、工艺原理化学反应机理化学反应机理加氢加氢脱硫脱硫反应反应硫醇加氢硫醇加氢: R-SH + H2 RH + H2S硫醚加氢硫醚加氢: R-S-R+ H2 RH +RH + H2S 加氢反应是制氢工艺中一个重要的反应，它是原

4、料精制部分的起始步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。加氢反应的主要作骤，它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复杂的有机硫通过加氢反应转变为简单的无机硫，即硫化氢用是把原料气中复杂的有机硫通过加氢反应转变为简单的无机硫，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。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。噻吩加氢噻吩加氢: C4H4S + 4H4 C4H10 + H2S二硫化碳加氢：二硫化碳加氢：CS2 + H2 CH4 + H2S氧化锌

5、脱硫：氧化锌脱硫： H2S + ZnO ZnS + H20预转化预转化反应反应 预转化反应是原料气和水蒸汽在高活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性镍催化剂上发生反应烃类转化成甲烷的过程：过程： CmHn + mH20 mCO + (m+n/2)H2 CO + 3H2 CH4 + H20 CO + H20 CO2 + H2转化转化反应反应 CO高温变换是将转化气高温变换是将转化气中的中的CO与水蒸气继续反应生与水蒸气继续反应生成成CO2和氢气。和氢气。 CO + H20 CO2 + H2高温高温变换变换反应反应PSA 变压吸附是对气体混合物进行分离提纯的工艺变

6、压吸附是对气体混合物进行分离提纯的工艺过程，该工艺是多孔性固体物质内部表面对气体分过程，该工艺是多孔性固体物质内部表面对气体分子的物理吸附。混合气体中的杂质组分在高压具有子的物理吸附。混合气体中的杂质组分在高压具有较大的吸附能力，低压下具有较小的吸附能力，变较大的吸附能力，低压下具有较小的吸附能力，变压吸附就是利用这种原理吸附、解析，达到循环吸压吸附就是利用这种原理吸附、解析，达到循环吸附解析过程。附解析过程。 分子筛对一般气体分子的吸附顺序分子筛对一般气体分子的吸附顺序: : H2 N2 CH4 CO CO2变压吸附（变压吸附（PSA） 二、工艺原理二、工艺原理三、工艺过程三、工艺过程 预转

7、化预转化原料气升原料气升压及脱硫压及脱硫 转化转化PSA高温变换高温变换 自系统管网来的干气经压缩机升压自系统管网来的干气经压缩机升压后，与自界区来的天然气混合进入装置，后，与自界区来的天然气混合进入装置，混合后原料压力混合后原料压力4.0MPa4.0MPa（G G）。）。 进入脱硫部分的原料气，首先经过钴钼加氢反应器，在钴钼进入脱硫部分的原料气，首先经过钴钼加氢反应器，在钴钼催化剂的作用下发生氢解反应，把有机硫转化为无机硫，有机氯催化剂的作用下发生氢解反应，把有机硫转化为无机硫，有机氯转化为氯化氢。然后，加氢后的原料气通过脱硫反应器床层，脱转化为氯化氢。然后，加氢后的原料气通过脱硫反应器床层

8、，脱硫反应器顶部装有脱氯剂，下层装有氧化锌，在此氯化氢与氧化硫反应器顶部装有脱氯剂，下层装有氧化锌，在此氯化氢与氧化钙反应，生成氯化钙，氧化锌与硫化氢发生反应，生成硫化锌，钙反应，生成氯化钙，氧化锌与硫化氢发生反应，生成硫化锌，达到脱氯、脱硫的目的。精制后的气体中硫含量小于达到脱氯、脱硫的目的。精制后的气体中硫含量小于0.1ppm0.1ppm，进，进入预转化部分。入预转化部分。 三、工艺过程三、工艺过程 预转化预转化原料气升原料气升压及脱硫压及脱硫 转化转化PSA高温变换高温变换预转化预转化三、工艺过程三、工艺过程 原料气升原料气升压及脱硫压及脱硫 自系统管网来的干气经压缩机升压自系统管网来的

