工业制氢技术及经济性分析

总第１５３期　２０１４年第５期　山　西化　工　Ｔｏｔａｌ　１５３　Ｎｏ．５。２０１４　ＳＨＡＮＸＩ　ＣＨＥＭＩＣＡＩ　ＩＮＤＵＳＴＲＹ　专题讨论　工业制氢技术及经济性分析　张佩兰，　郑　黎　（河南神马尼龙化工有限责任公司，河南　平顶山４６７０１３）　摘要：介绍了不同的工业化制氢技术，结合实际生产数据对不同制氢技术进行经济性分析，为新建制氢　项目工艺选择提供技术性和经济性参考，达到项目投运具有良好经济效益的目的。　关键词：制氢；焦炉气；煤焦；甲醇；天然气　中图分类号：ＴＱ１１６．２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００４—７０５０（２０１４）０５．００５４．０３　引　言　随着石油炼制工业以及三大合成材料为中心的　石油化学工业的飞速发展，氢气消耗量也在迅速增　加。很多有机合成工业、冶金工业、电子工业都迫切　需要大量纯氢，氢气消耗费用已成为各个用氢企业　荷、稳定运行的最佳状态，一次性设备投资巨大，不　适宜用于单纯的制氢目的。因此，本文的煤焦气化　制氢技术指的是成熟的固定床富氧造气技术。　１．１．１工艺流程　以煤焦为原料，利用空分装置副产氧气（纯度　９９．６　）和蒸汽作汽化剂，采用富氧气化炉制得半水　煤气，半水煤气经过净化、变换及变压吸附装置后制　得纯氢（９９．９％）。　的主要成本，氢气的成本决定了企业的盈利水平。因　此，选择合适的制氢工艺，降低生产成本，已成为制氢　项目经济分析的重要任务，受到人们的普遍关注。　我国现阶段制氢技术主要有５大类：一是传统　的电解水法，这种方法由于能耗过高，除已建成装置　外，已少有新建装置；二是采用煤焦气化技术；三是　采用变压吸附提纯焦炉气技术；四是采用天然气、烃　１．１．２技术特点　该工艺是我国传统问歇式煤气化技术的改进，　采用氧气、蒸汽常压气化，可以采用三级冶金焦、白　煤、型煤作原料，在生产运转中只需调整部分工艺技　术指标和小规模技改，即可实现３种原料的切换生　产；相对于大型气化技术建设周期短。　缺点是能耗大、投资较高、污染大，原料采购受　类转化、重油裂解等技术；五是甲醇裂解制氢技术。　结合我国制氢技术的应用情况，本文介绍几种较成　熟且常用的制氢技术＿ｌｌ　］。　限。其中，白煤、型煤原料只有山西有丰富的无烟煤　资源（目前，在贵州、宁夏也陆续发现无烟煤资源），　这就造成了我国氮肥厂主要原料依赖山西晋城无烟　１　制氢技术及经济性分析ｒ３－４］　１．１煤焦气化技术　煤的局面，导致煤价高，对于远距离企业运费高。　１．１．３经济分析　以制氢规模１０　０００　ｍ。／ｈ为例，该种工艺制氢　总投资需９　０００万元。３种原料下的煤焦气化技术　生产成本对比，如第５５页表１所示。　由于国内外大型煤气化技术主要用途是制造合　成气，用于生产氢、氨、醇、油、燃气、化肥等。加之，　目前，Ｓｈｅｌｌ、Ｇｓｐ、灰熔聚等多数气化技术工程设计　和操作经验不完善，装置还没有达到长周期、高负　收稿日期：２０ｌ４一Ｏ８一Ｏ６　作者简介：张佩兰，女，１９７２年出生，２０１ｏ年毕业于中原工学院，工程　师，从事生产技术管理、研发以及大型技术创新及项目建设工作。　２０１４年第５期　张佩兰。等：工业制氢技术及经济性分析　・５５・　焦炭制氢成本／　元・ｍ～。　白煤制氢成本／　元・ｍ一。　型煤制氢成本／　元・ｍ一０　由表１可以得出结论，原料成本在１　０００元／ｔ　以下情况，型煤制氢具有成本优势；原料成本在　１　０００元／ｔ以上情况，白煤制氢具有成本优势。但　无论原料价格如何，焦炭气化制氢成本最高。　１．２焦炉气制氢　焦炉气制氢技术是采用变压吸附的工艺，从炼　焦行业副产的焦炉气中提取纯氢。其基本原理是利　用固体吸附剂对气体的吸附具有选择性，以及气体　在吸附剂上的吸附量随其分压的降低而减少的特　性，实现气体混合物的分离和吸附剂的再生，达到提　纯制氢的目的。　１．２．１　工艺流程　根据原料焦炉气组分比较复杂的特点，该制氢　的工艺流程分为５个工序：原料气压缩工序、原料气　预处理工序、ＰｓＡ—ｃ／Ｒ、半成品压缩工序、ＰＳＡ—Ｈｚ　工序。　