天然气制氢项目建议书.docx
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天然气制氢项目建议书
安徽丰原集团有限公司
1500Nm3/h天然气转化制氢装置
项目建议书
编号:
FU-2013-1112
声明：
未经我公司许可，请不得将本文件复制或转交给第三方
一、总论
1.1装置名称及建设地点
装置名称：
1500Nm3/h天然气制氢装置
建设地点：
安徽
1.2装置能力和年操作时间
装置能力：
H2：
1500Nm3/h；
纯度:
≧99.99（V/V）
压力≧2.0MPa（待定）
年操作时间：
≧8000h
操作范围:
40%-110%
1.3原料
天然气（参考条件,请根据实际组分修改完善）:
序号
名称
单位
数量
备注
1
组成
C1甲烷
mol%
0.95
C2乙烷
mol%
0.032
C3丙烷
mol%
0.0038
IC4异丁烷
mol%
0.0012
NC4正丁烷
mol%
IC5异戊烷
mol%
0.01
NC5正戊烷
mol%
0.00
C6已烷
mol%
0.00
N2氮气
mol%
0.013
CO2二氧化碳
mol%
0.00
水露点
℃
/
1.4产品
氢气产品
序号
名称
单位
数量
备注
1
纯度
mol%
99.99
2
流量
Nm3/h
1500
3
温度
℃
<40
4
压力
MPa
≧2.0
待定
1.5公用工程规格
1.5.1脱盐水
●温度：
常温
●压力：
0.05MPa（G）
●水质：
电导率≤5μS/cm
溶解O2≤2mg/kg
氯化物≤0.1mg/kg
硅酸盐（以SiO2计）≤0.2mg/kg
Fe≤0.1mg/kg
1.5.2循环冷却水
●供水温度：
≤28℃
●回水温度：
≤40℃
●供水压力：
≥0.40MPa
●回水压力：
≥0.25MPa
●氯离子≤25mg/kg
1.5.3电
●交流电：
相数/电压等级/频率3PH/380V/50Hz
●交流电：
相数/电压等级/频率1PH/220V/50Hz
●UPS交流电：
相数/电压等级/频率1PH/220V/50Hz
1.5.4仪表空气
●压力：
0.7MPa
●温度：
常温
●露点：
-55℃
●含尘量：
<1mg/m3，含尘颗粒直径小于3μm。
●含油量：
油份含量控制在1ppm以下
1.5.5氮气
●压力：
0.6MPa
●温度：
40℃
●需求量：
在装置建成初次置换使用，总量约为5000Nm3
正常生产时不用
1.6公用工程及原材料消耗
序号
项目
规格
单位
数量
备注
一
原材料
1
天然气
见天然气组成表
Nm3/h
～0.45
单耗0.42~0.45
3
脱盐水
t/h
～1.5
部分自身回用
二
公用工程
1
电
装机用量
380V，220V
Kw
～220
含照明
外输过热蒸汽
t/h
～0.3
连续
开工蒸汽
t/h
～1.8
除氧，汽提，灭火
3
氢气
H2≥99.5%钢瓶
瓶
5
开车时用
4
氮气
N2≥99.8%O2≤0.2%P≥0.3MPa
Nm3/h
～1500
系统置换
N2≥99.5%O2≤0.5%钢瓶
～1000
循环升温
6
冷却循环水
T≤33.5℃P≥0.3MPa
t/h
～150
7
仪表空气
符合GB4830-84P:
～0.6MPa
Nm3/h
～60
注：
电耗与原料天然气压力有关。
1.7占地面积
主装置占地：
约50×40=2000m2（不包括公用工程及生活设施等）
二、工艺方案
2.1工艺流程简述
