煤制氢变换单元压降对压缩功耗的影响及优化

(中石化宁波工程有限公司，浙江 宁波 315103)

煤制氢是将煤通过气化工艺产生以CO、H2为主要成分的粗煤气，然后再经过CO变换、酸性气体脱除、氢气提纯等工艺过程获得一定纯度的氢气产品。其中CO变换是煤制氢装置的主要工艺单元，通过粗煤气中的CO与水蒸气发生变换反应，将其中的CO转化为H2。煤制氢装置的操作压力一般由气化单元的压力决定，目前常用煤气化工艺的操作压力等级一般包括：压力为1.0～2.0 MPa的低压气化和压力为3.0～6.5 MPa的中压气化。如果气化的操作压力不能满足氢气产品的要求，则后续需要设置压缩机以提升氢气产品的压力。压缩机入口压力的变化对其功耗的影响比较大，而在煤制氢装置的总压降中，变换单元压降的占比最高，因此，降低变换单元的压降对减少煤制氢装置压缩机功耗起到至关重要的作用，直接影响着装置的经济性。

1 煤制氢装置的压降分析

煤制氢装置主要由气化单元、变换单元、净化单元、氢气提纯单元组成。工艺流程见图1。

图1 煤制氢工艺流程

对于气化单元，气化炉产出的粗煤气经冷却、除尘、洗涤塔洗涤后送至变换单元。工艺气系统的压力损失主要来源于除灰、洗涤及管道输送，产生压降的设备较少，工艺气在气化单元的压降一般在0.2 MPa左右。

在变换单元中，气化单元送来的粗煤气要经过脱毒槽、多台变换炉、多台换热器、多台分液罐、氨洗塔后送往净化单元。工艺气经过的各类设备多、输送管线长，因此产生的压降较高，一般在0.4～0.6 MPa左右。

净化单元主要是脱除变换气中的H2S、CO2等酸性气体。一般采用低温甲醇洗或其他脱硫、脱碳工艺，如MDEA、NHD工艺等。这些工艺中，压降基本为吸收塔产生的压力损失，工艺气在本单元的压降一般在0.2 MPa左右。

氢气提纯常采用的工艺主要有变压吸附(PSA)法或甲烷化法。PSA工艺产出的氢气纯度高，粗氢气经过PSA吸附器脱除杂质后送出界区，压降一般在0.05 MPa左右。甲烷化工艺产出的氢气纯度略低，粗氢气需经过ZnO脱硫槽、甲烷化炉、换热器、分离器后送出界区，压降一般在0.15～0.2 MPa左右。

对于用变压吸附(PSA)法提纯氢气的煤气化制氢装置，包括各单元界区间的管线输送产生的压降，总压降基本在0.9～1.1 MPa左右。对于用甲烷化法提纯氢气的煤气化制氢装置，总压降更高一些。

基于上述分析，在煤制氢装置中，工艺气在变换单元经过的设备最多、管道最长，压力损失最大；而在其他各单元中经过的设备、管道相对较少，产生的压降不高，压降优化的空间较小。因此，降低煤制氢装置的总压降应从变换单元着手。

2 中、低压制氢装置压缩机功耗随压降的变化

下面分别以1.6 MPa(g)等级的低压煤制氢和4.0 MPa(g)等级的中压煤制氢装置为例(二者均采用变压吸附(PSA)法提纯氢气并设置产品氢气压缩机)，分析装置压降变化对压缩功耗的影响。

2.1 压缩机入口压力与功率的关系

压缩机功率的计算方法较为复杂，若只是分析压缩机入口压力对压缩功耗的影响，则可从简化计算的理想状态——定温过程的压缩机功率来计算。定温过程压缩机功耗计算公式见式(1)。

(1)[1]

入口介质温度T1及压缩机出口压力P2一定时，对入口压力P1求导得：

(2)

其中，W为压缩机功率；n为介质的物质的量；R为气体常数；T1为压缩机入口介质温度；P1，P2为分别为压缩机入口、出口介质压力。

由上式可以看出压缩机入口压力与功率的关系：当温度T1一定时，压缩机入口压力P1越低，压缩机功耗随P1的变化率越大，即压缩机入口压力越低，入口压力的变化对压缩机功耗的影响越大。

