神华煤炭直接液化项目氢气系统优化

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20 0 8年 6月

石油炼制与化工 P T l UM R E S NG A E R ) E RO E P OC S I ND P T ( CHE CA MI l S

第 3 9卷第 6期

神华煤炭直接液化项目氢气系统优化吴秀章( .国石油大学 (L )北京 12 4;.华集团有限责任公司 ) 1中 J京， 0 29 2神

摘要阐述神华煤炭直接液化项目的氢气需求和为提高氢气利用率采取的措施。陔项目采用两套干煤处理能力为 20 0td的煤气化制氢装置提供煤炭液化和液化油品加氢等所需的氖气。 0/

煤炭液化装置采用膜分离系统将循环氢的 H。度从 8 . 4提高到 9 . 5,满足第二液化反纯 6 6 6 9在应器采用内循环的要求外，充氢量从 2 . 3/补 8 9 4th降低到 1. 8/。采用变压吸附装置 ( S ) 9 16th P A回收煤炭液化、剂加氢稳定和加氢改质装置的富氢排放气中的氢气。建议对 P A尾气中的氢气溶 S进…步回收利用，高项目的氢气利用率。提

关键词：炭直接液化氢气煤

优化

l前言

表 l神华煤炭直接液化项目氢气消耗

神华煤炭直接液化项目采用神华集团自主知识产权的煤炭直接液化工艺技术和催化剂，在液化反应器中将煤炭进行催化加氧反应，产煤炭液化生产品。煤炭直接液化装置生产的液化粗油经过加氢稳定处理后，质组分循环回煤炭液化装置作为重循环活性溶剂使用，其余的轻油组分经加氢改质装置进一步加工处理，产液化气、脑油和柴油产生石品。神华煤炭直接液化项目液化单元设计处理灰含量为 5 3的干煤 2 0th .2 5/。 3煤炭直接液化装置的氢气系统优化

神华煤炭直接液化装置采用带强制循环的全返混反应器，一反应器采用内循环，二反应器可以第第采用外循环(图 1,可以采用内循环(图 2。见 )也见 )

神华煤炭直接液化项目所需要的氢气由 2套f煤处理能力为 20 0th的煤制氛装置供给， 0/煤

气化生产的合成气经 c O变换、温甲醇洗净化和低变压吸附提浓后供各装置使用。由于煤炭的氢

含量只有 4左右，煤炭直接液化生产液体油品的 在过程中要消耗大量的氢气，因此煤炭直接液化项目 的氢气产量和消耗量巨大，又加上耗氢的装置较多、系统复杂，以优化煤炭液化项目的氢气系统所就显得非常重要。本文主要阐述神华煤炭直接液

第二反应器采用外循环的优点是允许第二反应

器在较高气体线速下操作，这样就允许氢气浓度较低的循环氢大部分可以循环叫反膻器人[, _这种操 J作方式有利于减少对新氢的需求和能；是第二但反应器出口高温、高压分离器必须在与第二反应器几乎同样的高温下运行，国外煤炭直接液化中试试验结果表明，超过 40℃的温度下操作时，离器非在 2分常容易出现结焦现象，进而影响装置的长周期运行。第二反应器采用内循环的优点是可以使用急

化项目的氢气需求和为提高氢气利用率采取的措施。

2氢气需求分析神华煤炭直接液化项目中需要氢气作为原料的生产单元包括煤炭液化单元、化油品加氢稳定液单元、品加氢改质单元和硫磺回收装置的尾气处油理单元，单元的处理量、耗量见表 1各氢。从表 1 可以看出，神华煤炭直接液化项目耗氢装置的净化学耗氢量为 2。 3/。 0 8 6th

冷油将高温、压分离器的温度控制在 4 0℃以高 2

下，效地抑制分离器内的结焦现象，而保证装有从

收稿 L期：0 71 9修改稿收到日期：0 8O—2 t 2 0—卜2; 2 0一10。

作者简介：吴秀章( 9 6 )中国石油大学( 16,北京 )渎博十研住究生，授级高级工程师。现任神华集蹦有限责任公川副总教工程师，主要从事煤制油、煤化工技术管理工作。享受罔务院

