制氫裝置流程及關(guān)鍵設(shè)備介紹

制氫裝置流程及關(guān)鍵設(shè)備介紹第1頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五關(guān)鍵設(shè)備介紹裝置概述工藝原理工藝過程裝置概述工藝原理主要內(nèi)容主要內(nèi)容**石化公司第2頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五16萬標(biāo)方/小時制氫裝置是公司的新建裝置

一、裝置概述工藝路線：主要單元：原料精制、預(yù)轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)化、高溫變換、變壓吸附以天然氣、干氣和石腦油為原料的輕烴水蒸汽轉(zhuǎn)化法主要產(chǎn)品：合格氫氣用氫單位：渣油加氫、加氫裂化、柴油加氫、硫磺等第3頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五

一、裝置概述技術(shù)路線：造氣部分引進(jìn)Technip公司低能耗蒸汽轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)吸附部分采用成都華西工業(yè)氣體有限公司PSA凈化工藝技術(shù)特點：技術(shù)先進(jìn)、成熟可靠、靈活節(jié)能轉(zhuǎn)化爐的參數(shù)特點：三高：高轉(zhuǎn)化入口溫度、高轉(zhuǎn)化出口溫度、高碳空速一低：低水碳比特點：代表當(dāng)今較先進(jìn)的制氫技術(shù)水平。第4頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五

二、工藝原理

預(yù)轉(zhuǎn)化氣在轉(zhuǎn)化爐管內(nèi)通過轉(zhuǎn)化催化劑的作用，與配入的水蒸汽發(fā)生蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)，生成氫氣和一氧化碳，同時伴生CO2和少量的殘余CH4。核心反應(yīng)

轉(zhuǎn)化氣中含有的一氧化碳在變換催化劑的作用下與水蒸汽發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)一步生成氫氣和二氧化碳。

原料氣在一定的溫度、壓力和空速條件下，借助加氫催化劑、脫硫劑、脫氯劑作用，把原料氣中硫化物、氯化物脫除，以保護(hù)后續(xù)催化劑的正常運行。

精制原料氣在預(yù)轉(zhuǎn)化催化劑的作用下，烴類發(fā)生一系列的熱裂解、脫氫、甲烷化反應(yīng)，生成甲烷和氫氣。輕烴蒸汽轉(zhuǎn)化法制氫過程原料凈化蒸汽預(yù)轉(zhuǎn)化蒸汽轉(zhuǎn)化CO高溫變換第5頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五

烴類的蒸汽轉(zhuǎn)化是將烴類與蒸汽轉(zhuǎn)化為H2和CO，同時伴生CO2和少量的殘余CH4.CH4+H20→CO+3H2CO+H20→CO2+H2

二、工藝原理化學(xué)反應(yīng)機(jī)理加氫脫硫反應(yīng)硫醇加氫:R-SH+H2→RH+H2S硫醚加氫:R-S-R’+H2→RH+R’H+H2S

加氫反應(yīng)是制氫工藝中一個重要的反應(yīng)，它是原料精制部分的起始步驟，它進(jìn)行的好壞將直接影響到下一步脫硫反應(yīng)的進(jìn)行。加氫反應(yīng)的主要作用是把原料氣中復(fù)雜的有機(jī)硫通過加氫反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵蔚臒o機(jī)硫，即硫化氫。脫硫反應(yīng)是加氫生成的硫化氫與氧化鋅反應(yīng)，將硫進(jìn)行脫除的過程。噻吩加氫:C4H4S+4H4→C4H10+H2S二硫化碳加氫：CS2+H2→CH4+H2S氧化鋅脫硫：H2S+ZnO→ZnS+H20預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)

預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)是原料氣和水蒸汽在高活性鎳催化劑上發(fā)生反應(yīng)烴類轉(zhuǎn)化成甲烷的過程：

CmHn+mH20→mCO+(m+n/2)H2CO+3H2→CH4+H20CO+H20→CO2+H2轉(zhuǎn)化反應(yīng)

CO高溫變換是將轉(zhuǎn)化氣中的CO與水蒸氣繼續(xù)反應(yīng)生成CO2和氫氣。

CO+H20→CO2+H2高溫變換反應(yīng)第6頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五PSA

