天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝

譚俊

四川虹加氣體有限公司 四川成都 610100

相較于其他資源而言，天然氣本身便是一種清潔能源，它對(duì)環(huán)境造成的污染較小，且來(lái)源較為廣泛，所以天然氣的采集和制造成本也相對(duì)較低，作為化工的原材料來(lái)說(shuō)能夠具有很高的經(jīng)濟(jì)效益。

1 天然氣蒸汽制氫工藝概述

天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝所采用的主要技術(shù)為烴類水蒸氣轉(zhuǎn)化生產(chǎn)技術(shù)，它利用PSA提純技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的氫氣生產(chǎn)，在整體轉(zhuǎn)化的過(guò)程中，將天然氣中的烴類與水蒸氣進(jìn)行反應(yīng)，從而制造出含有氫氣，二氧化碳和一氧化碳的混合氣體，再通過(guò)提純技術(shù)來(lái)使其中的氫氣純度進(jìn)行不斷提升，最終得到高純度的氫氣。實(shí)際數(shù)據(jù)顯示通過(guò)該項(xiàng)工藝所生產(chǎn)的工業(yè)氫，其程度可以高達(dá)99.9%[1]。

在天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝及其裝置的設(shè)計(jì)過(guò)程中，要遵循以下幾個(gè)重要原則，一是要保證技術(shù)的先進(jìn)性和工藝的穩(wěn)定性在整個(gè)氫氣的生產(chǎn)過(guò)程中，一方面要考慮到能耗和污染等對(duì)工藝發(fā)展的影響，另一方面要考慮在生產(chǎn)氫氣過(guò)程中整個(gè)裝置的穩(wěn)定性，避免發(fā)生一系列的事故。二是要在設(shè)計(jì)的過(guò)程中盡可能選擇國(guó)產(chǎn)的設(shè)備，也要保證在投資生產(chǎn)的過(guò)程中能夠兼顧經(jīng)濟(jì)收益，通過(guò)國(guó)產(chǎn)設(shè)備來(lái)降低前期資金的投入。三是要在相關(guān)裝置的設(shè)計(jì)及使用過(guò)程中，要嚴(yán)格按照國(guó)家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)定來(lái)確保整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的安全。

天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝的裝置主要由7個(gè)部分構(gòu)成，其中包括壓縮部分、精制部分、轉(zhuǎn)化與熱量回收部分、冷卻處理部分、變壓吸附氫提純以及蒸汽發(fā)生部分。對(duì)于原料的選擇而言，干項(xiàng)工藝技術(shù)的原料為天然氣，為了解決原材料數(shù)量不足的問(wèn)題，在制氫過(guò)程中可以通過(guò)重整氫的提濃技術(shù)來(lái)解決，原材料的選擇應(yīng)當(dāng)按照PPG的要求嚴(yán)格執(zhí)行。

2 天然氣蒸汽制氫工藝的優(yōu)勢(shì)

在對(duì)天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝及其裝置有了簡(jiǎn)單的了解之后，我們便可以對(duì)該項(xiàng)工業(yè)裝置的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行更為深入的探究，了解其在實(shí)際應(yīng)用中為何能夠得到如此廣泛的應(yīng)用。

2.1 能源消耗較少

縱觀整個(gè)工藝的發(fā)生過(guò)程，我們可以發(fā)現(xiàn)，在該項(xiàng)技術(shù)過(guò)程中由于蒸汽本身的比熱容較高，所以在反應(yīng)時(shí)中可以實(shí)現(xiàn)反應(yīng)余熱的反復(fù)使用，這對(duì)于能源的利用率有了大大的提升。再加上整體裝置的熱量穩(wěn)定性較強(qiáng)，能夠避免再次加熱所造成的能源消耗，這些對(duì)于大型工業(yè)裝置來(lái)說(shuō)有極為重要的損失和影響。在對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行穩(wěn)定性強(qiáng)化后還可以進(jìn)一步減少能源的消耗，這對(duì)于工藝流程的經(jīng)濟(jì)效益來(lái)說(shuō)有著很大的幫助。

2.2 操作步驟簡(jiǎn)單

天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝的操作步驟和原理是十分簡(jiǎn)便的，縱觀整個(gè)流程雖然內(nèi)部反應(yīng)較為復(fù)雜，但是生產(chǎn)的裝置具有半自動(dòng)化的特征，在工人進(jìn)行實(shí)際操控時(shí)難度并不高，車間運(yùn)行和停止都不需要技術(shù)人員進(jìn)行太多的操作。在對(duì)這一工藝實(shí)施過(guò)程中的轉(zhuǎn)化問(wèn)題進(jìn)行思考后，我們可以發(fā)現(xiàn)整項(xiàng)技術(shù)所應(yīng)用到的設(shè)備，主要以空分設(shè)備和PSA設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)的控制，而這些設(shè)備的操作也是極為簡(jiǎn)便的，對(duì)于相關(guān)技術(shù)人員也沒(méi)有過(guò)多額外的要求，這進(jìn)一步降低了對(duì)整個(gè)流程的操作步驟[2]。