2.2 中、低压制氢装置压缩机功耗随压降的变化情况

对于同样规模及介质的中压与低压制氢装置，由于压力不同造成的介质密度的差异，按照经济流速选择管径时，计算出的中压装置的压降将比低压装置的压降要大一些。下面分析中压与低压制氢装置在同样的压降情况下，压降变化对压缩功耗的影响。

以下分别以低压煤气化炉出口压力为1.6 MPa(g)，氢气压缩机出口压力要求达到1.8 MPa、2.2 MPa时；以及中压煤气化炉出口压力为4.0 MPa(g)，氢气压缩机出口压力要求达到5.5 MPa、6.5 MPa、8.0 MPa时为例，假设粗煤气量为223 192 kg/h(250 494 Nm3/h)，最终氢气产量为90 000 Nm3/h，并进入压缩机升压。按照煤气化制氢装置总压降分别为0.90/0.95/1.0/1.05/1.1 MPa时，对压缩机所需的功率进行计算，计算结果见表1～5。

表1 低压煤制氢装置压降对压缩机功耗的影响1

表2 低压煤制氢装置压降对压缩机功耗的影响2

由表1～2数据可见，在煤气化炉出口压力为1.6 MPa(g)的情况下，与装置上游具有的压头1.6 MPa(g)相比，制氢装置的总压降损失占比高，即约有一半以上的压力能损失在装置内各单元内，工艺气进入压缩机入口的压力较低。此时，当装置的总压降损失每减少0.05 MPa，即压缩机入口压力每提高0.05 MPa时，压缩机功耗将降低约230～330 kW左右，降低幅度是较大的。

表3 中压煤制氢装置压降对压缩机功耗的影响1

表4 中压煤制氢装置压降对压缩机功耗的影响2

表5 中压煤制氢装置压降对压缩机功耗的影响3

由表3～5数据可见，在煤气化炉出口压力较高为4.0 MPa(g)情况下，与装置上游具有的压头4.0 MPa(g)相比，制氢装置的总压降损失占比相对较低，即有25%～30%的压力能损失在装置内各单元内，工艺气进入压缩机入口的压力相对较高。此时，当装置的总压降损失每减少0.05 MPa时，即压缩机入口压力每提高0.05 MPa时，压缩机功耗将降低约50～60 kW，与低压煤制氢装置相比，降低幅度小得多。

为了更直观地显示上述不同压力等级的制氢装置的压降对于压缩机功耗的影响，根据表1和表5各数据分别给出了压降相同、压缩机功耗接近时，功耗随制氢装置压降的变化曲线见图2。

图2 压缩机功耗随制氢装置压降的变化曲线

由图2可以看出，低压煤制氢装置压缩机功耗随压降的变化率远大于高压煤制氢装置，即压缩机入口压力较低时，压降变化会引起压缩机功耗的显著变化。

综上所述，若煤制氢装置后续设有压缩机，与中压煤制氢相比，低压煤制氢装置后续压缩机的入口压力较低，降低压降即提高压缩机入口压力，使压缩机功耗降低幅度更大。因此，有效降低低压煤制氢装置的压降对降低压缩功耗及装置运营成本更有意义。

3 变换单元压降对压缩机功耗的影响及优化

煤制氢装置变换单元的典型流程见图3。变换单元的压降主要有两部分：管道压力降和设备压力降。

图3 一段中温+两段低温变换工艺流程注：1—气液分离器；2—中温变换炉；3—低温变换炉；4—变换气第一分离器；5—变换气第二分离器；6—变换气氨洗塔

3.1 变换设备压降对压缩机功耗的影响及优化

变换单元的主工艺气主要经过脱毒槽、变换炉、换热器、气液分离器和氨洗塔这4类设备。气液分离器相较其他设备压降较小，一般只有250～500 Pa[2]，对于压降控制意义不大，因此不作过多分析。变换气氨洗塔的塔盘数量较少，压降一般在5 kPa左右，压降降低空间也不大。换热器及变换炉的压降较大，是变换单元设备压降的主要影响因素。