變壓吸附是對氣體混合物進(jìn)行分離提純的工藝過程，該工藝是多孔性固體物質(zhì)內(nèi)部表面對氣體分子的物理吸附?；旌蠚怏w中的雜質(zhì)組分在高壓具有較大的吸附能力，低壓下具有較小的吸附能力，變壓吸附就是利用這種原理吸附、解析，達(dá)到循環(huán)吸附解析過程。

分子篩對一般氣體分子的吸附順序:

H2<N2<CH4<CO<CO2變壓吸附（PSA）

二、工藝原理第7頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五三、工藝過程預(yù)轉(zhuǎn)化原料氣升壓及脫硫

轉(zhuǎn)化生產(chǎn)工藝過程PSA高溫變換第8頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五

自系統(tǒng)管網(wǎng)來的干氣經(jīng)壓縮機(jī)升壓后，與自界區(qū)來的天然氣混合進(jìn)入裝置，混合后原料壓力4.0MPa（G）。

進(jìn)入脫硫部分的原料氣，首先經(jīng)過鈷鉬加氫反應(yīng)器，在鈷鉬催化劑的作用下發(fā)生氫解反應(yīng)，把有機(jī)硫轉(zhuǎn)化為無機(jī)硫，有機(jī)氯轉(zhuǎn)化為氯化氫。然后，加氫后的原料氣通過脫硫反應(yīng)器床層，脫硫反應(yīng)器頂部裝有脫氯劑，下層裝有氧化鋅，在此氯化氫與氧化鈣反應(yīng)，生成氯化鈣，氧化鋅與硫化氫發(fā)生反應(yīng)，生成硫化鋅，達(dá)到脫氯、脫硫的目的。精制后的氣體中硫含量小于0.1ppm，進(jìn)入預(yù)轉(zhuǎn)化部分。三、工藝過程預(yù)轉(zhuǎn)化原料氣升壓及脫硫

轉(zhuǎn)化生產(chǎn)工藝過程PSA高溫變換第9頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五預(yù)轉(zhuǎn)化三、工藝過程原料氣升壓及脫硫

自系統(tǒng)管網(wǎng)來的干氣經(jīng)壓縮機(jī)升壓后，與自界區(qū)來的天然氣混合進(jìn)入裝置，混合后原料壓力4.0MPa（G）。

進(jìn)入脫硫部分的原料氣，首先經(jīng)過鈷鉬加氫反應(yīng)器，在鈷鉬催化劑的作用下發(fā)生氫解反應(yīng)，把有機(jī)硫轉(zhuǎn)化為無機(jī)硫，有機(jī)氯轉(zhuǎn)化為氯化氫。然后，加氫后的原料氣通過脫硫反應(yīng)器床層，脫硫反應(yīng)器頂部裝有脫氯劑，下層裝有氧化鋅，在此氯化氫與氧化鈉反應(yīng)，生成氯化鈉，氧化鋅與硫化氫發(fā)生反應(yīng)，生成硫化鋅，達(dá)到脫氯、脫硫的目的。精制后的氣體中硫含量小于0.1ppm，進(jìn)入預(yù)轉(zhuǎn)化部分。

精制后的原料氣，按水碳比2.3mol/mol與工藝蒸汽混合，再經(jīng)轉(zhuǎn)化爐對流段中原料/蒸汽預(yù)熱段預(yù)熱至470℃，進(jìn)入預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)器。預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)器為一絕熱反應(yīng)器，在催化劑的作用下，發(fā)生一系列的熱裂解、催化裂解、脫氫、加氫、積碳、氧化、變換、甲烷化反應(yīng)，生成富含甲烷的氣體。第10頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五三、工藝過程

轉(zhuǎn)化

出預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的氣體富含甲烷，溫度426℃，按總水碳比2.85mol/mol配入工藝蒸汽，再經(jīng)轉(zhuǎn)化爐對流段預(yù)熱至595℃，由上集合管進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐輻射段。

轉(zhuǎn)化爐管內(nèi)裝有催化劑，在催化劑的作用下，原料氣與水蒸氣發(fā)生復(fù)雜的轉(zhuǎn)化反應(yīng)，整個反應(yīng)過程表現(xiàn)為強(qiáng)吸熱過程，反應(yīng)所需熱量由轉(zhuǎn)化爐燃燒氣提供。出轉(zhuǎn)化爐的高溫轉(zhuǎn)化氣經(jīng)轉(zhuǎn)化蒸汽發(fā)生器發(fā)生中壓蒸汽后，溫度降至340℃進(jìn)入高溫變換部分.第11頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五三、工藝過程高溫變換

由轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器來的340℃轉(zhuǎn)化氣進(jìn)入高溫變換反應(yīng)器，在催化劑的作用下發(fā)生變換反應(yīng)，將變換氣中CO降至3%左右。為了提高CO的變換率，增加產(chǎn)品氫的收率，變換部分設(shè)置兩段反應(yīng)器。第一段反應(yīng)器出口殘余CO含量約為4.4%，出口溫度約416℃。第一段反應(yīng)器出口變換氣經(jīng)過冷卻至340℃后，進(jìn)入第二段反應(yīng)器進(jìn)一步發(fā)生變換反應(yīng)，反應(yīng)出口溫度為352℃，殘余CO含量降至3.0%左右，變換氣經(jīng)一系列的換熱器冷卻降溫至40℃，并經(jīng)分水后進(jìn)入PSA部分。第12頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五PSAPSA三、工藝過程PSAPSAPSAPSA

來自造氣部分壓力為2.3MPa(G)，溫度40℃的變換氣，進(jìn)入PSA部分。

產(chǎn)品氫氣經(jīng)壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)壓后送至加氫裝置作為原料。PSA的原料氣自吸附塔底進(jìn)入正處于吸附工況的吸附塔內(nèi)，在其中多種吸附劑的依次選擇吸附下，一次性除去氫以外的幾乎所有雜質(zhì)，獲得純度大于99.9%的產(chǎn)品氫氣。

塔底的解吸氣經(jīng)穩(wěn)壓后送至轉(zhuǎn)化爐作為燃料。第13頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五

變換轉(zhuǎn)化加氫脫硫氫氣蒸汽燃料氣PSA天然氣干氣石腦油預(yù)轉(zhuǎn)化三、工藝過程輕烴蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝流程模塊圖第14頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五制氫裝置工藝流程圖三、工藝過程第15頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五四、關(guān)鍵設(shè)備介紹---轉(zhuǎn)化爐轉(zhuǎn)化爐

頂燒爐底燒爐側(cè)燒爐梯臺爐

轉(zhuǎn)化爐為制氫裝置的核心設(shè)備，通過轉(zhuǎn)化爐烴類和水蒸汽發(fā)生一系列的反應(yīng)，生成氫氣和其它副產(chǎn)物。第16頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五四、關(guān)鍵設(shè)備介紹---轉(zhuǎn)化爐

頂燒爐以I.C.I和Kellogg為代表

燃燒器布置在輻射室頂部，轉(zhuǎn)化管受熱形式為單排管受雙面輻射，火焰與爐管平行，垂直向下燃燒，煙氣下行，從爐膛底部煙道離開輻射室。這種爐型的對流室均布置在輻射室旁邊。大型化的制氫爐大都選用頂燒爐（約占75%）。返回第17頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五四、關(guān)鍵設(shè)備介紹---轉(zhuǎn)化爐側(cè)燒爐以丹麥TOPSφE公司為代表燃燒器在輻射室的側(cè)墻，火焰附墻燃燒。早期轉(zhuǎn)化管的受熱形式多為爐膛中間的雙排管受側(cè)墻的雙面輻射，由于受熱形式不好，操作條件苛刻時，爐管易彎曲，現(xiàn)在大部分都改為單排管受雙面輻射的形式。這種爐子的煙氣上行，對流室置于輻射室頂部，大型裝置的對流室考慮到結(jié)構(gòu)及檢修等原因，對流室經(jīng)常放置在輻射室旁邊。返回第18頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五四、關(guān)鍵設(shè)備介紹---轉(zhuǎn)化爐梯臺爐以美國FOSTERWHEELER（福斯特*惠勒）公司為代表輻射室側(cè)墻呈梯臺形，燃燒器火焰沿傾斜爐墻平行燃燒，通過爐墻向轉(zhuǎn)化管輻射傳熱。與側(cè)燒爐類似，轉(zhuǎn)化管可以為雙排或單排。這種爐子的對流室全部置于輻射室頂部，煙氣上行，采用自然抽風(fēng)，沒有引風(fēng)機(jī)。返回第19頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五四、關(guān)鍵設(shè)備介紹---轉(zhuǎn)化爐底燒爐目前多用于小型裝置燃燒器位于輻射室底部，煙氣上行。

