煤制氫聯(lián)產(chǎn)甲醇裝置中PSA尾氣優(yōu)化配置

龔雪飛

（福陸 （中國(guó)）工程建設(shè)有限公司，上海 200000）

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)汽柴油中硫含量的要求愈加嚴(yán)格，其中車用汽油的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) （GB17930）對(duì)硫含量的要求從2011年的0.015%（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）降到了2016年的0.005%（不大于50mg／kg），而車用柴油的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) （GB19147）對(duì)硫含量的要求從2013年的不大于350mg／kg下調(diào)到了不大于50mg／kg。油品硫含量指標(biāo)的升級(jí)，煉油原料高硫劣質(zhì)化和催化重整制芳烴受限等因素提升了中國(guó)煉廠的氫氣需求［1］。

目前國(guó)內(nèi)大型煉化一體化項(xiàng)目?jī)H靠回收重整氫氣，乙烯副產(chǎn)氫氣及其它裝置的氫氣無(wú)法滿足全廠的氫氣需求，仍需新建或擴(kuò)建制氫裝置。而煤制氫技術(shù)路線相較于干氣和輕油制氫以及天然氣制氫，具有技術(shù)成熟，附加效益高等優(yōu)勢(shì)，因而被越來(lái)越多地應(yīng)用到煉化一體化項(xiàng)目中［2］。隨著國(guó)內(nèi)項(xiàng)目規(guī)模的不斷擴(kuò)大，其配套的煤制氫規(guī)模也在提升，氫氣回收率的提高越來(lái)越得到重視［3］。本文即對(duì)正在規(guī)劃階段的一套煤制氫裝置的PSA尾氣的綜合利用進(jìn)行研究討論。

1 項(xiàng)目介紹

本項(xiàng)目為一套具有千萬(wàn)噸煉油，百萬(wàn)噸乙烯的大型煉化一體化項(xiàng)目，并配有一套煤制氫裝置為全廠提供氫氣，燃料氣以及甲醇。項(xiàng)目初期規(guī)劃中，煤制氫裝置的PSA為單級(jí)變壓吸附，提氫后的尾氣被直接送到燃料氣管網(wǎng)。氫氣總收率按90%計(jì)算，全廠氫氣及PSA尾氣組成見(jiàn)表1和表2。

表1 氫氣來(lái)源

表2 單級(jí)PSA尾氣組成

從表1看出，煤制氫的產(chǎn)氫量占全廠用氫量的38%，對(duì)氫氣的供應(yīng)乃至全廠平穩(wěn)操作起到了重要作用。對(duì)于大型項(xiàng)目來(lái)講，該裝置具有優(yōu)化意義。從表2看出單級(jí)PSA尾氣中氫氣含量依然很高，達(dá)到了82.8%，具有較高的回收價(jià)值。

2 PSA尾氣優(yōu)化方案比選

2.1 三種方案對(duì)煤制氫裝置的影響

本文對(duì)煤制氫裝置的PSA尾氣回收共做了三種配置方案的比較：

1）方案1。原規(guī)劃流程，采用一級(jí)PSA提氫，氫氣回收率按90%計(jì)算，尾氣送至燃料氣管網(wǎng)。

2）方案2。采用兩級(jí)PSA提氫。一級(jí)PSA尾氣加壓后送至二級(jí)PSA，進(jìn)一步提氫。總氫氣回收率按98.8%計(jì)算，尾氣送至燃料氣系統(tǒng)。

3）方案3。采用一級(jí)PSA提氫，氫氣回收率按90%計(jì)算，尾氣作為原料送至甲醇合成裝置。

通過(guò)全廠氫平衡計(jì)算，煤制氫裝置每年需提供14.1萬(wàn)噸氫氣。規(guī)劃的甲醇產(chǎn)量為20萬(wàn)t／a。通過(guò)計(jì)算，三種方案對(duì)于煤制氫裝置的影響如表3所示。

表3尾氣回收方案對(duì)煤制氫裝置影響

由表3看出，方案2在增加了二級(jí)PSA提氫后，在總氫氣產(chǎn)量不變的前提下，由于提高了氫氣回收率，PSA所需的有效合成氣量降低了19366m3／h。煤制氫投煤量較方案1降低了5.3%。