基本的工艺流程框图如下：
副产蒸汽
余热回收
脱盐水
解吸气作燃料
天然气
氢气
压缩
PSA氢提纯
转化
脱硫
变换
补充燃料天然气
注:
原料天然气压力达到1.7Mpa以上,则不需要配置天然气压缩机。
2.1.1天然气蒸汽转化
来自管网温度常温天然气，燃烧用气部分去转化炉燃烧器作燃料使用，大部分经增压至1.7-2.7MPa（g）左右与循环氢混合后进入原料气缓冲罐。
原料气再经流量调节后进入转化器对流段加热后进入钴钼加氢催化剂/氧化锌硫槽，使原料气中的硫脱至0.1ppm以下。
脱硫后的原料气与工艺蒸汽按一定比例混合，进入混合气过热器，进一步预热后进入转化管，在催化剂床层中，甲烷与水蒸汽反应生成H2、CO和CO2，甲烷转化所需热量由转化器烧嘴燃烧燃料混合气提供。
转化气出转化器后，进入废热锅炉转化气侧盘管产生工艺蒸汽。
出废锅转化气温度约为350℃进入中温变换反应器，在催化剂的作用下CO和水蒸汽变换为CO2和H2，变换气进入变换后换热器，与锅炉给水换热，再依次进入MDEA脱碳再沸气、脱盐水预热器和循环冷却水，逐步回收热量最终冷却到40℃以下，再经气液分离器分液后进入脱碳工序。
工艺冷凝液进入酸性水气体塔气体，气相与工艺蒸汽进入转化炉、液相作为锅炉补水，无排放，环保节能。
2.1.2气体提纯
脱碳工序:
天然气制氢提纯脱除二氧化碳有两种方式:
（双方讨论后才能工艺确定）。
化学净化法即MDEA脱碳和变压吸附（PSA）脱碳。
一般需要回收提纯食品级CO2，则采用化学净化法脱碳，PSA提纯氢气。
该方法脱出的二氧化碳纯度杂质含量少，但投产及生产成本较高。
另一种方法是脱碳和提纯氢均选择PSA技术（抽空脱碳解析的方式）其投资，和生产成本低于化学净化法的制氢。
PSA提纯工序:
由脱碳塔来粗氢气进入变压吸附提氢系统，气体采用8-2-5vPSA工艺，即提纯装置由8个吸附塔组成。
采用2个吸附塔吸附，5次均压。
每个吸附在一次循环过程中要经历吸附、4次压力降、逆放、、4次均压力升、最终升压等步骤。
PSA工艺设计要求是;连续的、稳定和提高氢气收率。
采用“均压”“顺放”“顺放”“逆放”“冲洗”或抽空”等达到设计目的。
2.1.3尾气回收
变压吸附过程排出的解吸气（已脱碳）通过2台解吸气缓冲罐和自动调节系统在较为稳定的压力下，提供给转化炉作燃料。
2.1.4余热回收
:
在原料气的预热方面，采用转化炉对流段烟气预热方案。
采用该方案后，不仅增加了原料预热温度调节的灵活性，节约了投资.
2.2工艺方案的选择（技术交流后确定）
2.2.1脱硫工段
转化催化剂在使用过程中极易受到毒害而丧失活性，对原料中的杂质含量有严格的要求，一般要求精制后的原料气硫含量小于0.1PPm，氯小于0.5PPm。
为了防止催化剂中毒，保障装置长周期运行，本技术方案设有脱硫净化工序，精制脱硫反应器可将有机硫转换成无机硫，在脱有机硫反应器后串一台脱无机硫反应器，以保障将天然气中硫含量降到最低。
2.2.2蒸汽转化工艺条件的选择
天然气蒸汽转化反应操作条件的选择是影响制氢装置经济性的重要因素转化温度
蒸汽转化反应过程是受热力学限制的，为满足高温转化反应的工艺要求，提高转化反应的转化率，降低转化气中的甲烷含量，应维持较高的转化气出口温度，以降低原料消耗。
选用一种种性能优良的新型耐高温炉管。
转化压力
转化压力选择为1.7-2.8Mpa（G）左右。
●由于转化压力较低，尽管设备壁厚降低，但设备直径加大，投资不一定降低，尤其是转化炉和蒸汽发生系统的投资和中压方案相比，基本不变；
