天然气制氢工艺及设备简介资料

预转化气在转化 炉管内通过转化催 化剂的作用，与配 入的水蒸汽发生蒸 汽转化反应 ，生成 氢气和一氧化碳， 同时伴生CO2和少 量的残余CH4。
转化气中 含有的一氧化 碳在变换催化 剂的作用下与 水蒸汽发生反 应，进一步生 成氢气和二氧 化碳。
二、工艺原理
化学反应机理
预转化 反应 加氢 脱硫 转化 反应 反应 高温
结构特点
顶烧炉的所有转化管排均在同一炉膛内，排列比较紧凑， 节省占地面积，适于大型化。侧烧炉和梯台炉由于是两个辐 射室并列排列，所以在炉管数量相同时，占地面积较大，大 型化有一定的困难。 顶烧炉的燃烧器数量较少，密集排列在炉顶，燃料配管及空 气配管相应简化，但炉顶结构比较复杂。侧烧炉燃烧器数量 较多，分布在辐射室侧墙，燃料配管及空气配管较多。
以I.C.I和 Kellogg为代表
顶烧炉简图
顶烧炉现场照片
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四、关键设备介绍---转化炉
侧烧炉
燃烧器在辐射室的侧墙，火焰附墙燃烧。 早期转化管的受热形式多为炉膛中间的双 排管受侧墙的双面辐射，由于受热形式不 好，操作条件苛刻时，炉管易弯曲，现在 大部分都改为单排管受双面辐射的形式。 这种炉子的烟气上行，对流室置于辐射室 顶部，大型装置的对流室考虑到结构及检 修等原因，对流室经常放置在辐射室旁边 。
三、工艺过程
预转化 原料气升 压及精制
转化
生产工 艺过程 高温变换
PSA
三、工艺过程
自系统管网来的干气经压缩机升压 后，与自界区来的天然气混合进入装置， 预转化 混合后原料压力4.0MPa（G）。
进入脱硫部分的原料气，首先经过钴钼加氢反应器，在钴钼催化 生产工 剂的作用下发生氢解反应，把有机硫转化为无机硫，有机氯转化 艺过程 为氯化氢。然后，加氢后的原料气通过脱硫反应器床层，在加氢 反应器氯化氢与氧化钠反应，生成氯化钠，在脱硫反应器氧化锌 与硫化氢发生反应，生成硫化锌，达到脱氯、脱硫的目的。精制 PSA 高温变换 后的气体中硫含量小于0.1ppm，进入预转化部分。
四、关键设备介绍---转化炉
转化炉为制氢装置的核心设备，通过转化炉烃类 和水蒸汽发生一系列的反应，生成氢气和其它副产物。
顶烧炉
侧烧炉
转化炉
底烧炉
梯台炉
四、关键设备介绍---转化炉
顶烧炉
燃烧器布置在辐射室顶部，转化管受 热形式为单排管受双面辐射，火焰与炉管 平行，垂直向下燃烧，烟气下行，从炉膛 底部烟道离开辐射室。这种炉型的对流室 均布置在辐射室旁边。 大型化的制氢炉大都选用顶烧炉（约 占75%）。
三、工艺过程
PSA
来自造气部分压力为 2.3MPa(G)，温度40℃ 的变 换气，进入PSA部分。
PSA
PSA的原料气自吸附塔底 进入正处于吸附工况的吸附塔 内，在其中多种吸附剂的依次 选择吸附下，一次性除去氢以 外的几乎所有杂质，获得纯度 大于99.9%的产品氢气。
PSA PSA
塔底的解吸气经稳压后 送至转化炉作为燃料。
噻吩加氢 C4 H 4S + 4H+ → C4H10 + H2S 过程： CO :+ H CO 20 → 2 4 H2 CmHn + mH20 → mCO + (m+n/2)H2 二硫化碳加氢：CS2 + H2 → CH4 + H2S CO + 3H2 → CH4 + H20 烃类的蒸汽转化是将烃类与蒸汽转化为 H2 和CO ，同时伴生 CO CH4. CO + H 20 → CO + H 2和少量的残余 氧化锌脱硫： H S + ZnO → ZnS + H 20 2 2 2 CH4 + H20 → CO + 3H2 CO + H20 → CO2 + H2
二、工艺原理
轻烃蒸汽转化法 制氢过程 核心反应
原料净化
蒸汽预转化
蒸汽转化
CO高温变换
原料气在一定 的温度、压力和空 速条件下，借助加 氢催化剂、脱硫剂、 脱氯剂作用，把原 料气中硫化物、氯 化物脱除，以保护 后续催化剂的正常 运行。
精制原料 气在预转化催 化剂的作用下， 烃类发生一系 列的热裂解、 脱氢、甲烷化 反应，生成甲 烷和氢气。
CO高温变换是将转化气 中的CO 与水蒸气继续反应 预转化反应是原料气和水蒸汽在高活 硫醚加氢 : R-SR’+ H2 → RH +R’H + H2S 生成 CO 和氢气。 2 性镍催化剂上发生反应烃类转化成甲烷的
