天然气转化制氢工艺及其节能途径1.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流天然气转化制氢工艺及其节能途径1.精品文档.结合目前的工作,综述所学知识在工作中的应用 系 别 石油化工系 专业班级 工业分析与检验 2331班 学生姓名 舒小娟 学 号 20102331018 指导教师 张嘉扬、王富 完成日期 重庆能源职业学院石油化工系 监制重庆能源职业学院毕业设计(论文)任务书 石油化工 系 2331 班 学生 舒小娟 学号 20102331018 毕业设计(论文)课题 结合目前的工作,综述所学知识在工作中的应用 设计(论文)工作自 2012 年 11 月 26 日起至 2013 年 6 月 10 日止毕业设计(论文)进
2、行地点: 重庆能源职业学院 课题的背景、意义及培养目标 氢气是炼油行业重要的化工原料之一,随着含硫原油和重质原油加工比例增大,环保法规对燃料油含硫的要求越来越严。因此,对氢气的需求量也越来越多,对氢气品质的要求也增高。在加氢装置生产成本中,氢气约占成本的50%55%,转化制氢工艺过程中水蒸气转换工艺是制氢装置的核心工艺。本课题的设计是让学生了解转化制氢工艺并对预转化组合制氢工艺的节能途径如降低水碳比、预转化再热等。 设计(论文)的原始数据与资料 加压蒸汽转化反应操作压力:1.53.5 ,操作温度温度为:750880,水碳比为2.753.5 (mol/mol) 课题的基本要求(含技能技术指标)1
3、、对转化制氢有较详细的认识和了解,写出国外发展状况和国内的发展趋势。 2、知道转化制氢的原理及其特点。 3、熟悉转化制氢的工艺流程。 4、对预转化组合工艺及其节能有一定的了解。 完成任务后提交的书面材料要求(图纸的规格、数量,论文字数等)1、A3图纸3张 2、字数7000字 主要参考资料李琼久主编合成氨工艺与碳化学-氮肥生产工艺的创新四川科技技术出版社,2000年 化肥设计2002年第40卷 朱平等“甲烷蒸汽转化法制氢工艺评 述” 刘方,李群柱,大氮肥,1997(6) 张伯华15000Nm3/h天然气制氢装置,2012 指导老师 接受设计(论文)任务日期 (注:由指导老师填写) 学生签名: 重
4、庆能源职业学院毕业设计(论文)成绩表 石油化工 系 工业分析与检验 专业 2331 班评审意见:指导老师对学生 所完成的课题为 的毕业设计(论文)进行的情况,完成情况的意见: 评分:平时成绩(百分制) 论文成绩(百分制) 指导老师 年 月 日答辩: 毕业设计(论文)答辩组对学生 所完成的课题为 的毕业设计(论文)经过答辩,成绩为 毕业设计(论文)答辩组负责人 答辩组成员 年 月 日总成绩(平时成绩30%+论文成绩10%+答辩成绩60%): 签字: 年 月 日毕业设计论文计划进度表起止日期工作内容完成情况备注2012年12月1日到12月8日2012年12月9日到12月18日2012年12月19日
5、到2013年1月7日2013年2月8日到3月10日 2013年3月11日到3月23日2013年3月24日到4月25日2013年4月25日到5月25日收集资料,熟悉资料收集资料,准备撰写论文撰写论文撰写论文初稿初稿第一次修改初稿第二次修改定稿指导教师: 年 月 日系: 年 月 日备注:进度计划以周为单位摘 要本文简单介绍了国内外以天然气为原料制氢的状况,着重介绍了国内两种天然气工业化制氢的工艺流程和特点和预转化组合制氢工艺的节能途径如降低水碳比、预转化再热等对装置主要消耗(原料、燃料、外输蒸汽)及能耗的影响进行分析。关键词:天然气; 制氢; 工艺流程;节能目 录第一章 绪论绪论.11.1国内外制
