天然气加氢工艺技术研究

孙晨

（国家电投集团科学技术研究院有限公司,北京 102209）

1 天然气加氢工艺技术应用的必要性

随着对电能需求的不断增多，风力发电站、光伏发电站建设项目受到了重视，但是不管是风力发电站还是光伏发电站，在运行中会有大量弃风弃光现象的出现，如何在实现节能的基础上进一步将弃风弃光的电量储存起来，在需要时再循环利用是当前广大风电光伏发电站需要重点思考的问题。从天然气能源应用的角度来看，如果能将弃风弃光的电量通过电解水的方法制成氢气，然后再和天然气掺混，通过天然气加氢工艺技术储存为可供日常生活生产所需的天然气，既满足了消费需求，又减少了弃风弃光的现象，不但节约了能源而且还会降低对环境的污染。为此，必须提高对天然气加氢工艺技术应用的重视程度，探究天然气掺氢工艺，研究天然气掺氢并利用天然气管道输送到用户端的可行性。依次进行天然气加氢工艺，采用分离工段、氢气合成、综合利用氢气工艺满足去除煤气杂质的要求，将煤气汇总进一步拖车u煤气的焦油雾滴，得到符合工艺要求的天然气产品。

2 天然气加氢工艺化学反应机理和工艺流程

2.1 天然气加氢工艺化学反应机理

在天然气掺氢中，是将已经通过电解水制成的氢气和天然气混合，可脱去天然气产品中的饱和烯烃和产品中的硫、氮、氧和金属杂质，从而提升产品的稳定性，保证其颜色、气味和燃烧性能符合使用要求。加氢通过电化学作用在天然气分离过程中发生。

2.2 天然气加氢工艺流程

天然气制氢的工艺流程由原料气处理、蒸汽转化、CO变换和氢气提纯四大单元组成。原料气处理单元，采用MnO和ZnO脱硫剂脱去H2S和SO2。需要处理大量的天然气的脱硫原料，处理要求高，因此在压缩原料气时，一般较大的离心式压缩机是优选设备。

蒸汽转化单元中转化炉的型式、结构各有特点，上、下集气管的结构和热补偿方式以及转化管的固定方式也不同。水蒸气为氧化剂，在镍催化剂的作用下得到制取氢气的转化气，将烃类物质转化，在蒸汽转化单元中一般采用高温转化和相对较低水碳比的工艺操作，对流段换热器设置参数有利于转化深度的提高，从而节约原料消耗。

CO变换单元含一定量的CO，转化炉送来的原料气，变换的作用是使CO在催化剂存在的条件下，与水蒸气反应而生成CO2和H2。按照变换温度分，变换工艺可分为高温变换（350～400℃）和中温变换（低于300～350℃）。

3 天然气加氢工艺准备

3.1 原料和产品

加氢工艺的原料有由电解水生成的氢气，将这些原料由泵送到加氢装置进行天然气掺氢制作。在加氢精制前还要确定好加氢产品的指标与转化率指标。

3.2 设备

加氢装置设备包括混气撬、反应设备、压缩设备、冷换设备、加氢高压分离器、加氢高压换热器等。在加氢反应前应根据加氢工艺的需要确定合适的反应器数量并进行配置，反应器内设置三个床层，并在床层间设置喷射盘和再分配盘。

4 天然气加氢工艺技术存在的问题和改造完善措施

4.1 天然气加氢工艺技术存在的问题

传统的加氢工艺中，水蒸气为氧化剂，在镍催化剂的作用下将烃类物质转化，得到制取氢气的转化气。转化炉、上、下集气管的结构和热补偿方式以及转化管的固定方式各有不同。对流段换热器设置不同，一般在蒸汽转化单元都采用了高温转化和相对较低水碳比的工艺操作参数设置有利于转化深度的提高，从而节约原料消耗。但是由于燃料成本逐渐升高，直接制约天然气余热收集再利用，，在制氢过程中烟道出口温度过高，导致很多热量浪费，烟道气出口温度仍然很高，浪费了大量热能，昂贵的设备也带来成本升高的问题。另外，制氢过程中会残生大量的二氧化碳，不仅会带来资源浪费，工艺实施中产生的二氧化碳过量直接会影响环境。

4.2 天然气加氢工艺技术改造和完善

对天然气加氢工艺进行改进，是为了对原有加氢反应器的反应温度、燃烧配风比等运行参数进行合理的调整与控制，从而起到优化运行、环保生产和节能降耗的作用。在具体措施方面，进为在满足加氢基本要求和设备运行安全稳定的基础上，可在加氢炉出口位置设置合理的降温设施，从而可减少加氢炉内燃烧气的消耗。此外，多次实验测试氧化燃烧配风比进行合理设置，确定相应的伴烧蒸汽用量，既能满足燃烧产氢的量，又能减少燃烧过程中结焦现象的出现。

天然气分离预处理工序，提取纯氢气工序，完成真空变压，甲烷液化，经过预处理脱离多余二氧化碳，进行氢气等组分的加入，氢气的提出工序降低能耗，根据加氢反应设计合理的温度条件，在低温状态下去除堵塞的成分和腐蚀的成分，根据加氢反应的温度设计要求，在满负荷运行状态下，做好加氢反应器的反应温度、燃烧配风比等参数的设置，适当降低炉出口温度，确定相应的伴烧蒸汽用量，经过测试，降低出口温度的试验保持24小时的温度梯次的运行，保证装置内的化学反应充分，并控制尾气吸收塔排放的尾气含量。在测试中如果发现加氢器出口温度较低时出现多次灭火的现象，表明在该温度范围内加氢炉内燃烧不稳定，通过增加一个梯度的温度再次测试，气液化装置采用混合冷剂进行制冷配置，经过氰化物的混合、冷凝、蒸发、膨胀得到不同温度水平的制冷量，通过操作温度的控制，降低尾气吸收塔的排放尾气硫化和有机硫，减少加氢炉内燃烧气用量，可相应减少尾气的排放量。第二，根据燃料气的组分计算装置使用的燃料气含量，并根据实际加氢装置情况合理设置配风比的范围，并进行测试后对配风比进行合理调整，与急冷塔顶气相反应后的氢量比较确定合适的配风比范围，然后根据加氢炉内燃烧结焦的速度确定最终配风比值。

5 天然气加氢过程中需要注意的事项

通过开展尾气处置装置的标定，250摄氏度为加氢反应炉最佳的操作温度，通过控制操作温度，尾气吸收塔的硫化氢小于50ppm,加氢燃料气550NM3/H。燃烧配封闭根据普光净化装置，计算燃烧器每摩尔燃烧需要9.5322mol空气，防止积碳和结焦的情况发生。

氢气作为装置的原料气，氢气一旦发生泄漏也会引起火灾、爆炸等事故。加氢装置中含有高浓度的硫化氢，在反应过程中若使硫化氢随着废气排出就会使人中毒甚至死亡。因此，必须对装置设置安全防护设施，且现场人员必须采取防毒措施，严格按照操作步骤开展。另外，要求加强现场电气管理，做好对管线、管件、阀门等设施的检查检测，做好严格的管线焊接技术质量控制，加强现场安全巡查，这些都是降低现场安全事故、保证加氢精制顺利完成的必须采取的措施。

6 结语

综上所述，加氢精制的目的是降低天然气原料及其产品中的硫含量，但因为单纯的加氢脱硫无法起到大幅度降低含硫量的效果，所以还需要通过提升催化剂的制作质量、选择先进的加氢装置设备，掌握加氢精制的工艺原理和流程，对加氢原料和产品质量进行控制，才能使最终产品符合生产使用要求。