颁发的政府特殊津贴。 20 0 6年人选“家百干万人‘程”国工。

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吴秀章 .神华煤炭直接液化项目氢气系统优化

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新氢

油煤浆加热炉循环泵循环泵

体

图 1第二液化反应器采用外循环时的流程

新氢

油煤浆

加热炉

循环泵

循环泵

图 2第二液化反应器采用内循环时的流程

置的长周期运行；是采用内循环对第二反应器上但

部的气体线速上限有严格要求，如果将大部分循环氢循环利用，二反应器的气体线速就超过了允许第的上限值。

器出口气体 (称冷高分气 )简中的氢气仅有 1.能 55够循环回液化反应器， 8 . 必须排到反应系而 45表 2在新氢和循环氢直接混合供氢的工况下各种含氢气体的流量及组成项目新氢外气

为了减少高温、高压分离器的结焦倾向，证保装置的长周期运行，神华煤炭直接液化装置第二反应器采用了内循环工艺。为了保证煤炭在液化反

流量/ h t

应器内部的转化率，要求第一、二反应器出口的第氢分压分别为 1 . a表压 ) 1 . 7MP ( 2 5MP (和 2 2 a表

摩尔组成，%H 2N 2

压)。煤炭液化反应需要的氢气量要求、个反应两器出口的氢分压要求、应器上部气体线速的上限反要求三者结合起来对进入液化反应器的混合氢气体积、合氢气的浓度和氢气净含量将有严格限混

C( ) CO, CHC2 6 H

制。在采用新氢和循环氢直接混合为液化反应器

C3 8 H

供氢的工况下，炭直接液化装置各种含氢气体的煤流量及组成见表 2。表 2数据表明，了满足液化为

C4。 H1 C5 十

反应器对氢气总量和氢气浓度的要求，冷高压分离

其它

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石

油

炼

制

与

化

工

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第 3 9卷

统之外。由于仅有少量的冷高分气循环，氢的补新

( S装置回收其中的氢气，合气体脱硫前后及 P A)混

充量高达 2 . 3/。 8 9 4th

P A回收气体的流量及组成见表 4 S。表 4数据表明，轻烃回收装置的 P A单元回收了上述气体中 S8 .的氢气。 98表 4混合气体脱硫前后及 P A产品的流量及组成 S

为了解决氢气含量较高的冷高分气大量外排、

新氢需求巨大的不合理现象，神华煤炭直接液化装置在冷高压分离器出口设置了膜分离装置，采用膜分离装置来分离冷高分气中的氢气和其它组分，以使冷高分气中的绝大部分氢气能够循环回液化反应器，工况下液化装置各种含氢气体的流量及组该成

见表 3。表 3数据表明，冷高压分离器出口气在体回路设置膜分离装置后，冷高分气中 1 . 9 h 2 8 7t /氢气的 8 .经一级膜分离提浓后循环回了液化 85

反应器， 7 5的氢气经二级膜分离提浓到有 .9 . 3后送入轻烃回收装置的变压吸附单元 0 0 ( S进一步回收氯气， P A)只有 4 0的氢气随膜分 .离尾气排到反应系统之外。采用该措施后，炭直煤接液化装置的新氢补充量降低到了 1 . 8/; 9 1 6th与

采用新氢和循环氢直接混合的方案相比，新氢补充量下降了 3 .。 37表 3在新氢和膜分离氢混合供氢的工况下各气体的流量及组成项【 j流量/ h t H2量/ h t 摩尔组成，H2 Nz 9 . 9 5 0 2 . 7 9 . 5 6 9 0 0 . 7 8 . 4 6 6 0 3 . 2 9 .3 00 0 2 .5 2. 7 4 9 18 .2

新氧

膜分离氢 (去冷高膜分离富膜分离液化反应器 )分气氢 ( P A)尾气 去 sl. 9 35 6】 . l 143 4 . 4 O39 1 . 9 87 2 235 . 9 097 . 6 2 . 5】58 0 5 . 1 7

1 .8 16 9 1. 8 1O 7

5全厂氢气平衡及用氢分析

神华煤炭液化项目各装置对氢气的需求及供应见表 5。表 5数据表明，制氢装置要生产煤 2 . 4/ 3 4 1 h摩尔含量为 9 .的氢气才能满足煤 t 95炭液化项目的需要。表 5神华煤炭直接液化项目氢气需求与供应

CO

0 3 .2

0 8 . 1

0. 5 8

4 4 .1

C( 2 )CH 4 0. 3 2

0 4 . 914 . 7

0 5 . 86 8 . 7

0 9 . 55 4 . 1

0 8 . 93 . 9 8 9

C2 H6C。 8 H

0 31 .0 1 . 7

2 1 . 8】 46 .