●在低压操作条件下，中变气的露点降低，使得中变气的低温位潜热无法有效利用，降低了中压蒸汽产量，增加了冷却中变气的水电消耗；
●在低压操作条件下，则氢气回收率降低，造成原料耗量增加。
●高压力过高，增加装置投资成本外也加大了系统的安全隐患
根据上述情况，制氢装置一般应采用中压转化方案设计较为理想,同时氢气缓冲罐在较高压力下供氢，可以很好保证下游用氢的稳定性，对负荷变动的调整也十分有利。
2.2.3一氧化碳变工段
采用一段中变流程（若建设方同时需要CO，则不需要中变工段，增加从CO回收系统）
采用一氧化碳变换，降低原料单耗节省转化炉、吸附工段投资。
为此在制氢装置设计中，均采用一氧化碳变换工艺。
CO变换反应为放热反应，低温对变换平衡有利，可得到较高的CO变换率，进而可提高单位原料的产氢量，由转化部分来的约340-360℃的转化气进入中温变换反应器，在催化剂的作用下发生变换反应：
CO+H2O=CO2+H2△Ho298=-41.4KJ/mol
将变换气中CO含量降至2％左右，同时继续生产氢气。
中变气经过锅炉给水预热器、脱盐水预热器进行热交换回收部分余热后，再经中变气水冷器冷凝除去水分，经分水后进入PSA生产部分。
2.2.4工艺冷凝液的回收利用
来自装置外的脱盐水经脱盐水预热器预热后与来自酸性水气提塔的净化水混合后进入除氧器装置。
除氧器所需的蒸汽由装置自产水蒸气提供。
除氧水经过中压锅炉给水泵升压后经过锅炉给水预热器预热后进入汽包。
锅炉水通过自然循环的方式分别经过转化炉烟道气产汽段、转化气蒸汽发生器产生蒸汽。
所产生的蒸汽一部分作为工艺蒸汽使用；多余部分减压作为除氧器除氧用、外输出装置。
2.2.5优化余热回收和PSA解析气利用
变压吸附解析气经缓冲罐混合、稳压后全部去转化炉燃烧器作为燃料，与燃料天然气一起燃烧放出热量，根据转化炉出口气体温度的高低调节燃料天然气的流量，根据烟气残氧量调节鼓风量，根据装置负荷高低的工况情况调节对流段烟气温度。
2.3主要设备选择
2.3.1转化炉选择
本装置转化炉采用方箱式强制配风顶烧炉、卧式对流段设计。
该方法具有以下特点:
1）有利于延长炉管的使用寿命
众所周知,在相同使用压力情况下,高温金属材料的寿命与其承受的金属壁温有着直接的关系：
使用温度越高、其使用寿命呈指数关系下降。
从上图能看出，方箱炉炉管为双面辐射，而圆筒炉为单面辐射、单面反射，所以，如果采用相同的反应强度（即炉管的传热量相等）和出口温度，那么圆筒炉炉管迎火侧壁温一定大于方箱炉。
制氢转化炉转化管工况已经十分恶劣，其金属壁温已高达950度左右,所选用的hp-nb材料设计使用寿命为10万小时，而壁温较高的圆筒炉炉管寿命必然会缩短。
同时,由于圆筒炉为单面辐射、单面反射，径向温差较大，也容易使炉管变形。
方箱炉由于热场分布均匀，炉管径向温差小，不易变形、使用寿命长。
2）有利于装置连续稳定运行
由图可以看出，圆筒炉只有一个燃烧器,一旦熄火就必须紧急停炉，然后吹扫后重新点火，装置重新恢复供气需要数个小时时间。
而方形炉有多个燃烧器,可以有效维持炉温在800度以上,熄火机率非常小，即使某个燃烧器熄火，由于炉内仍有其它明火持续引燃,所以不需要停炉,只需关闭熄火的燃烧器数分钟后重新点燃即可，这个过程不会导致氢气停止供应。
3）故障时，有利于装置快速恢复生产
假如由于意外原因导致某根炉管变形、或者产生热斑甚至破裂，对于方箱炉来讲,只需采用蒸汽降温置换、并在通氮气保护下将该管上下猪尾管切断、堵焊，就可重新升温恢复生产（对应燃烧器适当关小燃料气）,损坏的炉管大修时再更换管，整个过程可以在4~8小时内完成。