１．２．２技术特点　国内不少焦化企业改变过去只焦不化、焦炉气　点天灯的既浪费资源又污染空气的做法，充分利用　焦炉气制氢已建成制氢、甲醇、二甲醚等装置。经过　近几年的应用，目前焦化技术已经运转成熟、可靠，　装置建设投资低、占地面积小、生产成本低、自动化　程度高，属于废气回收利用的环保项目。　缺点是该工艺的生产装置只能依靠焦化企业就　近兴建，否则管道输送氢气的成本将非常昂贵。　１．２．３经济性分析　以制氢规模标准状态１０　０００　ｍ。／ｈ为例，该工　艺制氢总投资５　０００万元。原料气不同价格下的氢　气生产成本如表２。　表２焦炉气不同价格下的制氢成本　由于焦炉气是焦化企业炼焦过程中产生的副产　品，原先都是在作为燃料燃烧后高空排放，现在用于　化工原料时价格一般均低于０．４元／ｍ。，因此焦炉　气制氢成本优势明显。　１．３天然气转化制氢　天然气制氢是由天然气和蒸汽催化反应转化制　转化气和变压吸附提纯氢气２部分组成：压缩并脱　硫后天然气与水蒸气混合，在镍催化剂的作用下于　８２０℃～９５０。Ｃ将天然气转化为含氢气、一氧化碳　和二氧化碳的转化气，转化气通过变换将一氧化碳　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，得到高纯度的氢气。　１．３．１工艺流程　该工艺流程分为５个工序：进料压缩工序、脱硫　净化工序、转化工序、变换工序、ＰＳＡ提纯工序。其　中，热回收系统所产生的蒸汽可以满足整个流程自　用。净化后的工业氢气纯度大于９９．９　。同时，　ＰＳＡ部分排放的解吸气可以作为转化炉的燃料。　１．３．２技术特点　该技术已在国内成功运用２０多年，生产技术成　熟，运行安全可靠，操作控制稳妥实用，自动化程度　高，占地面积小，投资较低，基本无“三废”排放，反应　热和余热能够充分利用，装置能耗显著降低（如　ＰＳＡ解吸气可回烧，既降低燃料消耗，又减少废气排　放），生产规模的选择性较大（标准状态下４００　ｍ３／ｈ～　２００　０００　ｍ。／ｈ）。缺点是，只能选择有合适天然气资　源的地区建设。　１．３．３经济性分析　取制氢装置规模１０　０００　ｍ。／ｈ，天然气制氢项目　总投资约为６　０００万元。原料气不同价格下的氢气　生产成本如表３。　表３天然气不同价格下的制氢成本　天　气　孥／１．２　１．５　１．８　２．１　２．４　２．７　３．０　３．３　３．６　３．９　氢，生＝产　／　０．８　１．ｏ　１．１　１．３　１．４　１．５　１．７　１．８　１．９　２．１　由表３中可以得出，目前市场上工业天然气价　格均低于３元／ｍ。，以天然气为原料制氢具有良好　的成本优势。　１．４甲醇裂解制氢　甲醇和水的蒸气在高于２００℃的温度条件下通　・　５６　・　山　西化　工　ｓｘｈｘｇｙ＠１６３　ｃｏｍ　第３４卷　过专用的催化剂床层发生转化反应，生成化学比例　的氢气和二氧化碳。经过变压吸附后，最终得到高　１．４．２技术特点　该技术已经成功应用２Ｏ多年，甲醇作为基础化　纯度氢气。　１．４．１　工艺流程　甲醇转化制氢技术分２部分：甲醇转化技术和　变压吸附提纯技术。该技术是以甲醇、脱盐水为主　要原料，甲醇和水蒸气在专用催化剂床层上转化为　工原料来源广泛，甲醇制氢装置具有投资低、建成　快、无污染等特点。但由于技术限制及甲醇市场价　格变换过快，该种制氢工艺只适合小型规模制氢（设　计为ｌＯ　ｍ。／ｈ～５　０００　ｍ。／ｈ，实际国内运行制氢规　模≤５　０００　ｍ。／ｈ）。　含氢气和二氧化碳的转化气，该转化气再经变压吸　附技术提纯，得到纯度≥９９．９　的氢气。　１．４．３经济性分析　以制氢规模４　０００　ｍ３／ｈ计算，甲醇制氢项目总投　资１　５００万元。不同原料价格下的生产成本如表４。　表４不同甲醇价格下的制氢成本　甲醇价格／元・ｔ　１　６００　１　８００　２　０００　２　２００　２　４００　２　６００　２　８００　３　０００　３　２００　氢气生产成本／元・ｋｍ～　１．２７　１．３７　１．４７　由表４可以得出结论，甲醇制氢技术在原料甲　醇的低价位情况下，制氢的成本完全可以和煤焦气　化、天然气制氢技术竞争。　氢规模大于４　０００　ｍ。