1】 . 40 6 . 3

1 . 8 3 59 4 . 4

C4 1 。 H C5t

0 0 . 4 0 1 .】

0 45 . 0 5 . 3

0 1 . 5 0. 7 3

2 9 . 3 3 O . 6

氢流量/ th

1 . 8 . 0 3 2 0 0 0 0 9 1 65 1 . 0 5 .】

4 0 . 1 2 . 3 5 3 5】

氢气摩尔组成，H2 9. 9 . 9 . 95 9 5 9 5 0 2 0 2 0 2 . 7 . 7 . 7 10 0 9 . 9 5 0 2 . 7 0 2 . 3

其它

0 1 . 6

0 1 . 6

0 2 .2

0 1 .8N2

4回收各装置释放气中的氢气

CH^

0 2 0 2 0 2 . 3 . 3 . 3

煤炭液化、化油品加氢稳定和加氢改质装置液产生的中压气体以及液化装置二级膜分离装置产生的富氢气体中的氢气含量较高，些气体的含氢这

CO+ CO2

< 2 O

< 2 0

<2 O

< 2 0

1 )单位为 g g。/

为了使氢气产率最大，气化生成的合成气全煤

量达到 4 4 3th . 7。如果不对这些气体中的氢气进/

部经过 C变换单元，合成气中的 C尽可能与 O使 O水蒸气发生反应生成 c和 H;了满足煤炭液 O为化项目各装置对氢气纯度和杂质含量的要求，通过

行回收利用，方面会造成氢气浪费，一另一方面也会增加制氢装置的负荷。为了回收这些气体中的

氢气，神华煤炭直接液化项目先将这些气体汇合，经 MD A脱硫后 ( E脱硫的目的是使气体满足 P A S

低温甲醇洗净化单元脱除其中的 c ) (。和 H:, s再通过 P A单元脱除其中的 N。 S等杂质。 为了满足煤炭直接液化、液化油品加氢稳定和加

吸附剂对 H s含量的要求 )再应用变压吸附 ,

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氢改质等装置对氢气纯度的需求，考察了煤制氢装置P A前后的物料流量及组成， S结果见表 6。表 6据数表明，煤制氢装置 P A单元对氢气的回收率为 9。 S 0表 6煤制氢装置 P A前后物料流量及组成 S

在了轻烃回收装置的 P A尾气中， 1 0 4th S有 . 1/ ( . ) 4 1的氢气进入到了其它气体中。

.刚

表 4和表 6据表明，数轻烃回收和煤制氢装置P A尾气中的氢气含量比较高，适合于采用二 S也级变压吸附工艺进行回收；初步核算，经如果能够

回收其中 5 的氢气，炭直接液化项目的氢气 0煤化学使用率将提高到 9左右，气的使用效率

0氢将大大提高。6结论

干煤处理量为 2 0th的神华煤炭直接液化 5/项目的化学耗氢量高达 2 . 3/。通过在煤炭 O 8 6th

~一

一~测 m ~ h一Ⅲ

液化单元的冷高压分离器气体回路中设置膜分离系统，循环氢的 H纯度从 8 . 4提高到使 6 69 . 5,而将煤液化单元的新氢补充量从 6 9从1位为 g g )/。

2 . 3/ 8 9 4th降低到 1 . 8/。将煤液化单元、 9 1 6th加氢稳定单元和加氢改质单元的中压排放气体脱硫处理后，过变压吸附装置可以回收 4 o 5th的通 . 1/氢气。采取上述措施后，神华煤炭直接液化项目的

综合表 1表 4表 5和表 6的数据可以计算出、、

神华煤炭液化项目煤制氢装置低温甲醇洗净化单元产出的 2 . 7 h氢气中， 2 . 3 h 8 . ) 479/ t有 o 8 6/ (4 1 t

用于煤液化、加氢稳定和加氢改质等装置的化学反应， 2 4 1th 1 . )有 . 7/ ( 0 0的氢气留在了煤制氢装置的 P A尾气中， 0 4 8th( . ) S有 . 5/ 1 8的氢气留

氢气利用效率可以达到 8 .。建议对轻烃回收 41 P A单元和煤制氢 P A单元排放尾气中的氢气 S S进行进一步回收。

~一 一~

oPTI I M ZATI oN N o HY DRo GEN YS S TEM H ENH UA oF S

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一一

K e o ds d r c o llq e a to y W r: ie tc a i u f c i n;hyd o n; o i ia i r ge ptm z ton

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