由于方形炉按照矩阵式布置，因而炉内热场非常容易调整。
圆筒炉为环形布置炉管、燃烧器呈星形放射式辐射传热，一旦某根炉管不吸热就会引起炉内热场更加不均匀，使耐火材料受到破坏。
同时，它只有一个燃烧器,也没有办法定向调整某个区域的热量输出。
4）方箱炉有利减少Nox排放量
方箱式转化炉烧嘴由多个燃烧器组成，且采用套管式燃烧器，降低了火焰最高温度；圆桶炉只有中心一个高强度燃烧器,在总输出功率相同条件下，中心火焰温度大于方箱炉，因而Nox排放量也大于方形炉。
综上所述，圆筒炉适合于小规模、低强度、生产负荷等级不高的场合；方箱炉适合与生产强度高、生产要求连续稳定长周期场合，生产规模从几百方到数万方每小时均可。
除此而外,本工艺设计的方形炉还有以下特点：
1）最适合转化反应的要求
根据转化反应需要，最大传热量位于工艺温度较低的管子进口处，其平均热通量是炉管平均热通量的两倍。
在顶烧炉内，由于火焰向下，炉子上部释放大量热，而此处工艺气体反应强烈，吸热强度大，使炉管壁温维持较低水平，炉子下部已没有燃烧放热，而此处工艺介质吸热反应基本完成，主要以CO重整放热反应为主。
因此炉管表面温度沿轴向分布均匀，使转化炉管的耐高温性能得以充分发挥，延长炉管寿命。
2）辐射效率高，燃料消耗少
火焰与工艺物流并流的另一优点就是顶烧炉的传热方式为两面辐射，效率要比一面辐射、一面反射效率高。
同时，在顶烧炉内燃烧产物来自辐射室顶部的混合区。
随着燃烧物的冷却和变重，自然趋于下流。
而在底部燃烧的转化炉内，燃烧产物在辐射室的底部，随着燃烧物的向上通过燃烧室，燃烧物冷却下来引起逆向混合，这种逆向混合将引起辐射室压力波动及温度场不均匀，影响传热效率和操作稳定性
3）采用卧式对流段设计，节约钢结构用量，便于维护，更有利与烟气废锅采用自然循环方式，避免立式烟道的烟气废锅需要增设强制循环热水泵，或建造更高的汽包安装框架。
4）采用高效空气预热器预热空气回收烟气热量，一方面可以使低热值的解析气燃烧充分、防止氢气尾烧、降低燃料消耗，另一方面降低了引风机入口烟气温度，使风机和风阀的寿命更长。
5）炉膛底部进入对流段的位置设有辅助燃烧器，一方面可以缩短开车时间，另一方面有利于装置低负荷运行时调整对流段盘管组温度，已满足工艺要求。
2.3.2关键设备废热锅炉特点
该设备是维持蒸汽系统平衡、降低能耗的关键，同时也是装置安全运行的重要节点。
针对以往小规模天然气制氢中，转化废锅有出现故障的现象，我公司技术部门与制造单位合作开发的套管式废锅。
消除管板废锅热应力，克服下集气管与废锅高温端管箱接口处断裂的故障发生。
2.3.3吸附塔
吸附塔是净化部分的核心设备之一，设计使用寿命10年，循环次数达40万次，工作压力0~3.0Mpa（G）。
该塔材料为16MnR，具有优良的力学性能、机械性能、焊接性能、工艺性能，并且可以在交变载荷的作用中工作，整个容器空间全装满吸附剂,上下封头开孔处为折边结构减少应力集中。
2.3.4专用程控阀
由于PSA自身工艺流程的特点，对程控阀有以下要求：
⑴动作频繁。
一般情况下，2～6分钟就要开闭一次，一年按照8000小时计，要开闭近二十万次。
⑵开闭时间要求短。
一般情况下要求2～3秒就要开闭到位。
⑶能用于有毒，易燃易爆场合。
⑷能抵抗高速气流和少量粉尘（吸附剂〕冲刷。
⑸有良好的耐温特性（TSA）。
本项目采用亚连公司自己生产的高性能程控阀，已在几百个工程项目中运用，有成功的长期工业化运行经验，具有非常优良的高密封性能（阀门外漏带来的是原料的损失浪费及造成安全隐患，阀门内漏带来的是产品品质的影响）以及抗磨蚀性能，是装置平稳运行的有效保证。