9、干气经压缩机升压后，与自界区来的天然气混合进入装置，后，与自界区来的天然气混合进入装置，混合后原料压力混合后原料压力4.0MPa4.0MPa（G G）。）。 进入脱硫部分的原料气，首先经过钴钼加氢反应器，在钴钼进入脱硫部分的原料气，首先经过钴钼加氢反应器，在钴钼催化剂的作用下发生氢解反应，把有机硫转化为无机硫，有机氯催化剂的作用下发生氢解反应，把有机硫转化为无机硫，有机氯转化为氯化氢。然后，加氢后的原料气通过脱硫反应器床层，脱转化为氯化氢。然后，加氢后的原料气通过脱硫反应器床层，脱硫反应器顶部装有脱氯剂，下层装有氧化锌，在此氯化氢与氧化硫反应器顶部装有脱氯剂，下层装有氧化锌，在此氯化氢与氧化钠

10、反应，生成氯化钠，氧化锌与硫化氢发生反应，生成硫化锌，钠反应，生成氯化钠，氧化锌与硫化氢发生反应，生成硫化锌，达到脱氯、脱硫的目的。精制后的气体中硫含量小于达到脱氯、脱硫的目的。精制后的气体中硫含量小于0.1ppm0.1ppm，进，进入预转化部分。入预转化部分。 精制后的原料气，按水碳比精制后的原料气，按水碳比2.3mol/mol2.3mol/mol与工艺蒸汽混合，再经转化与工艺蒸汽混合，再经转化炉对流段中原料炉对流段中原料/ /蒸汽预热段预热至蒸汽预热段预热至470470，进入预转化反应器。预转化反，进入预转化反应器。预转化反应器为一绝热反应器，在催化剂的作用应器为一绝热反应器，在催化剂的作

11、用下，发生一系列的热裂解、催化裂解、下，发生一系列的热裂解、催化裂解、脱氢、加氢、积碳、氧化、变换、甲烷脱氢、加氢、积碳、氧化、变换、甲烷化反应，生成富含甲烷的气体。化反应，生成富含甲烷的气体。三、工艺过程三、工艺过程 转化转化 出预转化反应器的出预转化反应器的气体富含甲烷，温度气体富含甲烷，温度426，按总水碳比，按总水碳比2.85mol/mol配入工艺配入工艺蒸汽，再经转化炉对蒸汽，再经转化炉对流段预热至流段预热至595 ，由，由上集合管进入转化炉上集合管进入转化炉辐射段。辐射段。 转化炉管内装有催化剂，转化炉管内装有催化剂，在催化剂的作用下，原料气与在催化剂的作用下，原料气与水蒸气发生复

12、杂的转化反应，水蒸气发生复杂的转化反应，整个反应过程表现为强吸热过整个反应过程表现为强吸热过程，反应所需热量由转化炉燃程，反应所需热量由转化炉燃烧气提供。出转化炉的高温转烧气提供。出转化炉的高温转化气经转化蒸汽发生器发生中化气经转化蒸汽发生器发生中压蒸汽后，温度降至压蒸汽后，温度降至340340进入进入高温变换部分高温变换部分. .三、工艺过程三、工艺过程 高温变换高温变换 由转化气蒸汽发生器来的由转化气蒸汽发生器来的340340转化气进入高温变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，将变换气换反应器，在催化剂的作用下发生变换反应，将变换气中中COCO降至降至3%3%左右。为了

13、提高左右。为了提高COCO的变换率，增加产品氢的变换率，增加产品氢的收率，变换部分设置两段反应器。第一段反应器出口的收率，变换部分设置两段反应器。第一段反应器出口残余残余COCO含量约为含量约为4.4%4.4%，出口温度约，出口温度约416416。第一段反应。第一段反应器出口变换气经过冷却至器出口变换气经过冷却至340340后，进入第二段反应器后，进入第二段反应器进一步发生变换反应，反应出口温度为进一步发生变换反应，反应出口温度为352352，残余，残余COCO含量降至含量降至3.0%3.0%左右，变换气经一系列的换热器冷却降温左右，变换气经一系列的换热器冷却降温至至4040，并经分水后进入，

14、并经分水后进入PSAPSA部分。部分。PSAPSA三、工艺过程三、工艺过程 PSAPSAPSAPSA 来自造气部分压力为来自造气部分压力为2.3MPa(G)2.3MPa(G)，温度，温度40 40 的变的变换气，进入换气，进入PSAPSA部分。部分。 产品氢气经压力调节系产品氢气经压力调节系统稳压后送至加氢装置作统稳压后送至加氢装置作为原料。为原料。 PSA PSA的原料气自吸附塔底的原料气自吸附塔底进入正处于吸附工况的吸附塔进入正处于吸附工况的吸附塔内，在其中多种吸附剂的依次内，在其中多种吸附剂的依次选择吸附下，一次性除去氢以选择吸附下，一次性除去氢以外的几乎所有杂质，获得纯度外的几乎所有杂