第20頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五1、提供的熱量與介質(zhì)流向相同，適合轉(zhuǎn)化反應(yīng)的要求。2、爐管受熱均勻，有利于延長爐管的使用壽命。3、燃燒器數(shù)量少，調(diào)節(jié)方便，維護(hù)量小。4、占地面積小，對流段設(shè)置于地面上，安裝和檢修都較為方便，汽包安裝高度亦大大降低。

我公司制氫裝置采用頂燒爐四、關(guān)鍵設(shè)備介紹---轉(zhuǎn)化爐特點圖片第21頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五四、關(guān)鍵設(shè)備介紹---轉(zhuǎn)化爐傳熱方式熱強(qiáng)度及管壁溫度分布結(jié)構(gòu)特點操作便利性工況的適應(yīng)爐型結(jié)構(gòu)比較第22頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五

爐型結(jié)構(gòu)比較傳熱方式

頂燒爐的燃燒器安裝在輻射室頂部，火焰從上往下燒，煙氣流動方向與轉(zhuǎn)化管內(nèi)介質(zhì)流動方向相同，傳熱方式為并流傳熱。側(cè)燒爐燃燒器安裝在輻射室側(cè)墻，火焰附墻燃燒，通過輻射墻對轉(zhuǎn)化管傳熱，煙氣流動方向與管內(nèi)介質(zhì)流動方向相反，傳熱方式錯流傳熱。梯臺爐的燃燒器排數(shù)比側(cè)燒爐要少，是一種改進(jìn)的錯流傳熱。底燒爐為逆流傳熱。

第23頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五

爐型結(jié)構(gòu)比較工況的適應(yīng)

頂燒爐上部供熱較多，轉(zhuǎn)化管采用抗積碳性能好的催化劑時，可以很好的和轉(zhuǎn)化反應(yīng)相匹配，在反應(yīng)最激烈處能供給最多的熱量，燃料放熱分布與反應(yīng)吸熱分布較協(xié)調(diào)。但爐管縱向溫度不能調(diào)節(jié)，在操作末期或催化劑積碳時，上部反應(yīng)較少，管內(nèi)介質(zhì)溫度升高很快，造成轉(zhuǎn)化爐管的管壁溫度升高，對爐管壽命有影響，設(shè)計管壁溫度也需要較大的裕量。

側(cè)燒爐和梯臺爐可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)沿爐管長度方向受熱的負(fù)荷，對不同工況的適應(yīng)情況較好。第24頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五爐型結(jié)構(gòu)比較熱強(qiáng)度及管壁溫度分布

不同的傳熱方式，導(dǎo)致不同爐型具有不同的熱強(qiáng)度和管壁溫度分布。頂燒爐火焰集中在爐膛頂部，所以該處輻射傳熱能力非常強(qiáng)，具有非常高的局部熱強(qiáng)度，同時該處的管壁溫度也為最高。最高管壁溫度和熱強(qiáng)度同時在轉(zhuǎn)化管頂部出現(xiàn)峰值是頂燒式轉(zhuǎn)化爐的特點。該特點造成轉(zhuǎn)化管有較高的設(shè)計壁溫。對于側(cè)燒和梯臺轉(zhuǎn)化爐，燃燒器均勻分布在沿管長方向的不同標(biāo)高，輻射傳熱比較均勻，可避免該峰值，從而降低設(shè)計壁溫，減少轉(zhuǎn)化管壁厚，節(jié)約高合金爐管，或允許較高的轉(zhuǎn)化氣出口溫度，以降低殘余甲烷，提高氫的產(chǎn)率。在管壁設(shè)計溫度相同時，側(cè)燒爐和梯臺爐可以允許較大的總平均管壁熱強(qiáng)度，這樣傳熱面積會相應(yīng)減少，轉(zhuǎn)化管數(shù)量有所下降。底燒爐在傳熱性能上，具有爐頂熱強(qiáng)度低，爐底熱強(qiáng)度高的特性，因而爐管壁溫變化最大，特別是爐底處爐管壁溫是所有爐型中最高，對爐管壽命十分不利，為了控制最高管壁熱強(qiáng)度不超標(biāo)，只能選用很低的平均熱強(qiáng)度，造成管材的巨大浪費，所以大型裝置都不采用底燒爐。第25頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五爐型結(jié)構(gòu)比較結(jié)構(gòu)特點