2.4工艺设备一览表（技术交流后详细提供）
报建用设备有:
序
号
设备名称
台
数
介质
材质
一
反应器类
1
脱硫反应器
2
原料气
15CrMoR
2
中温变换反应器
1
转化气
15CrMoR
小计
4
二
塔类
1
汽提塔
1
工艺冷凝液
OCr18Ni9
三
冷换设备类
1
转化废热锅炉
1
转化气
15CrMo+
水、蒸汽
16MnR，
2
中变废锅
1
中变气
Ocr18Ni9
水、蒸汽
16MnR
3
锅炉给水预热器
1
中变气
Ocr18Ni9
水、蒸汽
16MnR
4
脱盐水预热器
1
中变气
Ocr18Ni9
水
20R
5
中变气水冷却器
1
中变气
Ocr18Ni9
水
20R
小计
5
四
容器类
1
原料气缓冲罐
1
天然气
20R
2
汽包
1
汽、水
20R
3
中变气分水罐Ⅰ
1
中变气、水
OCr18Ni9
4
中变气分水罐Ⅱ
1
中变气、水
OCr18Ni9
5
脱氧器及水箱
1
汽、水
Q235-A
6
加药溶解槽
1
Na3PO4
Q235-A.F
7
连续排污扩容器
1
汽、水
Q235-A
小计
7
五
加热炉类
1
转化炉
包括辐射段、对流段、烟囱
（1）
转化管
9
材质25Cr35Ni
（2）
烟道废锅
1
15CrMoR
（3）
空气预热器
1
C.S
（4）
原料气预热器
1
S.S
（5）
天然气蒸气预热器
1
S.S
（6）
引风机
2
C.S
（7）
鼓风机
1
C.S
（8）
烟囱
1
C.S
小计
六
机械设备类
1
天然气压缩机
2
天然气
C.S
2
锅炉给水泵
2
锅炉水
C.S
3
加药泵
2
磷酸盐溶液
316S.S
小计
6
2PSA部分主要工艺设备表
序号
设备名称
台数
介质
材质
1
吸附塔
6
中变气
16MnR
2
解吸气缓冲罐
1
解析气
16MnR
3
逆放缓冲罐
1
解析气
16MnR
4
氢气缓冲罐
1
氢气
16MnR
小计
9
2.5自动控制系统（技术交流后确定）
采用先进的DCS（或PIC）集散控制系统，实现自动化操作。
本项目将吸收国内化工装置自控系统的先进经验，对生产装置DCS（或PIC）自动控制。
DCS（或PIC）具有通讯功能，并有OPC接口，以适应工艺对控制的高要求，确保装置的安全、稳定、长久的运行，生产出合格优质的产品，减轻工人的劳动强度。
各生产装置工艺操作所需监控的参数均由DCS监视和控制，操作人员通过CRT对各参数进行操作，在工艺参数越限时，发出声光报警信号，并通过自动控制回路使煤制氢装置自动进入安全状态，并由打印机自动打印报警信息。
所有的工艺过程参数和控制信息全部进入计算机储存器长期储存，并可随时提取。
2.5.1基本控制功能
1）顺序控制
本装置的全部程控开关阀和控制调节阀将按照工艺给定的条件进行顺序控制和模拟调节，使装置正常工作。
这要求顺序控制和模拟控制能有机的结合起来，进行复杂控制。
并且对于多种切塔和恢复的控制，能实现多种不同的控制程序。
所有的程控开关阀均带阀位检测、显示和报警功能。
2）自适应调节
这是由开关信号和模拟信号组合运行的复杂控制，分三个步骤：
首先是顺序开关信号启动，然后进入自适应随动控制，最后由顺序开关信号关断或开启。
该功能用于保证各关键压力变化曲线能和理想曲线基本完全吻合，从而保证了变压吸附工况的稳定和优化。
3）参数优化控制