6、氢工艺概况.1 1.1.1国外制氢工艺概况.1 1.1.2国内制氢工艺概况.3第二章蒸汽转化制氢2.1间歇式天然气蒸汽转化制氢.32.2加压蒸汽转化制氢工艺.4 2.2.1转化反应原理和操作条件.4 2.2.2加压蒸汽转化工艺流程.5 2.2.3加压蒸汽转化工艺特点.62.3换热式蒸汽转化法 .7 2.3.1换热式蒸汽转化法原理.7 2.3.2工艺流程和特点.7第三章预转化组合制氢工艺的节能分析3.1预转化组合工艺.93.2降低水碳比对节能的影响.113.3预转化气再热对能耗降低的贡献.14附录.18总结.21致谢.22参考文献.23绪 论在制氢工艺路线上 ,采用不同原料和工艺有多种选择 ,但
7、很长时间以来 以天然气为原料制氢路线一直占有重要的地位 ,尽管从能源危机 以来 ,天然气一直在涨价 ,煤炭制氢路线受到了较大的重视。国外在进行了利用太阳能 、水能、风能及海洋能等电解水制氢实验性研究后预测其用于制氢的前景不可估量,但这些工作的进展还有待一定的时间和实践 。天然气制氢由于其工艺流程较短,建厂投资少,天然气的主要成分一甲烷转化为氢的效率极高,具有生产率高,总能耗低等优点,它在目前和今后一段时间内仍有很大的竞争力。1.1国内外制氢工艺简况 1.1.1国外制氢工艺简况国外制氢的主要工艺生产方法有以烃类(天然气等)为原料的 自热转化法、蒸汽转化法和以石油、重油为原料的部分氧化法等工艺制氢
8、,还有利用氨厂弛放气、甲烷化尾气、甲醇尾气、催化重整尾气等富氢气体用变压吸附、低温法或薄膜渗透等方法精制得到一定纯度的氢。在众多的制氢工艺路线中以烃类(天然气)为原料的蒸汽转化等工艺在制氢工业上占有较大的优势。世界上 甲烷蒸汽转化法 的主要工艺技术有 Technip(KT1)、Uhde、Linde、Foster、Topsoe等。20世纪 80年代经典的制氢工艺路线如图 l。天然气 脱硫 转化 变换 脱碳 甲烷化 氢气 图1经典的制氢工艺 近二十年来,随着科学技术的发展,变压吸附(PSA)技术逐渐得到提高和完善,在制氢工艺中用能耗较低的PSA净化分离系统代替 了能耗高的脱碳净化系统和甲烷化工序
9、,节能并简化了流程和操作。近年来 ,由于炼油行业需要更多的氢气用于加氢处理原油,氢气用量快速增长,制氢装置的规模越来越大。据统计,采用 Technip(KT1)、Uhde、Linde三家工艺技术建设的大型制氢装置业绩最多,目前采用 Technip(KT1)SI2艺在加拿大建设的最大的单系列甲烷蒸汽转化法制氢装置能力达236万标准立方米小时。当今世界上甲烷蒸汽转化法制氢装置典型的制氢工艺路线如图2。天然气 脱硫 转化 变换 PSA制氢 氢气图2甲烷蒸汽转化法制氢装置典型的制氢工艺路线该工艺的技术核心蒸汽转化工序关键设备是转化炉,它包括辐射段和对流段,多年来改进的重点是辐射段转化系统的设计和优化对
10、流段热回收工艺。不断改进和优化节能设计使整个转化炉的总热效率可提高到9l一93。CO变换技术包括高温变换 、高温变换串低温变换或中温变换工艺。采用高串低变换工艺可提CO变换率,从而节省原料天然气的消耗。但 PSA尾气的热值降低,燃烧气用量增加,整个热效率提高不多,同时低变催化剂价格高、增加低变设备,开车还需要催化剂升温还原设备,使工艺流程变得复杂,装置的投资也增加。因此只有当燃烧气的价格比原料天然气的价格低得多时,选择高串低变换工艺才有意义,一般情况下制氢装置的变换系统都不设低变。氢气分离系统采用 PSA工艺技术,可满足高纯度的氢气产品,同时工艺操作简单,自动化程度高,操作弹性大,成本低,是天
11、然气转化制氢工艺中的最佳搭配选择。1.1.2国内天然气制氢技术 国内以天然气为原料制氢气技术在大型装置方面,大多为国外引进技术,经过20年的消化和吸收,国内已成功的设计建成了几套大型蒸汽转化炉。但该工艺的技术核心蒸汽转化工序在特大型方面仍需要采用国外的先进工艺技术,而在变换和PSA工艺技术方面,采用国产化的先进技术可以满足需要。尤其是PSA工艺技术,国内西南化工研究设计院拥有与国际水平一流的技术和建设大型规模和装置的经验,并在建设装置投资和服务方面拥有 比国外技术更优越的条件。因此国内在建设特大型制氢装置时,PSA工序可以立足国产化。在中小型规模上,国内在以天然气为原料制氢气技术上而开展,并在