15、质，获得纯度大于大于99.9%99.9%的产品氢气。的产品氢气。 塔底的解吸气经稳压后塔底的解吸气经稳压后送至转化炉作为燃料。送至转化炉作为燃料。 变换变换转化转化加加氢氢脱脱硫硫氢气氢气蒸汽蒸汽燃料气燃料气PSA天然气天然气干气干气石脑油石脑油预预转转化化三、工艺过程三、工艺过程 轻烃蒸汽转化制氢工艺流程模块图轻烃蒸汽转化制氢工艺流程模块图制氢装置工艺流程图制氢装置工艺流程图三、工艺过程三、工艺过程 四、关键设备介绍四、关键设备介绍-转化炉转化炉 转化炉为制氢装置的核心设备，通过转化炉烃类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。和水蒸汽发生一

16、系列的反应，生成氢气和其它副产物。四、关键设备介绍四、关键设备介绍-转化炉转化炉 顶烧炉顶烧炉以以I.C.I和和 Kellogg为代表为代表 燃烧器布置在辐射室顶部，转化管受燃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。均布置在辐射室旁边。 大型化的制氢炉大都选用顶烧炉（约大型化的制氢炉大都选用顶烧炉（约占占75%）。）。返回返回四、关键设备介绍四、关键设备介绍-转化炉转化炉

17、侧烧炉侧烧炉以丹麦以丹麦TOPSE公司为代表公司为代表燃烧器在辐射室的侧墙，火焰附墙燃烧。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。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修等原

18、因，对流室经常放置在辐射室旁边 。返回返回四、关键设备介绍四、关键设备介绍-转化炉转化炉梯台炉梯台炉以美国以美国FOSTER WHEELER（福斯特（福斯特*惠勒）惠勒）公司为代表公司为代表辐射室侧墙呈梯台形，燃烧器火焰沿倾斜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，没有引顶部，烟气上行，采用自然抽风，没有引风机。风机。返回返回四、关键设备介绍四、关键设备介

19、绍-转化炉转化炉底烧炉底烧炉目前多用于目前多用于小型装置小型装置燃烧器位于辐射室底部，烟气上行。燃烧器位于辐射室底部，烟气上行。 1 1、提供的热量与介质流向相、提供的热量与介质流向相 同，适合转化反应的要求。同，适合转化反应的要求。2 2、炉管受热均匀，有利于延长、炉管受热均匀，有利于延长炉管的使用寿命。炉管的使用寿命。3 3、燃烧器数量少，调节方便，、燃烧器数量少，调节方便，维护量小。维护量小。4 4、占地面积小，对流段设置于、占地面积小，对流段设置于地面上，安装和检修都较为方便，地面上，安装和检修都较为方便，汽包安装高度亦大大降低。汽包安装高度亦大大降低。 我公司制氢装置采用顶烧炉我公司

20、制氢装置采用顶烧炉四、关键设备介绍四、关键设备介绍-转化炉转化炉特点特点图片图片四、关键设备介绍四、关键设备介绍-转化炉转化炉传热方式传热方式热强度及管热强度及管壁温度分布壁温度分布结构特点结构特点操作便利性操作便利性工况的适应工况的适应炉型结构炉型结构比较比较 炉型结构比较炉型结构比较传热方式传热方式 顶烧炉的燃烧器安装在辐射室顶部，火焰从上往下烧，顶烧炉的燃烧器安装在辐射室顶部，火焰从上往下烧，烟气流动方向与转化管内介质流动方向相同，传热方式为并烟气流动方向与转化管内介质流动方向相同，传热方式为并流传热。侧烧炉燃烧器安装在辐射室侧墙，火焰附墙燃烧，流传热。侧烧炉燃烧器安装在辐射室侧墙，火焰