硫醇加氢: R-SH + H2 → RH + H2S
变换 反应
加氢反应是制氢工艺中一个重要的反应，它是原料精制部分的起始步 骤，它进行的好坏将直接影响到下一步脱硫反应的进行。加氢反应的主要作 用是把原料气中有机硫转变为无机硫，即硫化氢。脱硫反应是加氢生成的硫 化氢与氧化锌反应，将硫进行脱除的过程。
炉型结构比较 热强度及壁温分布
顶烧炉火焰在炉顶，最高管壁温度和热强度同时在转化管顶出 现峰值。侧烧和梯台炉，燃烧器均匀分布在管长的不同标高，辐 射传热比较均匀，可避免该峰值，降低设计壁温。管壁设计温度 相同时，侧烧炉和梯台炉可允许较大的总平均管壁热强度，减少 传热面积，降低转化管数量。底烧炉具有炉顶热强度低，炉底热 强度高的特性，炉管壁温变化最大，特别是炉底处炉管壁温是所 有炉型中最高，对炉管寿命十分不利，为了控制最高管壁热强度 不超标，只能选用很低的平均热强度，造成管材巨大浪费，所以 大型装置都不采用底烧炉。
石脑油自界区
DMDS加药系统
天然气自界区 炼厂气 压缩机 炼厂气自界区 脱硫 反应器 A/B 加氢 反应器
3.5MPa过热蒸汽
预转化 反应器
变换气 空冷器 变换气 至PSA 锅炉给水预热器 （工艺蒸汽） 低低压蒸汽 发生器 变换气 第二 分水罐 变换气 水冷器 变换气 第一 分水罐 清洁蒸汽 预热器 除盐水 预热器 凝水至工艺 蒸汽除氧器 锅炉给水预热器 （清洁蒸汽） 转化气蒸 汽发生器 工艺蒸汽 预热器 高温变换 反应器I/II
四、关键设备介绍---转化炉
工况的适应
传热方式
操作便利性
炉型结构 比较
热强度及 壁温分布
结构特点
炉型结构比较
传热方式
顶烧炉的燃烧器安装在辐射室顶部，火焰从上往下烧， 烟气流动方向与转化管内介质流动方向相同，传热方式为并 流传热。侧烧炉燃烧器安装在辐射室侧墙，火焰附墙燃烧， 通过辐射墙对转化管传热，烟气流动方向与管内介质流动方 向相反，传热方式错流传热。梯台炉的燃烧器排数比侧烧炉 要少，是一种改进的错流传热。底烧炉为逆流传热。
以丹麦TOPSφE 公司为代表
侧烧炉简图
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四、关键设备介绍---转化炉
梯台炉
以美国FOSTER WHEELER （福斯特*惠勒） 公司为代表
辐射室侧墙呈梯台形，燃烧器火焰沿倾斜 炉墙平行燃烧，通过炉墙向转化管辐射传 热。与侧烧炉类似，转化管可以为双排或 单排。这种炉子的对流室全部置于辐射室 顶部，烟气上行，采用自然抽风，没有引 风机。
主要产品：
合格氢气
用氢单位：
渣油加氢、加氢裂化、柴油加氢、硫磺等
一、装置概述
技术路线：
造气部分引进Technip公司低能耗蒸汽转化制氢技术 吸附部分采用成都华西工业气体有限公司PSA净化工艺
技术特点：
技术先进、成熟可靠、灵活节能
转化炉的 参数特点：
三高：高转化入口温度、高转化出口温度、高碳空速 一低：低水碳比 特点：代表当今较先进的制氢技术水平。
四、关键设备介绍---压缩机
由于压缩机结构、制造、 原动机带动曲轴旋转，而曲轴通过连杆与活塞杆相连， 装配、运转等方面的需要，气 缸中某些部位留有一定的空间 连杆将曲轴的旋转运动转换为活塞的往复运动，活塞在汽 或间隙，将这部分空间或间隙 称为余隙容积
缸内对气体进行压缩．工作过程演示
整个工作过程分吸气、压缩和排气三个过程 压缩机的理想工作过程是：①压缩机没有余隙容积， ②吸、排气过程没有阻力损失，③吸、排气过程中与外界 没有热量交换；④没有泄漏。
PSA
产品氢气经压力调节系 统稳压后送至加氢装置作 为原料。
三、工艺过程 轻烃蒸汽转化制氢工艺流程模块图
蒸汽 天然气 干气 石脑油
加 氢 脱 硫
预 转 化
转化
变换
Байду номын сангаас
PSA
氢气
燃料气
三、工艺过程
制氢装置工艺流程简图
原料预热器 原料汽化器
氢气自界区或PSA 转 化 炉 CE-203 CE-204 CE-205 CE-202 CE-201
原料气升 压及精制
转化
三、工艺过程
原料气升 预转化 压及精制
自系统管网来的干气经压缩机升压 后，与自界区来的天然气混合进入装置， 混合后原料压力4.0MPa（G）。