变换单元常用的换热器为管壳式管热器，工程设计中进行换热器的选型计算时，都会根据装置的操作压力等级、允许压降范围等因素对换热器的压降进行优化，选取合理的压力降，做到经济合理。

变换炉是变换单元的主要设备，它是内装催化剂的固定床反应器，与本单元内的其他设备相比，变换炉的压降比较高。而煤制氢装置要求的变换深度高，一般需要多台变换炉串联才能将粗煤气中的CO基本都转变成氢气。因此，变换炉在变换单元设备压降的占比较高。

变换炉按内部结构的不同分为轴向变换炉、轴径向变换炉、径向变换炉、等温变换炉。其中，轴向变换炉中的变换气是轴向通过催化剂床层，床层较高、压降较大，一般在50～70 kPa。而对于轴径向变换反应器、径向变换反应器，等温变换反应器，变换气是径向进入催化剂床层，这些反应器的共同特点是反应器内件结构较复杂，但流通面积增大、气体流路短、阻力明显降低，一般低于30 kPa。在装置规模较大时，由于催化剂装填量多，导致床层增高，此时采用径向类型变换炉则降低床层压降的效果更加明显。

对于表1～5的举例，假定煤制氢总压降为第一行所列压降，即1.1 MPa时，3台变换炉采用的是轴向反应器，此时每台轴向反应器的压降约为0.05 MPa，则3台变换炉的总压降约为0.15 MPa。如果将这3台变换炉改用轴径向反应器，此时每台轴径向反应器的压降为0.02 MPa，则3台变换炉的总压降降至0.06 MPa，即3台变换炉改用轴径向反应器，将使煤制氢总压降比原来减少0.09 MPa，此时装置总压降将由1.1 MPa降至为1.01 MPa，若近似按1.0 MPa算，可以从表1～5的第三行所列数据看出，变换炉改用压降低的轴径向炉对后续压缩机功耗的影响程度。对于上述条件的低压变换，压缩机功耗将降低600 kW左右；对于上述条件的中压变换，压缩机功耗将降低100 kW左右。

从上述分析可见，无论低压还是中压变换，采用轴径向或径向型变换炉时压降降低显著，对降低压缩机功耗具有显著作用，特别对于低压变换的影响程度更大。因此，优化变换单元设备的压降，重点应对变换炉结构型式的优化，对于较大型装置，建议采用轴径向变换反应器、径向变换反应器、等温变换反应器等。

3.2 变换管道压降对压缩机功耗的影响及优化

变换单元的主工艺气经历的管道长，其管道阻力损失远远高于其他单元。如果能对变换单元的管道压降进行优化，则对降低制氢装置总压降也能起到重要作用。

管路系统的阻力降主要包括直管阻力降和管道附件的局部压力降，其中管道附件可以折合成直管长度。管道压力降基本计算公式见式(3)；按照预定介质流速确定管径的基本计算公式见式(4)；综合公式(3)、(4)可导出的管道压力降计算公式如式(5)：

(3)[3]

(4)

(5)

其中，ΔPf为摩擦压力降，kPa；W为管内介质的质量流量，kg/h；λ为直管阻力系数，无因次；l为直管长度，m；d为管道内径，mm；ρ为流体密度，kg/m3；u为流速，m/s。

公式(5)中，直管阻力系数λ主要与介质流动状态(雷诺数)、管壁的绝对粗糙度相关；直管长度l与工艺流程设置及管道布置方式有关。从上述公式可以看出，对于流量一定的介质，流速u对摩擦压力降ΔPf的影响最大，其次流体密度ρ对ΔPf的影响也比较大。

