通过捕集制氢PSA解吸气内CO2气体实现制氢生产节能降耗

陈旭东 马瑞

摘要：本论文以天然气制氢装置及CO2 捕集装置为背景进行讨论。天然气制氢装置PSA解吸气一般做为制氢转化炉辅助燃料利用。此过程中约占解吸气组分50%（体积）的CO2气体并不参与燃烧反应，但依然被加热到约1000℃，加热此部分气体浪费了热源，同时如果转化炉后续烟气余热回收系统不合理还需能耗降低烟气外排温度。本论文讨论通过捕集解吸气中CO2气体的方法降低入炉燃烧解吸气中的无用组分，最终达到制氢生产节能降耗的目标。

关键词：制氢；解吸气；CO2捕集；节能降耗

1前言

本论文以已投用的两套装置（天然气制氢装置及CO2 捕集装置）为背景，以设计数据为基础计算分析制氢装置PSA解吸气做为转化炉燃料气回收利用前捕集回收掉解吸气内多余CO2組分对降低制氢装置能耗的贡献。论文对于CO2捕集装置能耗不做讨论，对于CO2捕集回收后作为商品出售的价值不做讨论。

1.1天然气制氢装置简介

本制氢装置是以天然气为原料，通过天然气转化反应，中温变换反应，PSA变压吸附技术最终产出纯度99.9%以上工业用氢气。装置设计加工负荷11200Nm3/h，产氢量35000 Nm3/h。本装置PSA解吸气设计量16664 Nm3/h（具体组份见表1）.由于解吸气中含H2，CH4及CO具有燃烧热值，所以本装置流程将解吸气返回转化炉做为原料燃烧，以节省转化炉燃料天然气用量。这也是大部分制氢装置的流程设计。

1.2 CO2 捕集装置简介

CO2 捕集装置以化学吸收法为原理，利用低温下溶剂（MEA）与CO2发生化学反应将其吸收，加热时饱和吸收剂发生吸收的逆反应将 CO2 解吸出来。该法适用于CO2分压较低，净化度 要求高的情况，由于吸收过程中发生化学变化，吸收剂需要加热才能再生，因此需要一定的能耗。

MEA 的分子式为 NH2CH2OH，胺基具有较强的碱性，与 CO2 反应的速度较快，吸 收容量大，广泛应用于净化装置中。

CO2 捕集装置以制氢装置PSA解吸气为原料，吸收提取CO2气体后，解吸气返回制氢转化炉燃烧，CO2气体压缩液化后供油田驱油使用。经过CO2 捕集后的解吸气中CO2气体含量<10%

2制氢装置能耗结构分析

本制氢装置与2012年投产，一直保持正常生产，装置能耗结构分析以装置能耗报表为基础。现以2017年制装置能耗年报进行分析见表3

根据年报数据，氢气能耗主要来自用水，用电，燃料天然气，其中尤以燃料天然气量为重，占能耗比123%。因此如何降低燃料天然气的用量，是能否降低制氢装置能耗的关键。

3设计负荷下制氢PSA解吸气内CO2捕集后，制氢装置的能耗降低计算

如上文所述，制氢PSA解吸气返回转化炉燃烧，但解吸气中CO2 组份实际不参与燃烧放热，同时还要作为烟气的一部分被由40℃加热到1000℃，是极大的热能浪费。通过CO2捕集后，解吸气内CO2含量降低，由原来的50%降低至10%。这部分不再作为烟气被加热而吸收热量，本质上节省转化炉燃料气的用量。以下将以设计符合数据为基准，计算CO2捕集后，转化炉燃料天然气的理论减少量。

取表1中制氢PSA解吸气设计量：8586.68 Nm3/h，设为a；取表2中CO2含量：10%，设为b。设被捕集的CO2量为c。则计算得：

C=（1-b）*a=（1-10%）*8586.68=7728.012 Nm3/h

即理论负荷下，解吸气如炉前被铺集的CO2量为：7728.012 Nm3/h

查石油石化工艺计算图标，CO2在25℃时的焓值为：Hi（25）=50.834 kcal/kg，在1000℃时的焓值为：Hi（1000）315.09 kcal/kg换算后得：Hi（25）= 2236.696 kcal/kmol， Hi（1000）13863.96 kcal/ kmol。

根据焓值计算把7728 Nm3CO2气体由25℃加热至1000℃所需的热量Q吸为：表4

表4：计算表

以天然气热值8400 kcal/Nm3，则：将7728方CO2由40℃加热至1000℃所需的天然气量X为：

X=4011406/8400=477.5 Nm3。

4结论

根据计算，在设计符合下，天然气制氢装置及CO2 捕集装置正常运行时，制氢装置转化炉能够节省天然气477.5 Nm3/h。

5结束语

以烃类化合物制氢的装置，只收集利用H2是不合算的，应该综合考虑C组分物质的回收利用。，其实C组分回收的优势还有C产品的开发利用，C排放指标的控制等，是烃类化合物化工综合利用不可缺少的一环。本文只是从制氢能耗一个角度分析回收C组分的优势。

参考文献

[1]北京石油设计院《石油化工工艺计算图表》 烃加工出版社 1985.12。

[2]王献红，王佛松《二氧化碳废气回收利用技术》化学工业出版社 2011.06。

[3]《克拉玛依石化甲醇厂PSA驰放气13.5万吨/年二氧化碳吸收及7万吨/年液化一期项目可行性研究报告》中国昆仑工程公司 2014.10。

[4]汪寿建《天然气综合利用技术》化学工业出版社 2004.05。

（作者单位：中石油克拉玛依石化有限责任公司）