天然气制氢技术在氯碱生产中的应用研究

天然气制氢技术在氯碱生产中的应用研究

付立

新疆中泰集团华泰重化工有限责任公司新疆 830000

摘要：氯碱产品的在化工行业有着重要的地位，近年该行业技术得到长足发展，我国也在氯碱工业生产研究上取得了重大的突破和进展。现阶段，市场对氯碱产品的需求量在与日俱增，如何扩大生产能力，如何处理好生产环节的氯、碱平衡问题已经成为业内人士关注的焦点。本文将针对天然气制氢技术展开探讨，旨在有效解决以富余氯气的平衡为代表的一系列问题，为同行业提供有益的借鉴和参考。

关键词：天然气制氢技术；氯碱生产；应用

在氯碱生产环节，往往伴有大量富余氯气的产生，然而氯产品的市场需求量相对有限，再加上储运环节的诸多限制，给富余氯气的处置问题增加了一定的难度。值得一提的是，能否做好富余氯气的平衡工作，将会对烧碱的生产以及PVC的生产造成直接而重要的影响，集中体现在社会效益和经济效益这两大方面。通过天对然气制氢技术的合理运用，能够有效解决富余氯气的平衡问题，不仅有助于氯化氢产量的不断提高，还有助于PVC实际产量的不断提高。

1方案的可行性探讨分析

由于天然气制氢装置对投入资金有着较高的需求，所以，国内绝大多数的中小企业没有引用该类装置，该类装置常见于那些资金雄厚、规模较大的企业，一旦予以合理配置，将会为企业带来十分可观的经济收益。引用天然气制氢装置的过程中，应充分考虑企业所处的地理位置，如果企业所在地具有丰富的石油及天然气资源，那么将会给企业带来极大的优势，一方面制氢技术的运行成本得以大幅降低，另一方面氯气的储运问题得到了有效解决。现阶段，越来越多的相关企业开始致力于不同规模的天然气制氢装置的建设和应用，以期有效解决生产环节存在的富余氯气平衡问题，在提高自身经济效益的同时，促进自身的长期发展、健康发展。

2平衡富余氯气所需氢气的流量

以年产量为180000t离子膜法烧碱作为研究依据，整个过程中，氢气、氯气产量的理论值分别为4500t/年、159750t/年。以H₂、Cl₂为原料进行HCl合成时，遵循如下比例原则：n(H2):n(Cl2)=(1.05～1.10):1。方便起见，下文采用1.10:1这一比例进行计算。在标准条件之下，Cl₂富余量的计算公式如下：

（159750/71-4500/2×1.10）×1000×22.4÷8000=572.6（m³/h）。

考虑到在其他一系列生产环节存在Cl2自用问题，其值为30m3/h左右，如此一来，便可得到标准条件之下，H2需求的一个理论量：

（572.6-30）/1.10=597（m³/h）。

为保证整个系统具有足够的稳定性，同时具有一定的可操作性，建议选用制氢效率为600³/h或者再高一级的天然气制氢装置。

3天然气制氢的流程解析

天然气制氢的整个过程主要包括三个环节：第一个环节，原料天然气脱硫；第二个环节，天然气蒸汽转化；第三个环节，变压吸附。

3.1燃料天然气脱硫

施加某种程度的温度以及压力，然后在氧化锰以及氧化锌这两种脱硫剂的帮助下对天然气进行脱硫，使其中的有机硫以及H2S得以大幅下降，并控制在0.2μL/L以内，从而达到蒸汽转化脱硫剂对硫的一系列条件。该过程的化学反应原理见下列两式：COS+MnO=MnS+CO₂；H₂S+ZnO=ZnS+H₂O。