依据原料气量的变化和产品纯度的变化自动地计算出最佳吸附循环时间，优化装置的运行状况，使装置在保证产品质量的前提下，可以自动地获得最高的产品回收率，获得最佳的经济运行效益。
4）联锁控制
包括工艺参数联动调节，工艺参数安全联锁，产品质量联锁控制等。
5）动力设备监控
真空泵等各种动力设备关键参数的监控，动力设备故障的报警和动作联锁。
6）管理功能
可以进行完善直观的工艺流程监控与动态显示。
如故障自诊断，历史趋势，事故状态和各种操作记录及打印报表。
主要功能：
总貌图
动态工艺流程详图（多幅）
报警画面
调节回路棒图
参数设定
参数优化
阀门状态显示与操作
动力设备监控
历史趋势（压力、流量、温度、液位、纯度等）
实时趋势（压力、流量、温度、液位、纯度等）
打印
班报表
日报表
月报表
故障记录打印
7）故障诊断功能
此控制系统可根据压力、阀位检测、产品纯度、温度、流量等参数对工艺或设备故障进行自动诊断、报警和联锁处理。
同时对控制系统自身的主要故障：
如CPU故障、通讯故障也可进行自诊断，并提出故障警告和安全处理。
2.5.2关键回路控制软件及特点
1）、水碳比自动调节功能
卖方提供的制氢装置“专家系统控制软件”可根据原料气流量的变化以及转化气出口CH4的含量自动计算和调整蒸汽加入量，使转化炉在最经济的水碳比条件下运行，降低装置的天然气消耗。
2）、转化炉温度控制功能
卖方提供的制氢装置“专家系统控制软件”可根据转化炉内的转化气出口温度的变化趋势自动调整补充燃料天然气量，自动消除温度变化的纯滞后现象，既可以保转化炉不超温，延长转化炉管寿命，又可以保证天然气的转化效率。
3）、高效燃烧控制
卖方提供的制氢装置“专家系统控制软件”可根据转化炉烟气中的残余氧含量，自动调燃烧配风量，保证合理的燃烧过氧系数，提高燃料气的燃烧效率，同时减少空气带走的热量，进一步达到节能降耗的目的。
4）、PSA自适应随动调节软件
装置在运行过程中，PSA单元的各吸附塔除在吸附状态外，都处在某种降压和升压过程中。
在这个过程中要求气流均衡、稳定。
因此对这类过程的控制是关系PSA单元运行质量包括吸附剂寿命长短的一个关键，本装置方案中以压力为控制量，通过控制吸附压力均匀上升和下降，达到稳定控制气体量的目的。
按照上述要求开发的变压吸附自适应控制软件，可根据变化中的工艺条件进行预估,随工艺状况的改变，自动生成控制操作曲线，按此曲线自动控制变压吸附装置的升压和降压过程，可最大限度地接近于理想过程。
5）、优化控制
该功能可保证装置在处理量变化时、原料气组成、压力和温度变化时，均能自动保证产品的质量并获得最高的氢回收率。
从而大大提高了装置在运行过程中的经济性。
6）、解吸气燃烧系统控制
由于PSA装置的解吸气直接用作制氢装置转化炉的燃料，其压力、流量、热值的波动将直接影响转化炉的工况，因而必须进行良好的控制。
但由于PSA工艺的特点是解吸气的排放往往是间歇的，压力是脉动的，所以要控制好解吸气的波动必须采用特殊的措施和控制方案。
为保证解吸气燃烧状态的稳定，本装置采用了以下解吸气系统：
首先通过优化吸附运行状态，使得冲洗再生过程均连续，从而减少了气体来源的波动；
其次采用了一级缓冲二级调节控制系统：
一级调节：
采用自适应调节系统，使波动最大的逆放解吸气可以在任何工况下均自动作到恒流逆放，因此消除了对二级系统的压力波动影响；
二级调节：
采用压力、流量串级控制回路，使最后出PSA界区的解吸气作到压力、热值、流量三稳定，大大方便转化炉的燃烧。
2.5.3安全技术措施
为了满足工艺装置安全地
升级会员 