12、该领域内进行了大量有成效的研究工作和已建有一大批工业生产装置。第二章 蒸汽转化制氢工艺 天然气转化制氢的基本原理是:通过转化法制造出含有H2、CO2、和CO的转化气,通过变换将转化气中的一氧化碳变换为氢气,成为变换气。然后转化气或者变换气通过变压吸附过程,得到高纯度氢气。主要工艺过程包括气体压缩脱硫,天然气蒸汽转化,变压吸附精制等。2.1间歇式天然气蒸汽转化制氢工艺 该法为20世纪60年代中期国内开发的工艺技术 ,用于制取小型合成氨厂的原料,这种方法其工艺流程为常压间歇催化(CCR),加压 中、低变,铜碱洗或甲烷化流程,该装置投资成本低。我国以此流程的小型合成氨厂有上百个,该法除用于建设合成氨
13、装置外,也有由于建设甲醇和氢气的工厂。80年代 中期,CCR流程渐渐由于工艺陈旧,技术落后带来高能耗而陷入困境。用此法的小氮肥厂综合能耗达586GJ,针对这种情况 ,我国根据生产实践,结合各个厂的具体情况进行优化组合,自主改造并开发了天然气转化的各种工艺流程,并投人工业运行,这类流程之多,居世界之首。各种改造工艺流程配备各具特点,根据生产实践经验,结合具体情况进行优化组合,它们都达到了显著的节能效果。由于该法投资低 、操作简单 、国内小型装置 中仍有使用 。但由于技术水平所限,新建厂一般不选择该工艺。2.2 加压蒸汽转化工艺 221转化反应原理和操作条件 该法是在有催化剂存在下与水蒸汽反应转化
14、制得氢气 主要发生下述反应 : CH4+H2O CO+3H2一Q CO+2H2O CO2+4H2一Q CnH2n+2 2H2O n CO+(2n+1)H2一Q 从上列转化反应式可以看出,一个体积的甲烷可转化成 4个体积的CO+3H2,组分中的CO还可以进一步变换成一个体积的H2,反应结果为氢多碳少,因此用这种转化方法制取氢是高效、经济和理想的。由于反应达到一定的深度就达成平衡,转化过程的平衡决定了最终的水蒸气转化气组成。 2.2.2工艺流程 加压蒸汽转化制氢工艺流程见图31转化炉管 2对流段 3脱硫器 4汽包 5废热锅炉 6 变换 7 锅炉水预热器 8预热器 9冷却器 10分离器 11变压吸
15、附器 图 3 加压蒸汽转化制氢工艺流程图 天然气中通常含一定的有机硫是转化催化剂的毒物 ,要求进入转化炉的气体中硫和氯含量小于02ppm。根据天然气含硫的多少来选择脱硫精制方案 ,并需采用钴钼加氢转化一 ZnO在高温下脱除有机硫,因此天然气首先经转化炉对流段加热后进人脱硫反应器,使总硫 脱除至 02ppm以下,脱硫后 的原料气与预热后的蒸汽进入辐射段转化反应器 ,在镍催化剂条件下反应 ,转化管外用天然气或回收的PSA尾气加热 ,为反应提供所需的热量,转化炉的烟气温度较高 ,在对流段为回收高位余热 ,设置有天然气预热器 、锅炉给水预热器、工艺气和蒸汽混合预热器等 ,以降低排气温度 ,提高转化炉的
16、热效率。转化气组成为 H2、CO、CO2、CH4,该气体经过废热锅炉回收热量产生蒸汽,然后进入中温变换炉。在此转化气中的大部分的CO被变换为H2,变换后的气体H2含量可达75以上,该气体进入PSA制氢工序进行分离。变压吸附采用特定的吸附剂 ,利用吸附剂对气体 的吸附容量随压力的变化而变化 ,吸附剂在选择吸附的条件下,加压吸附气体中的杂质组分,而氢作为弱吸附组分通过床层 ,同时采用减压脱附这些杂质组分。采用不同的均压 、逆放 、冲洗等步骤可连续得到一定要求的纯氢气产品。2.2.3 加压蒸汽转化工艺特点 (1)一般蒸汽转化反应 的操作压力为 :1.53.5MPa,操作温度为 :750880,水碳比
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- 天然气 转化 工艺 及其 节能 途径
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