天然气重整制氢工艺

原料预热：原料气（天然气和少量循环氢气）在进入加氢脱硫反应器V101以前，先经过原料预热器HX101预热。此预热器为多管程套管式换热器，原料气走壳相，同时己经反应结束的工艺气从废热锅炉WH104来，进入预热器管程。原料气被加热至382℃左右；工艺气则从412℃降温到328℃。

加氢脱硫：自原料加热器来HX101加热过的原料气（天然气和少循坏氢气），温度大约为382℃。被预热后的原料气从加氢脱硫反应器V101底部进入反应器，优先和底部的钴钼催化剂反应，在催化剂的作用下，原料气中所有的有机硫会和氢气反应，生成无机硫（硫化氢），此外烯烃在氢气的作用下，也能够被加氢达到饱和状态。反应后的原料气通过加氢脱硫反应器的上部，上部为氧化锌床层，硫化氢与氧化锌反应后生成硫化锌和水，硫在这个反应器小要求全部吸收。

重整：加氢脱硫的原料气与一定量的蒸汽混合后（S/C比一般在3.0，mol比），进入原料的超级换热器（过热器）WH101，然后进入重整炉R101炉管。重整炉为底烧圆筒型转化炉，反应炉管沿耐火隔热墙呈圆形排列。重整炉管底部有一个燃烧器，以提供重整反应所需要的能量。己经加氢脱硫后，过热的原料气自下而上通过炉管。

重整炉炉管是制氢装置的核心。甲烷和水蒸汽在镍系催化剂作用下发生反应，产物得到氢气、一氧化碳、二氧化碳和残余甲烷，反应方程式为：

总反应式：C_mH_n+nH₂O→ (n/2+m)H₂+mCO

甲烷反应：CH₄+H₂O→CO₂+H₂

重整反应是强吸热反应，需要严格控制好外部加热条件。

在重整反应的同时，还伴随水煤气变换反应，反应方程式为：

CO+H₂O→CO₂+H₂

在充分考虑炉管寿命最优化的前提下，温度越高，重整转化率也越高。在催化剂寿命末期，炉管出口温度大约是843℃。在炉管出口温度可以适当下降时，也能得到理想的转化率。重整炉出口的烟道气温度为1010℃左右，首先经过超级换热器（过热器）WH101，然后经过烟道余热废热锅炉1101E05生产蒸汽，然后经过助燃空气预热器1101E04预热助燃空气。排大气时烟道温度大约为191℃左右。

CO变化反应：重整炉出口热工艺气流依次经过重整气预热锅炉WH104，高变（高压变换）反应器V102和HX101。重整后的工艺气在WH104内降温，通过废锅中心管的挡板的调节，控制工艺气出口温度在343℃。（高变催化剂末期温度）。

在高变反应器V102内，工艺气在铁系催化剂的作用下，工艺气内CO，进一步和水蒸汽反应，生成二氧化碳和氧气，反应方程式为：

CO+H₂O→CO₂+H₂

变换反应是放热反应，故反应器进口存在温升，同时该温升也是重要的调节参数，估计设计参数，装置负荷在100%时，反应器进出口温升为69℃。在100%负荷下，反应器进口温度为343℃，那么预计出口温度为412℃。

此外，高变催化剂具有温度记忆功能，如果长时间在一个固定温度下运行，温度就很难降下来。因此，在保证转化率的情况下，建议高变催化剂应在尽可能低的温度下操作，使进口温度上升的速率和催化剂寿命消耗的速率相适应。催化剂寿命末期的设计进口温度为343℃。

工艺气冷却系统：自高变反应器出口的工艺气，先经过原料预热器冷却到328℃左右，然后进入高变预热废热锅炉WH105，在生产蒸汽的同时，工艺气被冷却到227℃。接着通过一系列换热器逐步冷却。

第一个换热器是锅炉给水换热器HX102，其中锅炉给水走壳程，工艺气走管程。锅炉水被工艺气从108℃升温到171℃后，送至汽包1102D01。工艺气到出口时被冷却至143℃。然后进入除氧器换热器HX103。

除氧器换热器HX102中，工艺凝液和除盐水补充水走壳程，工艺气走管程。工艺凝液和除盐补充水从26℃预热到99℃后，送入除氧器V106。工艺气则被冷却到124℃。然后进工艺气冷却器HX104。

工艺气冷却器HX104中，工艺气走壳程，冷却水走管程。合成气被换热器冷却到38℃，其中的水份被冷凝下来。合成气和冷凝水进入冷凝液分液罐V104，凝液在此设备中被收集起来，粗氢气送入PSA纯化系统。

冷凝液分液罐V104中的凝液经过除氧器换热器HX103后送至除氧器V106回收利用。

PSA变压吸附系统：以3000NCMH的甲醇制氢为例，一般适用4罐PSA，循环型式为4-1-1+1(吸附罐总数4一同时处于吸附罐数1一吹洗前均压次数1+吹洗后均压次数1)。