方案3的計(jì)算中，在甲醇總產(chǎn)量不變的基礎(chǔ)上保持了甲醇合成總進(jìn)料的碳?xì)浔?.05［即所以甲醇裝置的總進(jìn)料條件以及尾氣條件和工況1基本相同。可以說(shuō)采用方案3基本上可以把尾氣中氫氣全部回收。另一方面由于甲醇合成中一氧化碳和二氧化碳也是主反應(yīng)物，所以對(duì)這兩種氣體也實(shí)現(xiàn)了更高價(jià)值的回收利用，反映到合成氣消耗上，也就節(jié)省的更多。最后經(jīng)過(guò)計(jì)算，通過(guò)回收一級(jí)PSA尾氣作為甲醇合成原料，可以減少補(bǔ)充合成氣30869 m3／h。通過(guò)全流程物料衡算，煤制氫裝置投煤量較方案1降低了8%。

通過(guò)進(jìn)一步回收尾氣中的氫氣以及有效氣體，可以看出方案2和3都使煤制氫裝置的投煤量在一定程度上降低了，且方案3的作用更為突出。另外由于方案2需要增設(shè)一級(jí)PSA尾氣壓縮機(jī)，且由于該制氫裝置對(duì)于全廠操作的穩(wěn)定性非常重要，所以該壓縮機(jī)需要設(shè)置兩臺(tái) （一開一備），投資較大，由此更凸顯了方案3的優(yōu)勢(shì)。

2.2 三種方案對(duì)燃料氣平衡的影響

全廠各裝置產(chǎn)出的可用尾氣，包括從煤制氫裝置中PSA單元產(chǎn)出的尾氣是全廠燃料氣的主要來(lái)源之一，但仍有較大缺口。考慮到燃料氣穩(wěn)定性對(duì)全廠連續(xù)操作的重要性，在規(guī)劃時(shí)決定外補(bǔ)燃料氣中一部分由煤制氫裝置中的甲烷化單元提供，另一部分則由天然氣提供。通過(guò)計(jì)算，三種方案的全廠燃料氣平衡如表4所示。

表4 燃料氣平衡

由表4看出，由于方案2和方案3對(duì)PSA尾氣進(jìn)行了進(jìn)一步回收，其為全廠提供的燃料氣都有所減少，相應(yīng)的外供天然氣的量就要增加。相較于方案1，方案2的天然氣消耗量增加了50MW，約為3.26萬(wàn)t／d。而方案3的天然氣消耗量則增加了71MW，約為4.59萬(wàn)t／d。

2.3 經(jīng)濟(jì)性分析

綜合比較三種方案，方案2和方案3通過(guò)進(jìn)一步回收PSA尾氣中的氫氣，從而降低了煤制氫裝置的投煤量以及相應(yīng)的公用工程消耗，提高了該裝置的經(jīng)濟(jì)性。但是從燃料氣平衡上來(lái)講，由于其提供的燃料氣減少而增加了外補(bǔ)天然氣的量。為了進(jìn)一步明確各方案的整體優(yōu)劣，對(duì)三種方案進(jìn)行了操作費(fèi)用的比較。由于各方案均對(duì)其他裝置的操作費(fèi)用沒(méi)有影響，所以僅分析了煤制氫裝置和外補(bǔ)天然氣的操作費(fèi)用。

從表5看出，方案2較方案1年操作費(fèi)用降低了4533萬(wàn)元／年，方案3降低了8064萬(wàn)元／年，所以本裝置最終采用方案3，即將PSA尾氣回收作為甲醇合成進(jìn)料為最佳方案。由此可以看出雖然煤制氫在國(guó)內(nèi)的制氫方法中比較經(jīng)濟(jì)，但是其成本仍然較高，所以煤氣化裝置投煤量減少帶來(lái)的操作費(fèi)用降低比相應(yīng)天然氣耗量增加更為顯著。

表5 經(jīng)濟(jì)性分析

3 結(jié)論

大型煉化一體化項(xiàng)目對(duì)氫氣的需求量比較高，從各方面總體評(píng)估國(guó)內(nèi)大多采用煤制氫的技術(shù)路線，但其單位成本較高，所以對(duì)于氫氣的高效回收利用一直是項(xiàng)目追求的利益點(diǎn)。針對(duì)本項(xiàng)目的流程配置特點(diǎn)，本文對(duì)煤制氫尾氣中氫氣的回收利用進(jìn)行了三種方案的比較分析，即在基礎(chǔ)方案上利用二級(jí)PSA進(jìn)一步回收利用一級(jí)PSA尾氣中的氫氣，或?qū)⒁患?jí)PSA尾氣作為原料送給甲醇合成裝置。通過(guò)比較分析，將PSA尾氣作為甲醇合成原料可以更大程度上降低煤制氫裝置的投煤量及操作費(fèi)用，為項(xiàng)目帶來(lái)更高的經(jīng)濟(jì)效益。