中压变换工艺气的密度比低压变换工艺气的密度大得多，因此，处理能力相同、介质流速相同的中压变换比低压变换的管道压降更大。

下面再分别以低压和中压煤制氢的变换装置为例，分析计算一下工艺气管道(粗煤气、变换气)流速变化导致管道阻力变化，对后续压缩机功耗的影响。

当然实际工程中变换单元内各段工艺管线的流速不会完全相同，本文为了方便比较流速变化对管线压降的影响，假定单元内每段管线的管径及流速都是相同的。

对于表1的低压煤制氢变换装置，假定3台变换炉均采用轴径向反应器，假定工艺管线的流速为20 m/s时，装置总压降为第3行所列数据1.0 MPa，此时压缩机入口压力0.60 MPa(g)，现将管线流速逐步降低至15m/s，计算变换单元管线流速变化对低压煤制氢的总压降及压缩机功率的影响(见表6)。

表6 低压煤制氢变换单元管线流速对总压降及压缩机功率的影响

从表6可看出，对于低压变换，工艺气密度较小，变换管线百米压降较小。当管线流速从20 m/s逐步降低至15 m/s时，管线的百米压降将由5.26 kPa降低至2.51 kPa，降低了2.75 kPa。在本示例假定的流量下，选用管线内径的变化范围为639～737 mm，管线流速每降低1 m/s，管线百米压降将降低约0.43～0.66 kPa，制氢装置总压降将降低约0.01～0.02 MPa，相应压缩机功耗将降低47.03～83.36 kW。

对于上述举例的表5的中压煤制氢变换装置，假定3台变换炉均采用轴径向反应器，工艺管线的流速为20 m/s时，装置总压降为第3行所列数据1.0 MPa，此时压缩机入口压力3.00 MPa(g)，现将管线流速逐步降低至15 m/s，计算变换单元管线流速变化对中压煤制氢的总压降及压缩机功率的影响(见表7)。

表7 中压煤制氢变换单元管线流速对总压降及压缩机功率的影响

从表7可看出，对于中压变换，由于工艺气密度较大，则管线百米压降较大。当管线流速从20 m/s逐步降低至15 m/s时，管线的百米压降将由22.58 kPa降低至10.65 kPa，降低了11.93 kPa。在本示例假定的流量下，选用管线内径的变化范围为406～469 mm，管线流速每降低1 m/s，管线百米压降将降低约1.96～2.83 kPa，制氢装置总压降将降低约0.05～0.07 MPa，相应压缩机功耗将降低53.65～82.43 kW。

为更直观地看出低压及中压系统下压缩机功耗随变换管线流速变化的影响，根据表6及表7中相关数据，分别做出制氢装置压降及压缩机功耗随变换单元管线流速变化的曲线(见图4)，假定制氢装置其他各单元的压降是一定的。

图4 制氢装置压降及压缩机功耗随变换单元管线流速的变化曲线

由图4可以看出，低压制氢压降随流速的变化率比中压制氢的小，说明管道流速发生变化时，低压管线的压降变化小而中压管线的压降变化大。但是中、低压制氢功耗随变换单元管线流速的变化率则基本相同。

从上述分析可见，无论低压还是中压变换，通过扩大管径来降低管线流速减小管道压降均可以明显降低压缩机功耗。管道流速发生同样变化时，虽然中、低压管线的压降变化不同，但最终对压缩机功耗的影响基本相同。

4 结语

当煤制氢装置后续需设置压缩机用以提升氢气的压力时，若想提升压缩机入口压力以降低功耗，应主要从降低变换单元压降入手。从以上分析可见，无论低压及中压煤制氢装置，变换采用轴径向或径向型变换炉时压降降低显著，对降低压缩机功耗具有显著作用，特别对于低压变换的影响程度更大。因此，优化变换单元设备的压降，重点应对变换炉结构型式的优化，对于较大型装置，建议采用轴径向变换反应器、径向变换反应器、等温变换反应器。

由于煤制氢装置变换单元主工艺气流经管线最长，因而，还可通过扩大管径降低管线流速的方式进一步降低系统压降，达到减少压缩机功耗的目的。但管径扩大随之会造成投资费用的增加，因此，在实际工程设计中，应对扩大管径造成的投资费用增加与降低压缩机功耗造成的运营成本降低进行经济对比后再做决定。