2.3 裝置投入較低

任何一項(xiàng)工藝流程得到大范圍的應(yīng)用，必然離不開(kāi)其成本較低的投入。首先分析整個(gè)工藝流程的原材料，天然氣作為極為常見(jiàn)的一種原材料，相較于煤和石油來(lái)說(shuō)，在自然界中分布極為廣泛，所花費(fèi)的價(jià)格也容易得到控制。然后是構(gòu)成整個(gè)工藝流程的具體裝置，整個(gè)工藝流程對(duì)于低溫段的材質(zhì)要求實(shí)際上并不是很高，在具體的實(shí)施過(guò)程中，也沒(méi)有由壓力和腐蝕所造成對(duì)材質(zhì)的要求，所以在對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，一方面不需要采取要求極高的管道材質(zhì)，同時(shí)也減輕了裝置設(shè)計(jì)的難度，這大大降低了整個(gè)工藝流程所需要的資金投入。

2.4 安全性能較強(qiáng)

天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝技術(shù)在實(shí)施的過(guò)程中，需要考慮到氫氣與富氧混合燃燒的問(wèn)題，這一過(guò)程對(duì)于實(shí)際操作和設(shè)計(jì)都有很大的影響，所以在具體的裝置設(shè)計(jì)過(guò)程中，要考慮到裝置的安全性能，盡可能的提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使操作過(guò)程能夠避免一切安全事故的發(fā)生。

3 相關(guān)裝置的使用流程

在高純度氫氣的制取和提純方面，主要要經(jīng)歷以下幾個(gè)環(huán)節(jié)，首先要裝置外部的天然氣和自產(chǎn)氫氣混合，將原料經(jīng)過(guò)加壓后送入到換熱器中，在換熱器內(nèi)便需要將原材料進(jìn)行持續(xù)加熱，通過(guò)加熱來(lái)實(shí)現(xiàn)加氫反應(yīng)的發(fā)生，然后通過(guò)脫硫處理將這一反應(yīng)過(guò)程中所產(chǎn)生的有機(jī)硫得以轉(zhuǎn)化，并將反應(yīng)后物料中所含的氯含量得以控制。

其次在進(jìn)行材料處理后將原料氣體與水蒸氣進(jìn)行充分混合，并在對(duì)流段進(jìn)行預(yù)熱，在預(yù)熱達(dá)到500攝氏度之后進(jìn)入轉(zhuǎn)換爐中，在轉(zhuǎn)換爐內(nèi)原料氣體中的烴類與水蒸氣發(fā)生反應(yīng)，因此產(chǎn)生大量的氫氣和一氧化碳?xì)怏w，也有少量的甲烷氣體并未完全發(fā)生反應(yīng)，這些氣體將在離開(kāi)轉(zhuǎn)化爐后進(jìn)入到廢熱鍋爐中，通過(guò)冷卻系統(tǒng)使氣體的溫度得到降低，并在這一過(guò)程中得到進(jìn)一步的反應(yīng)，產(chǎn)生二氧化碳與氫氣，然后產(chǎn)生反應(yīng)的氣體將會(huì)在溫度降低后進(jìn)入到PSA提純?cè)O(shè)備內(nèi)。在PSA處理提純的環(huán)節(jié)將會(huì)對(duì)不同種類的氣體進(jìn)行吸附和提純操作，將氣體中的大部分雜質(zhì)得以清除，使氫氣的程度得到逐漸提升。在PSA提純的過(guò)程中，要通過(guò)吸附劑的降壓、逆放、升壓等多項(xiàng)步驟使氫氣的流量和壓力趨于穩(wěn)定，在這一過(guò)程中，氫氣的產(chǎn)生和提純都可以得到很好的保障，使氫氣的回收率得到進(jìn)一步提升。

4 結(jié)語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝所具備的特點(diǎn)使其在工業(yè)制氫中能夠得到很好的應(yīng)用，其所需要的原料和資金投入相對(duì)較低，操作過(guò)程也較為簡(jiǎn)便。在投入大范圍使用的過(guò)程中，唯一需要注意的便是要嚴(yán)格按照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行氫氣的生產(chǎn)，也要保證整個(gè)裝置在氫氣生產(chǎn)的過(guò)程中可以保證其穩(wěn)定性和安全性。