煤基制氢装置CO变换反应深度的选择及经济性分析

2019-10-08魏焕景马如芬朱博斐

天然气化工—C1化学与化工 2019年4期

魏焕景，马如芬，朱博斐

（航天长征化学工程股份有限公司兰州分公司，甘肃兰州 730000）

以某30万t/a煤焦油加氢项目为例，其需要约3.5万Nm3/h的H2作为焦油加氢的原料。最终方案确定以HT-L航天粉煤加压气化技术造气，采用等温变换技术，低温甲醇洗净化工艺获取粗氢气，采用变压吸附（PSA）技术获取纯度要求为99.9%氢气。本文针对该项目，应用PROⅡ软件对变换流程进行模拟，根据不同的反应深度，计算出各公用工程消耗，并从整个制氢装置综合考虑，从而得出较合理的CO变换反应深度。

1 工艺方案选择及流程

本项目CO变换采用等温变换技术，与传统的绝热变换工艺相比，其具有流程短、设备数量少、设备造价低、催化剂装填量少、寿命长和一次投资较低等优点[1]。

1.1 粗煤气的组成

本系统原料气采用HT-L粉煤加压气化送来的粗煤气，其组分的体积组成为：H2O 43.47%，CO 42.77%，H28.62%，CO24.59%，N20.46%，（H2S+COS） 0.07%。

1.2 变换工艺流程

来自气化的粗煤气进入变换系统后，经V01除去少量夹带水及大部分灰尘；进入E01换热后，在V02脱除微小粉尘。出V02气体进入R01进行变换反应，使出口气体CO浓度降到一定数值（干基）；从R01出来的变换气进入E01与粗煤气进行换热之后，进入E02预热工艺冷凝液，再经过调整水汽比后，进入R02进行二次变换反应，并将CO干基浓度控制在目标数值以下。出R02气体进入E03加热锅炉给水，再进入E04预热脱盐水，最后进入E05冷却至40℃以下后进入洗氨塔，除去大部分氨并进行气液分离后，变换气送至低温甲醇洗净化工艺单元。详见图1。

图1 变换工艺流程简图

2 CO变换反应深度的确定

CO变换的反应深度是变换装置的重要指标，一般是指变换装置出口变换气组分中CO干基体积分数。反应深度与转化率是对应的，反应深度越深，转化率就越高。

2.1 不同反应深度对应的粗氢气规格

根据工程经验以及常见反应深度，将CO反应深度分别定为：6%、3.5%、2.5%、1.5%、0.8%、0.6%、0.4%。不同的CO变换反应深度对应的下游低温甲醇洗装置出口粗氢气的纯度不同，其对照表详见表1。

表1 CO变换的不同反应深度所对应的粗氢气规格

2.2 不同反应深度对应的粗煤气有效气量

假设PSA单元H2回收率统一按92%考虑，因最终需要产品氢气量相同，为35000Nm3/h，按照表1粗氢气的规格和PSA单元H2回收率，计算出粗煤气有效气量（CO+H2，下同）和原料煤消耗量，详见表2。

表2 CO变换的不同反应深度所对应的粗煤气中有效气量和所需原料煤量

表2中损失的有效气量为整个制氢装置的损失量，其中，PSA单元的解吸气量随变换反应深度的降低而增多；因为变换气中含有未反应的CO进入下游PSA制氢单元后只能作为其解吸气（主要为CO、H2及其他少量惰性组份）；而本项目原料煤为粉焦，气化单元并未设置热风炉，此股解吸气无法作为热风炉燃料气回收利用，且该股解吸气压力较低，只能作为放空气进入火炬燃烧，因而损失了大量的有效气量。

如在教学《三角形的分类》这部分内容的时候，教师可以让学生拿出自己事先准备好的学具三角形若干个，然后，让学生分别用直尺量出每个三角形的边长是多少，用直角三角板的直角比对以后，再完成下表：

2.3 等温炉数量的选择

关于等温变换炉的数量，根据工程经验，当变换反应深度为3.5%时，建议选两台等温炉，因为在催化剂寿命的前期，一台等温炉尚能满足变换反应深度，但到了催化剂寿命的中、后期，就很难达到变换反应深度，无法满足生产；所以当变换反应深度＜3.5%时，选两台等温炉；当变换反应深度＞3.5%，应酌情分析，根据具体情况设置台数，例如当变换反应深度为6%时，一台等温炉即可满足要求。具体等温炉台数详见表3。