通过PSA后，得到的99.999%高纯氢。PSA中的吸附剂主要有活性氧化铝、活性碳和10A的分子筛。

尾气回收系统：尾气是在PSA再生时得到的（从自降压到吹扫的步骤），收集的尾气在尾气罐V105缓冲收集，收集的尾气是重整炉的主要燃料之一。尾气罐V105的设计作用是最小化PSA循环切罐时引起的压力波动，正常操作时尾气的输出压力范围大约是0.2barg到1.0barg。

另外，由于PSA尾气的组分在整个吹扫的过程中也是变化的，尾气罐V105内部分配管结构提供了混合尾气，同时相对确保稳定了尾气的热值。

V105的尾气经过流量控制器送往重整炉燃烧器。为了达到最大装置效率，PSA产出的所有尾气都应当送住重整炉燃烧。同时为了确保PSA最大效率，尾气罐压力应控制得尽可能低。为了达到这两个指标，罐上安装有压力控制器，其输出值向尾气流量控制器提供设定值。

一旦PSA停止运行，将不再产生尾气。在这种情况下，合成气以通过旁路阀门，直接从凝液水分液罐V104送往尾气罐作V105作为重整炉燃料。

重整炉燃烧系统：重整炉燃烧器B101足一个固定在转化炉底部的喷头朝上的火嘴，用来向炉管提供热量。燃烧器可以同时燃烧天然气和富氢气的PSA尾气。燃烧器的操作需要引风机F101和进风机F102一同进行。在重整炉运行时由引风机F101维持一个6.35mm水柱的真空度。助燃空气在进燃烧器前，在助燃空气预热器WH106和烟道气预热锅炉1101E05出口的烟道气换热至399℃。

燃烧器由三个组件构成，分别是：点火器；主天然气火嘴；PSA尾气火嘴。

点火器主要用坐开车阶段给主烧嘴点火。主天然气火嘴呈园形分布。根掘天然气低发热位（LHV)，大然气烧嘴的设计发热量为4.16GJ/hr。PSA尾气烧嘴。根据预计的富氢PSA尾气低发热值（LHV），尾气火嘴的设计发热量为8.39GJ/hr。

在开车期间，因为只有天然气燃料，所以只使用天然气烧嘴。投用尾气火嘴的前提是天然气烧嘴经投用。整个燃烧系统可以在运行过程中自行监测火焰状况的紫外线火焰探测仪BMS700。尾气火嘴没有特别的火焰监测设备。

天然气重整制氢工厂实际性能参数

通过实际稳定生产期间的生产数据，得到实际性能参数。

实际天然气制氢装置单耗=0.473NCMH天然气/NCMH氢气

设计天然气制氢装置热效率=76.36%（产品热值/原料热值）

计算中氢气产品热值3.545kw/NCMH，天然气热值11.257kw/NCMH，蒸汽热值0.77403kw/kg）

天然气重整制氢工厂工艺特点

1、当前价格经济最好的工艺

2、行业配范围非常广，生产规模从小到大全部适用：从各种规模的设备都非常成熟，所以不论是医药、电子气的小户；或者石化、冶金、化工、玻璃、光伏那样的中等户；还是炼油、化肥、树胎类精细化学品那样的大用户，SMR工艺都可以满足。

3、实际生产关键控制点多，工况波动较大，参数调整后滞后效果严重。就工艺本身而言，天然气重整制氢的工艺不算太复杂，不过天然气的重整反应是一个强吸热反应，且需要的反应基础温度很高，至少需要800℃左右，所以温度控制是SMR工厂主要抓手，但由于温度控制需要微分控制，所以调节很复杂，一旦工况波动，很容易使控制阀门运行数据离散。但总体来言，毕竟工艺还是比较成熟，只要调整得当，还是能够通过控制系统，实现无人的全自动工厂。面对日常的控制，需要控制的部分也很少，按照系统单元分开的话，需要关注：工艺系统、蒸汽系统和烟道系统。

工艺系统着重关注，加氧脱硫、重整反应和高变反应的反应进口温度，反应釜压差，反应器压差等等，通过这些参数就可以比较直观的控制催化剂的实际性能。对于蒸汽系统，则需要关注残余反应的蒸汽量与天然气进料量的比例，通过适当的水碳比不但能提高工厂效率，还能有效防止催化剂积炭，维持催化剂正常的适用寿命。此外，废锅汽包的加药与实际操作压力也是需要关注的，这样可以大大提高废锅汽包及相关管道的使用寿命。烟道系统，也需要将烟道氧含量控制在1~5%，达到较高的热效率，由于烟道燃烧系统热损失比较大，观察烟道的各个温度点也可以直观判断是否存在保温问题或二次燃烧。