几种不同原料制取氢气工艺路线技术经济性探讨

陈　丽 ， 程延峰

(河南能源化工集团有限公司 义马气化厂 ， 河南 义马　472300)



几种不同原料制取氢气工艺路线技术经济性探讨

陈丽 ， 程延峰

(河南能源化工集团有限公司 义马气化厂 ， 河南 义马472300)

摘要：提出了不同原料制取氢气的工艺路线，分析比较不同工艺路线制氢的特点，进行技术及经济比较，提出应综合考虑项目背景、原料来源、投资和成本、建设规模选择合适的制氢工艺路线。

关键词：不同原料 ； 制取氢气 ； 工艺路线 ； 技术及经济比较

硫含量是车用汽油中最关键的环保指标，为进一步提高汽车尾气净化系统的能力，减少汽车污染物排放，《第五阶段车用汽油国家标准》将硫含量指标限值由第四阶段的50×10-6降为10×10-6。此前于2013年6月发布的《第五阶段车用柴油国家标准》同样要求车用柴油的硫含量不大于10×10-6。油品硫含量指标的升级、炼油原料高硫劣质化和催化重整制芳烃受限三大因素将提升中国炼厂的氢气需求。为了使汽柴油硫含量满足不大于10×10-6的标准，需要对催化汽油进行进一步加氢，并对催化柴油进行高压加氢改质。

氢气作为重要的工业原料和还原剂，主要应用于炼化项目供氢、合成氨生产、氢气外销和直接液化煤制油四个方面。传统的制氢工艺有烃类水蒸气重整制氢(SMR)、煤制氢、重油(渣油)部分氧化重整制氢(POX)、水电解及变压吸附(PSA)等工艺路线。

1不同原料制氢路线介绍

就国内炼厂而言，目前制氢原料路线的选择，主要取决于原料资源的可得性和氢气成本的高低。工业制氢的方式有很多种，归纳起来，主要有甲醇、重油、烃类(天然气、炼厂干气或者轻石脑油)、原料煤等制氢技术。

1.1　甲醇蒸汽重整制氢

随着甲醇制氢催化剂的成功开发，甲醇蒸汽重整制氢工艺已在小规模用氢领域推广应用。甲醇裂解制氢投资小，规模灵活，但原料成本较高，因此更适用于较小(100~1 000 Nm3/h)规模，对氢气价格承受力较高的用户。

1.2　重油(渣油)部分氧化重整制氢

渣油、脱油沥青等重质油气化路线曾经广泛应用于制氢，目前仍有小部分企业采取该路线。

1.3　烃类水蒸气重整制氢

对已中等规模的氢气需求，天然气蒸汽重整制氢装置更为合适，其单位投资低，在中等规模下也具备经济性。

1.4　煤制氢

对于大规模的氢气需求，天然气蒸汽重整制氢和煤气化制氢各有特点，但在天然气难以获得或价格过高的区域，煤气化制氢更具优势，尤其是煤气化(废锅流程)还可以副产大量高品质蒸汽供应生产系统。

2各种制氢路线成本及能耗对比

制氢规模：14万Nm3/h，氢气纯度：≥99.9%(物质的量分数)；氢气压力：≥3.1 MPa(G)， 年操作时间：8 000 h。

表1　各制氢路线成极能耗比较

由表1可知，重质油原料有原油、重油、减压渣油和沥青等，据粗略统计，全球炼油厂通过部分氧化法制取氢气仅占氢气来源的4%，限制其发展和工业应用的主要原因是工程投资太大，氢气成本高；石脑油制氢的成本也同样过高，将其用于深加工，能发挥出更大的经济效益，因而这几条路线不适宜继续作为炼厂制氢的发展方向。焦炉气制氢如果是在综合型工业园区，具备临近大规模炼焦企业等便利条件，可以考虑采用焦炉气制氢的工艺路线。天然气制氢投资省、成本低，被公认为是炼油厂工业制氢的最佳方案，所以该工艺约占世界炼油厂制氢的96%。近年来煤气化技术在中国获得了极大的发展，已经广泛应用于化肥、甲醇、乙烯、乙二醇、煤制油、煤制气等大宗化学产品的生产中，因为中天然气原料成本约占氢气成本的80%，所以在天然气价格过高的区域，煤气化制氢优势明显。

3煤制氢与天然气制氢经济性比较

根据某制氢项目的方案对比情况，对一定价格区间下天然气制氢与煤制氢(GE水煤浆气化)进行成本计算，得到不同原料价格对应氢气成本，见表2。

表2　不同原料对应氢气成本

从表2中的成本对比曲线可以看出：天然气制氢成本对原料价格更为敏感。在目前煤与天然气价格走势下，煤制氢具备一定的成本优势。

4煤制氢关键技术

根据气化炉的结构特点，煤气化技术可以划分为固定床、流化床、气流床等，其代表性技术分别为碎煤加压气化、U-GAS气化， WHG干煤粉气化或GE水煤浆气化。表3和表4分别列出了上述气化技术典型的气化产品组成及投资和成本对比。

表3　不同气化技术典型的气化产品组成(体积分数)　%

表4　不同气化技术投资和成本对比

根据表3及表4数据，认为碎煤加压气化、U-GAS气化在以甲烷为目标的产品当中有明显的竞争力，而干粉煤(WHG)、水煤浆气化生产合成气方面有竞争优势。14万Nm3/h煤制氢规模装置投资(不含公用工程)，干粉煤(WHG)气化比其他三种气化技术投资高出20%~26%，氢气成本比其他三种气化技术高出17%~32%。U-gas气化技术煤种适用性强，能够气化劣质煤，污水投资小，国内首套工业化装置运行，技术上还处于逐渐成熟期，与石化炼油装置要求长周期稳定运行有一定差距。碎煤加压气化、水煤浆气化氢气成本相当，技术成熟可靠，能保证供氢的连续性，碎煤加压气化副产CH4产品，经济效益有优势，可以作为煤制氢工艺技术重点选择对象。

5结论

各种制氢工艺路线均是成熟可靠的。 炼厂干气、石脑油、重质油制氢存在成本高、原料价值未充分利用等影响效益问题，因此现有炼厂干气制氢、石脑油、重质油制氢装置纷纷停产。 天然气制氢投资低，天然气价格持续走高的情况下，天然气制氢效益会受到严重影响。煤制氢一次投资和能耗较高，但单位成本较低，随着气化技术的不断进步，利用煤以及石油焦制氢已经成为技术成熟、环境友好、经济效益好的生产方式。尽管可能受到碳排放政策的影响，但是即便考虑了“碳税”，在燃料价格普遍上涨的情况下，煤制氢仍具备相当的成本优势，而且可以优化炼厂的物料平衡，已成为中国炼厂制氢的重要发展方向，在未来的制氢工艺中将占有重要的地位。

•分析与测试•

作者简介：陈丽(1973-)，女，高级工程师，从事煤化工管理工作，电话：(0398)5625516。

收稿日期：2015-01-22

中图分类号：TQ116.2

文献标识码：B

文章编号：1003-3467(2015)05-0056-02