孫晨

（國家電投集團科學(xué)技術(shù)研究院有限公司,北京 102209）

1 天然氣加氫工藝技術(shù)應(yīng)用的必要性

隨著對電能需求的不斷增多，風(fēng)力發(fā)電站、光伏發(fā)電站建設(shè)項目受到了重視，但是不管是風(fēng)力發(fā)電站還是光伏發(fā)電站，在運行中會有大量棄風(fēng)棄光現(xiàn)象的出現(xiàn)，如何在實現(xiàn)節(jié)能的基礎(chǔ)上進一步將棄風(fēng)棄光的電量儲存起來，在需要時再循環(huán)利用是當前廣大風(fēng)電光伏發(fā)電站需要重點思考的問題。從天然氣能源應(yīng)用的角度來看，如果能將棄風(fēng)棄光的電量通過電解水的方法制成氫氣，然后再和天然氣摻混，通過天然氣加氫工藝技術(shù)儲存為可供日常生活生產(chǎn)所需的天然氣，既滿足了消費需求，又減少了棄風(fēng)棄光的現(xiàn)象，不但節(jié)約了能源而且還會降低對環(huán)境的污染。為此，必須提高對天然氣加氫工藝技術(shù)應(yīng)用的重視程度，探究天然氣摻氫工藝，研究天然氣摻氫并利用天然氣管道輸送到用戶端的可行性。依次進行天然氣加氫工藝，采用分離工段、氫氣合成、綜合利用氫氣工藝滿足去除煤氣雜質(zhì)的要求，將煤氣匯總進一步拖車u煤氣的焦油霧滴，得到符合工藝要求的天然氣產(chǎn)品。

2 天然氣加氫工藝化學(xué)反應(yīng)機理和工藝流程

2.1 天然氣加氫工藝化學(xué)反應(yīng)機理

在天然氣摻氫中，是將已經(jīng)通過電解水制成的氫氣和天然氣混合，可脫去天然氣產(chǎn)品中的飽和烯烴和產(chǎn)品中的硫、氮、氧和金屬雜質(zhì)，從而提升產(chǎn)品的穩(wěn)定性，保證其顏色、氣味和燃燒性能符合使用要求。加氫通過電化學(xué)作用在天然氣分離過程中發(fā)生。

2.2 天然氣加氫工藝流程

天然氣制氫的工藝流程由原料氣處理、蒸汽轉(zhuǎn)化、CO變換和氫氣提純四大單元組成。原料氣處理單元，采用MnO和ZnO脫硫劑脫去H2S和SO2。需要處理大量的天然氣的脫硫原料，處理要求高，因此在壓縮原料氣時，一般較大的離心式壓縮機是優(yōu)選設(shè)備。

蒸汽轉(zhuǎn)化單元中轉(zhuǎn)化爐的型式、結(jié)構(gòu)各有特點，上、下集氣管的結(jié)構(gòu)和熱補償方式以及轉(zhuǎn)化管的固定方式也不同。水蒸氣為氧化劑，在鎳催化劑的作用下得到制取氫氣的轉(zhuǎn)化氣，將烴類物質(zhì)轉(zhuǎn)化，在蒸汽轉(zhuǎn)化單元中一般采用高溫轉(zhuǎn)化和相對較低水碳比的工藝操作，對流段換熱器設(shè)置參數(shù)有利于轉(zhuǎn)化深度的提高，從而節(jié)約原料消耗。

CO變換單元含一定量的CO，轉(zhuǎn)化爐送來的原料氣，變換的作用是使CO在催化劑存在的條件下，與水蒸氣反應(yīng)而生成CO2和H2。按照變換溫度分，變換工藝可分為高溫變換（350～400℃）和中溫變換（低于300～350℃）。

3 天然氣加氫工藝準備

3.1 原料和產(chǎn)品

加氫工藝的原料有由電解水生成的氫氣，將這些原料由泵送到加氫裝置進行天然氣摻氫制作。在加氫精制前還要確定好加氫產(chǎn)品的指標與轉(zhuǎn)化率指標。

3.2 設(shè)備

加氫裝置設(shè)備包括混氣撬、反應(yīng)設(shè)備、壓縮設(shè)備、冷換設(shè)備、加氫高壓分離器、加氫高壓換熱器等。在加氫反應(yīng)前應(yīng)根據(jù)加氫工藝的需要確定合適的反應(yīng)器數(shù)量并進行配置，反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置三個床層，并在床層間設(shè)置噴射盤和再分配盤。

4 天然氣加氫工藝技術(shù)存在的問題和改造完善措施

4.1 天然氣加氫工藝技術(shù)存在的問題

傳統(tǒng)的加氫工藝中，水蒸氣為氧化劑，在鎳催化劑的作用下將烴類物質(zhì)轉(zhuǎn)化，得到制取氫氣的轉(zhuǎn)化氣。轉(zhuǎn)化爐、上、下集氣管的結(jié)構(gòu)和熱補償方式以及轉(zhuǎn)化管的固定方式各有不同。對流段換熱器設(shè)置不同，一般在蒸汽轉(zhuǎn)化單元都采用了高溫轉(zhuǎn)化和相對較低水碳比的工藝操作參數(shù)設(shè)置有利于轉(zhuǎn)化深度的提高，從而節(jié)約原料消耗。但是由于燃料成本逐漸升高，直接制約天然氣余熱收集再利用，，在制氫過程中煙道出口溫度過高，導(dǎo)致很多熱量浪費，煙道氣出口溫度仍然很高，浪費了大量熱能，昂貴的設(shè)備也帶來成本升高的問題。另外，制氫過程中會殘生大量的二氧化碳，不僅會帶來資源浪費，工藝實施中產(chǎn)生的二氧化碳過量直接會影響環(huán)境。