3.2天然气和蒸汽变换

首先，对已经完成脱硫处理的天然气以及水蒸气进行高压压缩处理；其次，将其水碳比控制在一个合理的范围内，并予以混合加热；再次，加入一定比例的镍催化剂，并施加一个750～850℃的高温条件。如此一来，甲烷气体与水蒸气这两种物质便在转化管中得到了充分反应，最终转化成三大物质，分别是H2、CO以及CO₂。接下来，由转化得到的混合气体将会经历一个高温反应，CO、水蒸气二者发生作用并释放出CO₂和H2这两种物质。整个反应过程是一个大量吸热的过程，所以，对外界供热有较高的要求，另外，转化环节所需的那部分热量由辐射段供应。上述过程的化学反应原理见下列两式：CH₄+H₂O=CO+3H₂-Q；CO+H2O=CO₂+H₂+Q。由上式可知，CO经历了如下变化：在转化气体中，CO含量的将会逐渐升高，当达到13%上下时，在合适的温度以及催化剂推动下，便会和水蒸气发生反应，释放出CO²和H₂这两种物质。CO的变换过程需要中温环境的支持，因为该种环境更利于平衡反应的发生，最大程度提升其转化率，最终大幅提高单位H2的产量。一般情况下，为了实现对生产工艺流程的进一步简化，同时尽量节省投资，应用天然气制氢技术的过程中，通常仅利用一段变换。

3.3变压吸附装置

该装置能够对H2形成有效的吸附及提纯，吸附属于物理作用，不含化学反应，另外，吸附效率极高，参与该过程的诸多物质能够在极短时间之内形成理想的动态平衡。该过程是一个可逆过程，如此一来，具有再生循环特点的吸附系统便有了理论基础，不仅可以对H2进行分离及提纯，还有助于成本的节约。

该装置可以对H2进行分离及提纯，其工作原理在于：施加一定的压力，同时利用吸附剂的本身特点（选择性；吸附容量随压力的变化而变化），对原材料中的诸多杂质进行有效吸附。通过压力降低的办法使杂质脱离吸附剂，便实现了吸附剂的反复使用以及循环使用。变压吸附主要包含两个步骤，一是吸附，二是再生（指的是吸附剂的再生），详细的实现步骤如下：第一步，在降压吸附塔的帮助下，完成压力的相应降低；第二步，在低压状态下，使用高纯度的H₂对吸附剂进行彻底清洗，去除其中的残留杂质；第三步，使用高纯度的H₂对吸附塔进行增压，使其上升到规定标准，为后续的分离提纯做好准备。

4生产运行总结及异常分析

在应用天然气制氢技术的过程中，需要控制好系统中的天然气压力，使其保持在1.8～2.2Mpa之间。在气温偏低的冬季，天然气用户数量将会达到高峰，受此影响，能够系统中天然气压力则会表现出相对降低的情况，一般在1.2～2.4Mpa这一范围内波动，这种情况给制氢系统的可靠运行带来了极为不利的影响，继而影响到下游诸多系统的正常运行以及安全运行，最终，天然气制氢装置的实际生产力没有达到设计要求及使用要求。为解决这一问题，业内人士进行了积极探索，并找到了应对之策，如某公司在室外天然气管线的适当位置设计并安装了一套能够实现压缩以及加压作用的装置。当进口压力在1.9MPa之下时，该装置便会自动启动；当进口压力在2.2MPa之上时，该装置则会自动停止。无论在启动过程中，还是在停止过程中，送气压力以及流量均能保持相对稳定，不会出现短供这一严重问题。另外，该调控过程也可通过远程调控的方式予以实现。在装置运行初期，容易出现了气相色谱难以稳定运行的问题，故障频发，尤其是当物料中的水含量超过某个值时，无法展开相应分析，这对于生产控制而言是“致命”的。如果是仪器本身原因（质量不达标或者零件毁损），则需要予以及时调整或者更换，从而解决该类问题，保证生产控制处于正常状态。

5结束语

在天然气制氢装置的运行过程中，无论是脱硫剂的使用，还是催化剂的使用，均需要考虑使用寿命的问题，相关人员应严格履行自身的职责，按规操作，从而尽量延长上述催化剂的实际使用寿命。天然气制氢装置运行环节，对水炭比有着严格的要求，通常需要保证在4.0以上，一旦出现配比不当，将会导致严重的问题，如甲烷于转化管处发生裂解反应，最终造成转换管出现积炭问题。在生产环节，不仅要控制好压力的变换（不可超过0.3Mpa/h），还应控制好温度的变换(不可超过60℃/h)，在保证机械设备得以正常工作的前提下，根据实际生产需求，以缓慢匀速这种方式来增加或者减少产量，另外，对压力、温度变换进行有效控制，能够对催化剂起到一种保护作用，从而延长其使用寿命，最终起到节省投资的作用。

参考文献：

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