／ｈ，应优选煤焦制氢技术。　４）由于甲醇市场价格波动较大（长时间处于低　价位运行），且甲醇制氢装置具有投资小、建设周期　短的特点，对于用氢量低于２　０００　ｍ。／ｈ或间歇用氢　的项目，甲醇制氢均优选的制氢生产工艺。　２结论与建议　分析各种工业化制氢技术及经济性可知，新建　制氢装置生产成本与装置建设地所处的地理位置、　国际国内市场价格及装置规模紧密相关。　参考文献：　Ｅｌｉ梅安华．小合成氨厂工艺技术设计手册［Ｍ］．北京：化　学工业出版社，１９９５：２５２　２７１．　１）如果用氢装置附近有丰富的焦炉气资源，焦　炉气制氢技术是首选的工艺技术方案。　２）如果没有焦炉气资源而具有天然气资源，天　［２］胡杰．天然气化工技术及利用［Ｍ］．北京：化学工业出　版社，２００６：８９—１０８．　然气制氢技术将是优选的工艺技术方案。　３）在上述２种资源均不易得到的情况下，煤焦　Ｅ３］李克兵，刘锋，张礼树，等．从焦炉煤气中提纯氢气的方　法：ＺＬ，。０１３２ｏ３６ｘ［Ｐ］．２００４—０６—０２．　Ｅ４］　于守法．建设项目经济评价方法与参数应用讲座［Ｍ］．　北京：中国计划出版社，１９９５：５６－９８．　制氢和甲醇制氢将是项目建设无奈的选择。若是制　氢规模小于４　０００　ｍ。／ｈ，应优选甲醇制氢技术；若制　Ｓｅｖｅｒａｌ　ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ｈｙｄｒｏｇｅｎ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｅｃｏｎｏｍｉｃ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ＺＨＡＮＧ　Ｐｅｉ—ｌａｎ．ＺＨＥＮＧ　Ｌｉ　（Ｈｅｎａｎ　Ｓｈｅｎｍａ　Ｎｙｌｏｎ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｐｉｎｇｄｉｎｇｓｈａｎ　Ｈｅｎａｎ　４６７０１３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｂｒｉｅｆｌｙ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ　ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ｈｙｄｒｏｇｅｎ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎｄ　ｃｏｎｄｕｃｔｓ　ｅｃｏｎｏｍｉｃ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ａｃｔｕａｌ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｄａｔａ　ｆｏｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｈｙｄｒｏｇｅｎ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ａｎｄ　ｅｃｏｎｏｍｉｃａｌ　ｒｅｆｅｒ—　ｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｎｅｗ　ｈｙｄｒｏｇｅｎ　ｐｒｏｊ　ｅｃｔ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ＳＯ　ａｓ　ｔｏ　ｐｕｔ　ｉｎｔｏ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｇｏｏｄ　ｅｃｏｎｏｍｉｃ　ｂｅｎｅｆｉｔｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｙｄｒｏｇｅｎ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ；ｃｏｋｅ　ｏｖｅｎ　ｇａｓ；ｃｏｋｅ；ｍｅｔｈａｎｏｌ；ｎａｔｕｒａｌ　ｇａｓ