4.2 天然氣加氫工藝技術(shù)改造和完善

對天然氣加氫工藝進行改進，是為了對原有加氫反應(yīng)器的反應(yīng)溫度、燃燒配風(fēng)比等運行參數(shù)進行合理的調(diào)整與控制，從而起到優(yōu)化運行、環(huán)保生產(chǎn)和節(jié)能降耗的作用。在具體措施方面，進為在滿足加氫基本要求和設(shè)備運行安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，可在加氫爐出口位置設(shè)置合理的降溫設(shè)施，從而可減少加氫爐內(nèi)燃燒氣的消耗。此外，多次實驗測試氧化燃燒配風(fēng)比進行合理設(shè)置，確定相應(yīng)的伴燒蒸汽用量，既能滿足燃燒產(chǎn)氫的量，又能減少燃燒過程中結(jié)焦現(xiàn)象的出現(xiàn)。

天然氣分離預(yù)處理工序，提取純氫氣工序，完成真空變壓，甲烷液化，經(jīng)過預(yù)處理脫離多余二氧化碳，進行氫氣等組分的加入，氫氣的提出工序降低能耗，根據(jù)加氫反應(yīng)設(shè)計合理的溫度條件，在低溫狀態(tài)下去除堵塞的成分和腐蝕的成分，根據(jù)加氫反應(yīng)的溫度設(shè)計要求，在滿負荷運行狀態(tài)下，做好加氫反應(yīng)器的反應(yīng)溫度、燃燒配風(fēng)比等參數(shù)的設(shè)置，適當降低爐出口溫度，確定相應(yīng)的伴燒蒸汽用量，經(jīng)過測試，降低出口溫度的試驗保持24小時的溫度梯次的運行，保證裝置內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)充分，并控制尾氣吸收塔排放的尾氣含量。在測試中如果發(fā)現(xiàn)加氫器出口溫度較低時出現(xiàn)多次滅火的現(xiàn)象，表明在該溫度范圍內(nèi)加氫爐內(nèi)燃燒不穩(wěn)定，通過增加一個梯度的溫度再次測試，氣液化裝置采用混合冷劑進行制冷配置，經(jīng)過氰化物的混合、冷凝、蒸發(fā)、膨脹得到不同溫度水平的制冷量，通過操作溫度的控制，降低尾氣吸收塔的排放尾氣硫化和有機硫，減少加氫爐內(nèi)燃燒氣用量，可相應(yīng)減少尾氣的排放量。第二，根據(jù)燃料氣的組分計算裝置使用的燃料氣含量，并根據(jù)實際加氫裝置情況合理設(shè)置配風(fēng)比的范圍，并進行測試后對配風(fēng)比進行合理調(diào)整，與急冷塔頂氣相反應(yīng)后的氫量比較確定合適的配風(fēng)比范圍，然后根據(jù)加氫爐內(nèi)燃燒結(jié)焦的速度確定最終配風(fēng)比值。

5 天然氣加氫過程中需要注意的事項

通過開展尾氣處置裝置的標定，250攝氏度為加氫反應(yīng)爐最佳的操作溫度，通過控制操作溫度，尾氣吸收塔的硫化氫小于50ppm,加氫燃料氣550NM3/H。燃燒配封閉根據(jù)普光凈化裝置，計算燃燒器每摩爾燃燒需要9.5322mol空氣，防止積碳和結(jié)焦的情況發(fā)生。

氫氣作為裝置的原料氣，氫氣一旦發(fā)生泄漏也會引起火災(zāi)、爆炸等事故。加氫裝置中含有高濃度的硫化氫，在反應(yīng)過程中若使硫化氫隨著廢氣排出就會使人中毒甚至死亡。因此，必須對裝置設(shè)置安全防護設(shè)施，且現(xiàn)場人員必須采取防毒措施，嚴格按照操作步驟開展。另外，要求加強現(xiàn)場電氣管理，做好對管線、管件、閥門等設(shè)施的檢查檢測，做好嚴格的管線焊接技術(shù)質(zhì)量控制，加強現(xiàn)場安全巡查，這些都是降低現(xiàn)場安全事故、保證加氫精制順利完成的必須采取的措施。

6 結(jié)語

綜上所述，加氫精制的目的是降低天然氣原料及其產(chǎn)品中的硫含量，但因為單純的加氫脫硫無法起到大幅度降低含硫量的效果，所以還需要通過提升催化劑的制作質(zhì)量、選擇先進的加氫裝置設(shè)備，掌握加氫精制的工藝原理和流程，對加氫原料和產(chǎn)品質(zhì)量進行控制，才能使最終產(chǎn)品符合生產(chǎn)使用要求。