天然气制氢技术在氯碱生产中的应用

2013-11-30易遵勇段颖英新疆华泰重化工有限责任公司新疆乌鲁木齐830019

化工管理 2013年12期

易遵勇段颖英（新疆华泰重化工有限责任公司新疆乌鲁木齐 830019）

在氯碱的生产加工过程中，一套年产离子膜烧碱30 万吨，PVC 树脂40 万吨的装置每年富余氯气1.5 万吨。但是氯产品的市场空间有限，对于贮存和运输的要求也较高。另外，氯的生产平衡也直接影响到了烧碱和PVC 的产量，大大影响社会效益和经济效益。利用天然气制氢技术提高生产过程中富余氯气的有效利用率，增产氯化氢，从而大大提高PVC 的产量。

一、方案的可行性探讨分析

天然气制氢装置需要较大的投资，所以我国目前在小规模的企业装置上选用天然气制氢装置的企业很少，只有在规模大的生产企业进行有效配置，才能凸显其可观的经济效能。一般选用天然气制氢装置，要求企业具有优越的地理条件，可利用石油资源丰富，天然气充足的地理优势，制氢技术生产氢气成本大大降低，不仅能节省资源解决PVC 和烧碱生产过程中氯气的贮存和运输难题，更能给企业带来可观的经济效益。现如今，国内已有很多企业正在尝试利用天然气制氢技术建设小规模的制氢装置，利用此项技术生产氢气已经逐渐成为也起平衡氯碱生产，提高经济效益的首选。

二、平衡多余氯气所需氢气的流量

我们以年产量为18 万吨的离子膜烧碱为依据计算，得出以下的理论数据：

在氢气（H2）和氯气（Cl2）合成氯化氢（HCl）的过程中有H2：Cl2=1.05∶1.00≈1.10∶1.00（以1.10：1.00 计算），有标准状态先多余的氯气（Cl2）量为：

扣除在其他生产过程中氯气自用量约30m3/h，则可计算标准状态下需用氢气（H2）的用量为：

另外，要考虑到系统装置的稳定性和实际操作，应该选用氢气（H2)产量为600（m3/h）的天然气制氢设备生产足够的氢气。

三、天然气制氢的流程解析

天然气制氢气主要经过三个过程：原料天然气脱硫、天然气蒸汽转化以及变压吸附。

1、燃料天然气脱硫

在一定的温度和压力条件下，原料天然气通过氧化锰（MnO）和氧化锌（ZnO）脱硫剂脱硫，将原料天然气中的有机硫和H2S 脱硫至0.2μL/L 以下，用以满足蒸汽转化脱硫剂对硫的条件，主要反映反应原理如下：

2、天然气和蒸汽变换

高压压缩已脱硫天然气和水蒸气，使其按照一定比例的水碳比进行混合加热，并和和镍催化剂在750～850℃的高温作用之下，使甲烷气体和水蒸气在转化管中充分反映，转化成为含有H2、CO 以及CO2的混合气体。在此过程中，转化混合气体经过高温反应，CO 又和水蒸气参与反应产生CO2和H2气体。此反应过程需要大量的热量，需要外界进行供热，转化过程中所需热量由转化炉中的辐射段提供足够的热量供应。其主要反映原理为：

上式中一氧化碳（CO）的变化为：当转化气中CO 含量为13%左右时，在一定的温度条件（中温反应）下，使CO 与水蒸气在催化剂的作用下发生反应生成气体CO2和H2，并发热。

CO 的变换在中温条件下进行，中温变换有利于平衡反应，提高CO 的转化率，进而极大变换的速度和深度，有效提高单位原材料的氢气（H2）的产量。通常为了简化生产工艺的流程，并最大限度的节省投资，天然气制氢技术只利用一段变换就足够。

3、变压吸附装置（PSA）

变压吸附装置（PSA）的作用是吸附并提纯氢气，此装置利用物理吸附，没有化学反应作用其中，吸附速度快，参与吸附的各种物质之间的动态平衡瞬间完成。并且此过程为可逆过程，能建构成有效的可再生循环吸附系统，有效分离氢气并提纯，节省成本。

采用PSA 装置吸附分离并提纯氢气，是利用吸附剂对不同相态的物质的选择性以及吸附剂在不同压力下对吸附质的吸附容量的差异性，在高压条件下，吸附原材料中的杂质，低压时，脱附杂质使吸附剂循环再生的原理来进行的。此过程在环境温度下即可完成操作。变压吸附可简单分为吸附和再生两个步骤，其中再生是指吸附剂再生，可通过以下步骤实现：(1)降压吸附塔压力至低压。首先顺放PP，即随吸附的方向来降压，此过程部分吸附剂仍然是吸附状态；接着逆放D，即沿着吸附的反方向降压，此过程，部分杂质解吸并被及时排出。 (2)在低压条件下，用纯氢冲洗吸附剂，清除吸附剂中的残留杂质。 (3)用纯氢升压吸附塔压力至吸附压力，以备下次分离提纯。

四、精工操控，提高使用寿命

在整套的制氢装置中，脱硫剂催化剂都有一定的使用寿命，这就需要我们通过精心看管，细致的操作，才能有效延长这些催化剂的使用寿命。装置运行中水炭比一般要求控制在4.0 以上，一旦蒸汽与天然气的配比失衡时，将出现甲烷在转化管中裂解，从而导致转换管积炭的情况。在生产过程中稳定控制压力和温度变换，在不影响设备正常运转情况下，缓慢匀速的增减产量。严格控制压力差和温度升降速率，保证压力差变化低于0.3MPa/h，温差变化低于60℃/h，从而避免温差和压力差的剧烈变化对各种催化剂造成的负面影响，增加各种催化剂的有效使用寿命，节省经济投资。