頂燒爐的所有轉(zhuǎn)化管排均在同一爐膛內(nèi)，排列比較緊湊，節(jié)省占地面積，適于大型化。側(cè)燒爐和梯臺爐由于是兩個輻射室并列排列，所以在爐管數(shù)量相同時，占地面積較大，大型化有一定的困難。

頂燒爐的燃燒器數(shù)量較少，密集排列在爐頂，燃料配管及空氣配管相應(yīng)簡化，但爐頂結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。側(cè)燒爐燃燒器數(shù)量較多，分布在輻射室側(cè)墻，燃料配管及空氣配管較多。

第26頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五操作便利性操作情況

頂燒爐的燃燒器都集中在爐頂，造成爐頂?shù)牟僮鳁l件比較惡劣，由于爐頂?shù)臏囟确浅８?，爐頂布置又非常緊密，正常操作過程中調(diào)節(jié)燃燒器有一定難度。側(cè)燒爐和梯臺爐的燃燒器均布置在側(cè)墻，操作條件和緩，對正常操作好處較大。但側(cè)燒爐由于燃燒器數(shù)量較多，點火時花費的時間比頂燒爐要長。

第27頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五四、關(guān)鍵設(shè)備介紹---壓縮機(jī)

原動機(jī)帶動曲軸旋轉(zhuǎn)，而曲軸通過連桿與活塞桿相連，連桿將曲軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為活塞的往復(fù)運動，活塞在汽缸內(nèi)對氣體進(jìn)行壓縮．工作過程演示整個工作過程分吸氣、壓縮和排氣三個過程壓縮機(jī)的理想工作過程是：①壓縮機(jī)沒有余隙容積，②吸、排氣過程沒有阻力損失，③吸、排氣過程中與外界沒有熱量交換；④沒有泄漏。

由于壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)、制造、裝配、運轉(zhuǎn)等方面的需要，氣缸中某些部位留有一定的空間或間隙，將這部分空間或間隙稱為余隙容積第28頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五

往復(fù)式壓縮機(jī)工作過程返回第29頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五四、關(guān)鍵設(shè)備介紹---壓縮機(jī)實體圖結(jié)構(gòu)圖機(jī)體曲軸連桿活塞組閥門軸封油泵能量調(diào)節(jié)裝置油循環(huán)系統(tǒng)第30頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五壓縮機(jī)整體1－氣缸；2－活塞；3－氣缸；4－氣閥；5-填料；6－活塞桿；7－十字頭；8－連桿；9－曲軸；10－機(jī)身；11－滑道；12－擋油圈；13－中體；14－流量調(diào)節(jié)器（補(bǔ)助余隙容積）；15－流量調(diào)節(jié)器（壓、開進(jìn)氣閥）；16－潤滑油泵；17－注油器壓縮機(jī)實體圖第31頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五壓縮機(jī)實體圖第32頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五

氣固相催化反應(yīng)器可分三大類：固定床反應(yīng)器；流化床反應(yīng)器；移動床反應(yīng)器。固體催化劑顆粒堆積起來所形成的固定床層靜止不動，氣體反應(yīng)物自上而下流過床層，進(jìn)行反應(yīng)的裝置稱作固定床反應(yīng)器。四、關(guān)鍵設(shè)備介紹---反應(yīng)器第33頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五第34頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五4.1.1固定床反應(yīng)器的優(yōu)缺點固定床層內(nèi)的氣相流動接近平推流，有利于實現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)化率與選擇性；可用較少量的催化劑和較小的反應(yīng)器容積獲得較大的生產(chǎn)能力；結(jié)構(gòu)簡單、催化劑機(jī)械磨損小，適合于貴金屬催化劑；反應(yīng)器的操作方便、操作彈性較大。第35頁，共43頁，2023年，2月20日，星期五相對于流化床反應(yīng)器，固定床反應(yīng)器缺點催化劑顆粒較大，有效系數(shù)較低；催化劑床層的傳熱系數(shù)較小，容易產(chǎn)生局部過熱；催化劑顆粒的更換費事，不適于容易失活的催化劑。