天然气制氢装置增设CO2回收工艺的影响及对策

严江峰，朱军(中国石化塔河炼化有限责任公司，新疆 库车 842000)

0 引言

CO2的增加影响了地球正常的大气循环，使气候发生了变化。近年来，科学家发现由于CO2剧增，导致地面热量不能顺利散发到太空，全球气温普遍上升，整个地球成了巨大的温室。因此，人们又把CO2叫做“温室气体[1]”。为减少二氧化碳的排放，人们采取各种措施，如推广清洁能源。中国石化塔河炼化有限责任公司在制氢装置试点开展CO2捕集回收，减少碳排放。

1 捕集装置概述

中国石化塔河炼化有限责任公司20 000 Nm3/h制氢装置以天然气、炼厂干气为原料，通过压缩机升压，经过加氢、脱硫，配入蒸汽然后经过预转化、转化、中变反应后，产出氢气体积含量75%中温变换气，再经过十塔变压吸附，产出纯度99.99%氢气[2-3]，副产的解吸气中CO2体积含量46%，解吸气体积浓度为20%羟乙基乙二胺的贫液在吸收塔充分接触，吸收PSA尾气中的CO2。吸收后的富液经过解吸释放出富液中CO2。CO2捕集装置未开工前，副产气全部送入转化炉燃烧。CO2捕集装置开工后，经过CO2捕集装置吸收CO2后尾气中CO2体积含量0.08%，尾气全部送入转化炉再次燃烧，减少转化炉碳排放。

捕集装置简要流程如图1所示。

图1 捕集装置简要流程

2 CO2捕集装置开工后部分参数变化

2.1 捕集前后气体组分变化

对比CO2捕集装置开工前后气体组分变化，数据为同负荷下三天的平均值，具体数据如表1所示。

从表1可以看出，贫液对二氧化碳的吸收效果较好，体积吸收率为98.7%。由此可知经过吸收塔后的气体，体积份数减少47.87%。

表1 二氧化碳捕集前后组分对比

2.2 外输蒸汽温度与流量的对比

转化炉剩余热量经过废热锅炉转变为蒸汽，蒸汽温度的变化可看出高品位热量的传递效率。

如表2所示，捕集装置开工后外输蒸汽流量变化较小，外输蒸汽温度下降近10 ℃，影响中压蒸汽品质，严重时导致蒸汽湿度增加，汽轮机低压叶片腐蚀加速[4]。从CO2捕集装置标定结果来看，若捕集装置持续增加负荷，每提高10%的负荷，转化炉上部温度需升高约3 ℃；同时出口温度下降约0.27 ℃，外输蒸汽温度下降约0.9 ℃，若严格维持外输蒸汽温度不变，则需消耗更多燃料气。转化炉对流室温度下降，炉膛上部温度上升，高品位热量难以传递转化，致使蒸汽温度下降。

表2 捕集装置开工前后外输蒸汽变化数据表

3 存在问题

3.1 传热介质减少

从上述种种现象可以看出，CO2捕集装置开工后，吸收PSA尾气中的CO2，导致传热介质减少，为保证工艺指标增大燃料气量，但增加燃料气必将增加转化炉的热负荷，热量难以带走。大部分热量聚集在炉膛上部，导致上部温度增加。在对流段强制换热介质减少，换热面积不变时，输入热量减少，取热介质温度必将降低。

3.2 捕集装置负荷较小

捕集装置开工后，热量聚集在炉膛上部，炉管普遍偏红，为保证炉膛不超温，炉管不发生高温蠕变[5]避免炉管内转化剂高温积碳失活，CO2捕集装置负荷仅在40%，水碳比由开工前的3.1 mol/mol提高至3.3 mol/mol控制，能耗明显增加。

3.3 外输蒸汽温度低

外输蒸汽温度由平均值372 ℃降至356 ℃，输入中压蒸汽管网后严重影响中压蒸汽品质，增加中压蒸汽湿度，降低蒸汽温度，不能满足气压机运行。

4 结语

根据目前捕集装置的瓶颈及对制氢转化炉的影响，建议原加热炉检测为一年两次，通过检测炉膛温度、炉管表面温度对流室入口温度，根据燃料量、排烟温度、对流室入口温度，计算炉膛内消耗热量、富裕热量，间接地检测出转化炉炉管的运行情况。

在捕集装置负荷方面，建议在烟气引风机出口增设一路管道至空气预热器过热段出口，在不影响氧含量的情况下，增加传热介质，同时为避免氮氧化物增加，建议采用低氮燃烧器，这样可以在原有转化炉改造量较小的条件下增加捕集负荷。