天然氣制氫技術在氯堿生產中的應用

易遵勇 段穎英（新疆華泰重化工有限責任公司 新疆烏魯木齊 830019）

在氯堿的生產加工過程中， 一套年產離子膜燒堿30 萬噸，PVC 樹脂40 萬噸的裝置每年富余氯氣1.5 萬噸。 但是氯產品的市場空間有限，對于貯存和運輸的要求也較高。 另外，氯的生產平衡也直接影響到了燒堿和PVC 的產量， 大大影響社會效益和經濟效益。 利用天然氣制氫技術提高生產過程中富余氯氣的有效利用率，增產氯化氫，從而大大提高PVC 的產量。

一、方案的可行性探討分析

天然氣制氫裝置需要較大的投資， 所以我國目前在小規模的企業裝置上選用天然氣制氫裝置的企業很少， 只有在規模大的生產企業進行有效配置，才能凸顯其可觀的經濟效能。 一般選用天然氣制氫裝置，要求企業具有優越的地理條件，可利用石油資源豐富，天然氣充足的地理優勢，制氫技術生產氫氣成本大大降低， 不僅能節省資源解決PVC 和燒堿生產過程中氯氣的貯存和運輸難題，更能給企業帶來可觀的經濟效益。 現如今，國內已有很多企業正在嘗試利用天然氣制氫技術建設小規模的制氫裝置，利用此項技術生產氫氣已經逐漸成為也起平衡氯堿生產，提高經濟效益的首選。

二、平衡多余氯氣所需氫氣的流量

我們以年產量為18 萬噸的離子膜燒堿為依據計算，得出以下的理論數據：

在氫氣（H2）和氯氣（Cl2）合成氯化氫（HCl）的過程中有H2：Cl2=1.05∶1.00≈1.10∶1.00（以1.10：1.00 計算），有標準狀態先多余的氯氣（Cl2）量為：

扣除在其他生產過程中氯氣自用量約30m3/h， 則可計算標準狀態下需用氫氣（H2）的用量為：

另外，要考慮到系統裝置的穩定性和實際操作，應該選用氫氣（H2)產量為600（m3/h）的天然氣制氫設備生產足夠的氫氣。

三、 天然氣制氫的流程解析

天然氣制氫氣主要經過三個過程：原料天然氣脫硫、天然氣蒸汽轉化以及變壓吸附。

1、燃料天然氣脫硫

在一定的溫度和壓力條件下， 原料天然氣通過氧化錳（MnO）和氧化鋅（ZnO）脫硫劑脫硫，將原料天然氣中的有機硫和H2S 脫硫至0.2μL/L 以下， 用以滿足蒸汽轉化脫硫劑對硫的條件，主要反映反應原理如下：

2、天然氣和蒸汽變換

高壓壓縮已脫硫天然氣和水蒸氣， 使其按照一定比例的水碳比進行混合加熱，并和和鎳催化劑在750～850℃的高溫作用之下， 使甲烷氣體和水蒸氣在轉化管中充分反映， 轉化成為含有H2、CO 以及CO2的混合氣體。 在此過程中，轉化混合氣體經過高溫反應，CO 又和水蒸氣參與反應產生CO2和H2氣體。 此反應過程需要大量的熱量，需要外界進行供熱，轉化過程中所需熱量由轉化爐中的輻射段提供足夠的熱量供應。 其主要反映原理為：

上式中一氧化碳 （CO） 的變化為： 當轉化氣中CO 含量為13%左右時，在一定的溫度條件（中溫反應）下，使CO 與水蒸氣在催化劑的作用下發生反應生成氣體CO2和H2，并發熱。

CO 的變換在中溫條件下進行， 中溫變換有利于平衡反應，提高CO 的轉化率，進而極大變換的速度和深度，有效提高單位原材料的氫氣（H2）的產量。通常為了簡化生產工藝的流程，并最大限度的節省投資，天然氣制氫技術只利用一段變換就足夠。

3、變壓吸附裝置（PSA）

變壓吸附裝置（PSA）的作用是吸附并提純氫氣，此裝置利用物理吸附，沒有化學反應作用其中，吸附速度快，參與吸附的各種物質之間的動態平衡瞬間完成。 并且此過程為可逆過程，能建構成有效的可再生循環吸附系統，有效分離氫氣并提純，節省成本。

采用PSA 裝置吸附分離并提純氫氣， 是利用吸附劑對不同相態的物質的選擇性以及吸附劑在不同壓力下對吸附質的吸附容量的差異性，在高壓條件下，吸附原材料中的雜質，低壓時，脫附雜質使吸附劑循環再生的原理來進行的。 此過程在環境溫度下即可完成操作。 變壓吸附可簡單分為吸附和再生兩個步驟，其中再生是指吸附劑再生，可通過以下步驟實現：(1)降壓吸附塔壓力至低壓。 首先順放PP，即隨吸附的方向來降壓，此過程部分吸附劑仍然是吸附狀態；接著逆放D，即沿著吸附的反方向降壓，此過程，部分雜質解吸并被及時排出。 (2)在低壓條件下，用純氫沖洗吸附劑，清除吸附劑中的殘留雜質。 (3)用純氫升壓吸附塔壓力至吸附壓力，以備下次分離提純。

四、 精工操控，提高使用壽命

在整套的制氫裝置中，脫硫劑催化劑都有一定的使用壽命，這就需要我們通過精心看管，細致的操作，才能有效延長這些催化劑的使用壽命。 裝置運行中水炭比一般要求控制在4.0 以上，一旦蒸汽與天然氣的配比失衡時，將出現甲烷在轉化管中裂解，從而導致轉換管積炭的情況。 在生產過程中穩定控制壓力和溫度變換，在不影響設備正常運轉情況下，緩慢勻速的增減產量。嚴格控制壓力差和溫度升降速率，保證壓力差變化低于0.3MPa/h，溫差變化低于60℃/h，從而避免溫差和壓力差的劇烈變化對各種催化劑造成的負面影響，增加各種催化劑的有效使用壽命，節省經濟投資。

結束語：

天然氣制氫技術的應用，以自身有利因素生產氫氣，不僅解決了氯堿行業生產燒堿流程中難以貯運的富余氯氣， 還能有效避免液氯市場空間有限對企業生產的制約，減少資源耗費，此技術的利用還增加了PVC 的產量，有效提高企業的經濟效益，實現企業的可持續發展。

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