天然氣制氫裝置增設CO2回收工藝的影響及對策

嚴江峰，朱軍(中國石化塔河煉化有限責任公司，新疆 庫車 842000)

0 引言

CO2的增加影響了地球正常的大氣循環，使氣候發生了變化。近年來，科學家發現由于CO2劇增，導致地面熱量不能順利散發到太空，全球氣溫普遍上升，整個地球成了巨大的溫室。因此，人們又把CO2叫做“溫室氣體[1]”。為減少二氧化碳的排放，人們采取各種措施，如推廣清潔能源。中國石化塔河煉化有限責任公司在制氫裝置試點開展CO2捕集回收，減少碳排放。

1 捕集裝置概述

中國石化塔河煉化有限責任公司20 000 Nm3/h制氫裝置以天然氣、煉廠干氣為原料，通過壓縮機升壓，經過加氫、脫硫，配入蒸汽然后經過預轉化、轉化、中變反應后，產出氫氣體積含量75%中溫變換氣，再經過十塔變壓吸附，產出純度99.99%氫氣[2-3]，副產的解吸氣中CO2體積含量46%，解吸氣體積濃度為20%羥乙基乙二胺的貧液在吸收塔充分接觸，吸收PSA尾氣中的CO2。吸收后的富液經過解吸釋放出富液中CO2。CO2捕集裝置未開工前，副產氣全部送入轉化爐燃燒。CO2捕集裝置開工后，經過CO2捕集裝置吸收CO2后尾氣中CO2體積含量0.08%，尾氣全部送入轉化爐再次燃燒，減少轉化爐碳排放。

捕集裝置簡要流程如圖1所示。

圖1 捕集裝置簡要流程

2 CO2捕集裝置開工后部分參數變化

2.1 捕集前后氣體組分變化

對比CO2捕集裝置開工前后氣體組分變化，數據為同負荷下三天的平均值，具體數據如表1所示。

從表1可以看出，貧液對二氧化碳的吸收效果較好，體積吸收率為98.7%。由此可知經過吸收塔后的氣體，體積份數減少47.87%。

表1 二氧化碳捕集前后組分對比

2.2 外輸蒸汽溫度與流量的對比

轉化爐剩余熱量經過廢熱鍋爐轉變為蒸汽，蒸汽溫度的變化可看出高品位熱量的傳遞效率。

如表2所示，捕集裝置開工后外輸蒸汽流量變化較小，外輸蒸汽溫度下降近10 ℃，影響中壓蒸汽品質，嚴重時導致蒸汽濕度增加，汽輪機低壓葉片腐蝕加速[4]。從CO2捕集裝置標定結果來看，若捕集裝置持續增加負荷，每提高10%的負荷，轉化爐上部溫度需升高約3 ℃；同時出口溫度下降約0.27 ℃，外輸蒸汽溫度下降約0.9 ℃，若嚴格維持外輸蒸汽溫度不變，則需消耗更多燃料氣。轉化爐對流室溫度下降，爐膛上部溫度上升，高品位熱量難以傳遞轉化，致使蒸汽溫度下降。

表2 捕集裝置開工前后外輸蒸汽變化數據表

3 存在問題

3.1 傳熱介質減少

從上述種種現象可以看出，CO2捕集裝置開工后，吸收PSA尾氣中的CO2，導致傳熱介質減少，為保證工藝指標增大燃料氣量，但增加燃料氣必將增加轉化爐的熱負荷，熱量難以帶走。大部分熱量聚集在爐膛上部，導致上部溫度增加。在對流段強制換熱介質減少，換熱面積不變時，輸入熱量減少，取熱介質溫度必將降低。

3.2 捕集裝置負荷較小

捕集裝置開工后，熱量聚集在爐膛上部，爐管普遍偏紅，為保證爐膛不超溫，爐管不發生高溫蠕變[5]避免爐管內轉化劑高溫積碳失活，CO2捕集裝置負荷僅在40%，水碳比由開工前的3.1 mol/mol提高至3.3 mol/mol控制，能耗明顯增加。

3.3 外輸蒸汽溫度低

外輸蒸汽溫度由平均值372 ℃降至356 ℃，輸入中壓蒸汽管網后嚴重影響中壓蒸汽品質，增加中壓蒸汽濕度，降低蒸汽溫度，不能滿足氣壓機運行。

4 結語

根據目前捕集裝置的瓶頸及對制氫轉化爐的影響，建議原加熱爐檢測為一年兩次，通過檢測爐膛溫度、爐管表面溫度對流室入口溫度，根據燃料量、排煙溫度、對流室入口溫度，計算爐膛內消耗熱量、富裕熱量，間接地檢測出轉化爐爐管的運行情況。

在捕集裝置負荷方面，建議在煙氣引風機出口增設一路管道至空氣預熱器過熱段出口，在不影響氧含量的情況下，增加傳熱介質，同時為避免氮氧化物增加，建議采用低氮燃燒器，這樣可以在原有轉化爐改造量較小的條件下增加捕集負荷。