21、附墙燃烧，通过辐射墙对转化管传热，烟气流动方向与管内介质流动方通过辐射墙对转化管传热，烟气流动方向与管内介质流动方向相反，传热方式错流传热。梯台炉的燃烧器排数比侧烧炉向相反，传热方式错流传热。梯台炉的燃烧器排数比侧烧炉要少，是一种改进的错流传热。底烧炉为逆流传热。要少，是一种改进的错流传热。底烧炉为逆流传热。 炉型结构比较炉型结构比较 工况的适应工况的适应 顶烧炉上部供热较多，转化管采用抗积碳性能好的催化剂顶烧炉上部供热较多，转化管采用抗积碳性能好的催化剂时，可以很好的和转化反应相匹配，在反应最激烈处能供给时，可以很好的和转化反应相匹配，在反应最激烈处能供给最多的热量，燃料放热分布与反应吸热分

22、布较协调。但炉管最多的热量，燃料放热分布与反应吸热分布较协调。但炉管纵向温度不能调节，在操作末期或催化剂积碳时，上部反应纵向温度不能调节，在操作末期或催化剂积碳时，上部反应较少，管内介质温度升高很快，造成转化炉管的管壁温度升较少，管内介质温度升高很快，造成转化炉管的管壁温度升高，对炉管寿命有影响，设计管壁温度也需要较大的裕量。高，对炉管寿命有影响，设计管壁温度也需要较大的裕量。 侧烧炉和梯台炉可以根据需要调节沿炉管长度方向受热的侧烧炉和梯台炉可以根据需要调节沿炉管长度方向受热的负荷，对不同工况的适应情况较好。负荷，对不同工况的适应情况较好。 炉型结构比较热强度及管壁温度分布不同的传热方式，导致

23、不同炉型具有不同的热强度和管壁温度分布。顶烧炉火焰集中在炉膛顶部，所以该处辐射传热能力非常强，具有非常高的局部热强度，同时该处的管壁温度也为最高。最高管壁温度和热强度同时在转化管顶部出现峰值是顶烧式转化炉的特点。该特点造成转化管有较高的设计壁温。对于侧烧和梯台转化炉，燃烧器均匀分布在沿管长方向的不同标高，辐射传热比较均匀，可避免该峰值，从而降低设计壁温，减少转化管壁厚，节约高合金炉管，或允许较高的转化气出口温度，以降低残余甲烷，提高氢的产率。在管壁设计温度相同时，侧烧炉和梯台炉可以允许较大的总平均管壁热强度，这样传热面积会相应减少，转化管数量有所下降。底烧炉在传热性能上，具有炉顶热强度低，炉底

24、热强度高的特性，因而炉管壁温变化最大，特别是炉底处炉管壁温是所有炉型中最高，对炉管寿命十分不利，为了控制最高管壁热强度不超标，只能选用很低的平均热强度，造成管材的巨大浪费，所以大型装置都不采用底烧炉。 炉型结构比较结构特点顶烧炉的所有转化管排均在同一炉膛内，排列比较紧凑，节省占地面积，适于大型化。侧烧炉和梯台炉由于是两个辐射室并列排列，所以在炉管数量相同时，占地面积较大，大型化有一定的困难。顶烧炉的燃烧器数量较少，密集排列在炉顶，燃料配管及空气配管相应简化，但炉顶结构比较复杂。侧烧炉燃烧器数量较多，分布在辐射室侧墙，燃料配管及空气配管较多。 操作便利性操作情况顶烧炉的燃烧器都集中在炉顶，造成炉

25、顶的操作条件比较恶劣，由于炉顶的温度非常高，炉顶布置又非常紧密，正常操作过程中调节燃烧器有一定难度。侧烧炉和梯台炉的燃烧器均布置在侧墙，操作条件和缓，对正常操作好处较大。但侧烧炉由于燃烧器数量较多，点火时花费的时间比顶烧炉要长。 四、关键设备介绍四、关键设备介绍-压缩机压缩机 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、由于压缩机结构

26、、制造、装配、运转等方面的需要，气装配、运转等方面的需要，气缸中某些部位留有一定的空间缸中某些部位留有一定的空间或间隙，将这部分空间或间隙或间隙，将这部分空间或间隙称为余隙容积称为余隙容积 往复式压缩机工作过程往复式压缩机工作过程返回返回结构图结构图机体机体曲轴曲轴连杆连杆活塞组活塞组阀门阀门轴封轴封油泵油泵能量调节装置能量调节装置油循环系统油循环系统四、关键设备介绍四、关键设备介绍-压缩机压缩机实体图实体图压缩机整体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