进入脱硫部分的原料气，首先经过钴钼加氢反应器，在钴钼 精制后的原料气，按水碳比 催化剂的作用下发生氢解反应，把有机硫转化为无机硫，有机氯 2.3mol/mol与工艺蒸汽混合，再经转化 转化为氯化氢。然后，加氢后的原料气通过脱硫反应器床层，在 炉对流段中原料/蒸汽预热段预热至 加氢反应器氯化氢与氧化钠反应，生成氯化钠，在脱硫反应器氧 470℃，进入预转化反应器。预转化反 化锌与硫化氢发生反应，生成硫化锌，达到脱氯、脱硫的目的。 应器为一绝热反应器，在催化剂的作用 精制后的气体中硫含量小于0.1ppm，进入预转化部分。
二、工艺原理
变压吸附（PSA）
变压吸附是对气体混合物进行分离提纯的工艺 过程，该工艺是多孔性固体物质内部表面对气体分 子的物理吸附。混合气体中的杂质组分在高压具有 较大的吸附能力，低压下具有较小的吸附能力，变 压吸附就是利用这种原理吸附、解吸，达到循环吸 附解吸过程。
PSA
分子筛对一般气体分子的吸附顺序: H2 < N2 < CH4 < CO < CO2
华北石化公司
制氢装置工艺及设备简介
石化老李 QQ：83735178
华北石化公司
装置概述 工艺原理 工艺过程 关键设备介绍
一、装置概述
16万标方/小时制氢装置是公司千万吨升级改造项目中的新建装置
工艺路线：
以天然气、干气和石脑油为原料的轻烃水蒸汽转化法
主要单元：
原料精制、预转化、转化、高温变换、变压吸附
炉型结构比较
工况的适应
顶烧炉上部供热较多，转化管采用抗积碳性能好的催化剂 时，可以很好的和转化反应相匹配，在反应最激烈处能供给 最多的热量，燃料放热分布与反应吸热分布较协调。但炉管 纵向温度不能调节，在操作末期或催化剂积碳时，上部反应 较少，管内介质温度升高很快，造成转化炉管的管壁温度升 高，对炉管寿命有影响，设计管壁温度也需要较大的裕量。 侧烧炉和梯台炉可以根据需要调节沿炉管长度方向受热的 负荷，对不同工况的适应情况较好。
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四、关键设备介绍---转化炉
底烧炉
目前多用于 小型装置
燃烧器位于辐射室底部，烟气上行。
底烧炉现场照片
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四、关键设备介绍---转化炉
我公司制氢装置采用顶烧炉
特点 1、提供的热量与介质流向相 同，适合转化反应的要求。 2、炉管受热均匀，有利于延长 炉管的使用寿命。 3、燃烧器数量少，调节方便， 维护量小。 4、占地面积小，对流段设置于 地面上，安装和检修都较为方便， 汽包安装高度亦大大降低。 图片
三、工艺过程
高温变换
由转化气蒸汽发生器来的340℃转化气进入高温变 换反应器，在催化剂的作用下发生变换反应，将变换 气中CO降至3%左右。为了提高CO的变换率，增加产品 氢的收率，变换部分设置两段反应器。第一段反应器 出口残余CO含量约为4.4%，出口温度约416℃。第一段 反应器出口变换气经过冷却至340℃后，进入第二段反 应器进一步发生变换反应，反应出口温度为352℃，残 余CO含量降至3.0%左右，变换气经一系列的换热器冷 却降温至40℃，并经分水后进入PSA部分。
下，发生一系列的热裂解、催化裂解、 脱氢、加氢、积碳、氧化、变换、甲烷 化反应，生成富含甲烷的气体。
三、工艺过程
出预转化反应器的 气体富含甲烷，温度 426℃，按总水碳比 2.85mol/mol配入工艺 蒸汽，再经转化炉对流 段预热至595 ℃，由上 集合管进入转化炉辐射 段。
转化 转化炉管内装有催化剂，在 催化剂的作用下，原料气与水蒸 气发生复杂的转化反应，整个反 应过程表现为强吸热过程，反应 所需热量由转化炉燃烧气提供。 出转化炉的高温转化气经转化蒸 汽发生器发生中压蒸汽后，温度 降至340℃进入高温变换部分.
炉型结构比较
操作情况
顶烧炉的燃烧器都集中在炉顶，造成炉顶的操 作条件比较恶劣，由于炉顶的温度非常高，炉顶 布置又非常紧密，正常操作过程中调节燃烧器有 一定难度。侧烧炉和梯台炉的燃烧器均布置在侧 墙，操作条件和缓，对正常操作好处较大。但侧 烧炉由于燃烧器数量较多，点火时花费的时间比 顶烧炉要长。
炉型结构比较