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托普索制氢工艺技术经济评价

时间:2011-10-24 09:37:26来源:中国氢能源网

 

烃类转化制氢工艺主要包括原料净化、烃转化、CO变换及产物气提纯等过程。传统烃类转化制氢主要采用辐射式转化炉(SMR)工艺。该工艺技术成熟,但能耗高、外输蒸汽量大,导致氢气产量降低。针对这一问题,托普索公司推出对流式转化炉工艺(HTCR)、换热式转化炉工艺(HTER),可以实现原料能量全部转化到产品氢气中,而不向外输出蒸汽,提高了能量利用效率及氢气产量。

 

  1 对流式转化炉工艺

 

  对于规模5000-30000m3/h的制氢装置,托普索公司推荐使用对流式转化炉工艺(HTCR)。该工艺不仅高效,而且布局紧凑,操作方便。

 

  1.1工艺流程

 

  HTCR工艺流程见图1。

 

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  原料经过预热、脱硫后与蒸汽混合进入预转化炉,部分原料转化成一氧化碳和氢气。预转化炉出口物流进入HTCR转化炉.在HTCR转化炉内继续反应。HTCR转化炉出口气体经过热回收后,进入变换反应器进行变换反应,变换气经PSA提纯后得到合格氢气产品。

 

  1.2HTCR转化炉结构

 

  HTCR转化炉结构及工作原理见图2。

 

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HTCR转化炉由横向燃烧室和纵向反应管束组成,每根反应管外装配一根环行烟气导管。燃烧室中燃料气和空气发坐燃烧反应产生高温烟气,烟气从管束底部向上经过烟气分布孔进入到管束外壁间隙。管束外壁间隙上有许多气体分布孔和折流挡板.以保证烟气高效传热。通过环管的热通量由一个专利控制设备调节。工艺气由催化剂床层上部进入到对流式转化管催化剂床层中,自上而下流动,随着温度升高转化深度不断提高,在转化管底端达到最大,然后进入转化管中心的上集气管.从顶部出反应管。转化过程需要的热量由转化管外环行通道中对流的高温烟气提供。

 

  1.3HTCR炉工艺特点及经济指标

 

  HTCR炉的突出特点是燃烧室以变压吸附过程尾气为原料,燃烧释放出热量的80%得到利用.过程不输出蒸汽,而传统转化过程的辐射式转化炉热利用效率仅为50%,要外输一定量蒸汽。

 

  HTCR装置投资低,原料单耗低,产氢率高,因而操作成本也低。装置布局紧凑,可设计成固定滑履式装置,实现预先组装,进而可缩短装置建设周期,降低建设成本。HTCR装置可在30%-100%负载下实现自动操作,具有快速的载荷响应。

 

  对于一个15000m3/h制氢装置采用HTCR转化炉和辐射式转化炉(SMR)的主要消耗对比见表1。

 

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从表1可以看出,生产相同量的氢气,HTCR工艺的原料加燃料的消耗较SMR工艺降低10%。

 

  2换热式转化炉工艺

 

  托普索公司开发的换热式转化工艺(HTER)是在辐射式转化炉(SMR)之后增加一台换热式转化炉,利用SMR炉出口的高温工艺气作为HTER炉上部工艺气的热源。

 

  2.1HTER工艺流程

 

  HTER工艺流程见图3。

 

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部分原料烃经过预热、脱硫后,与蒸汽混合进入到预转化炉,在预转化炉内将烃类中C2以上烃转化为甲烷,出口气再次预热后进人到管式转化炉内,在管式转化炉内甲烷和水蒸气发生转化反应。另一部分烃类经过脱硫后,与蒸汽混合,直接进入到HTER反应炉内管层发生蒸汽转化反应.反应所需热量来自管式转化炉出口气。两股气体混合出HTER转化炉。

 

  2.2换热式转化炉

 

  托普索公司开发的换热式转化炉主要有两种类型,一种是CATIT型转化炉,另一种是刺刀式(TBR)转化炉。

 

  2.2.1CATIT型转化炉

 

  CATIT型转化炉示于图4。转化炉内部有列管.管内填装催化剂。下部是气体混合区。顶部工艺气由上部进入到催化剂床层,管式转化炉的高温工艺气从底部进入,和顶部的工艺气混合后作为热源给顶部向下流动的工艺气提供反应热。

 

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2.2.2TBR转化炉

 

  TBR转化炉示于图5。它与CATIT型转化炉的区别在于:CATIT型转化炉顶端工艺气在转化炉内与一段转化出口气先混合,然后再作为热源给顶部工艺气预热:而TBR式转化炉两股工艺气在转化炉底部不混合.底部工艺气单独作为热源给顶部工艺气预热,顶部入口的工艺气是从反应管内部集气管由下到上给催化剂床层内气体预热。相比较而言.TBR式转化炉底部有更高的转化温度。

 

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2.3HTER工艺特点及经济指标

 

  HTER既适用于大产能的新建厂,也适用于传统SMR工艺扩能改造,改造后的工艺少/没有蒸汽输出。其特点是投资低,占地少,改造时间短,可提高产能30%。

 

  表2为60000m3/h制氢装置扩能改造前后装置主要经济指标,改造费用为新装置的60%。从表2可以看出,在提高产能25%的情况下,原料消耗下降10%。
3新式转化炉与传统辐射式转化炉工艺对比

 

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  新工艺核心是采用了对流式、换热式转化炉替代传统的辐射式转化炉(SMR),其优点是高效、布局紧凑、操作方便。

 

  辐射式转化炉将全部输入能量的30%转化为蒸汽输出,将50%能量转化为氢气输出,而新式转化炉可以将全部输入能量的80%转化为氢气输出,而整个装量无蒸汽输出,极大地提高了装置制氢产量。见图6。3000m3/h制氢装置采用新工艺与传统工艺的工况比较见表3。
从表3可以看出,HTCR工艺及TBR工艺新建装置的固定资产投资较SMR工艺降低10%。

 

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  4结束语

 

  托普索公司在制氢领域具有10多年的工业经验已经设计过250套以上的制氢装置,最大规模达200000m3/h。托普索公司推出的对流式、换热式转化制氢新工艺具有投资少、能耗低、最大程度生产氢气的特点,是新建装置及老装置改造的可靠选择。

 

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