制氫裝置低負(fù)荷運(yùn)行問題分析

劉永輝

（中國石油廣西石化公司，廣西 欽州 535008）

隨著對環(huán)保要求的逐漸提高以及煉廠原油重質(zhì)化，加氫工藝成為各煉廠的主要應(yīng)對措施，因此氫氣已經(jīng)成為各煉廠不可或缺的原料，甚至可作為一種公用工程來管理。14×104Nm3·h-1制氫裝置是某石化公司高硫原油加工配套工程中的一套新建裝置。由于加工高硫原油，全廠氫氣需缺量較大，經(jīng)物料核算后需建設(shè)一套14×104Nm3·h-1制氫裝置以滿足下游加氫裝置的需求。此裝置2012年7月28日正式開工建設(shè)，于2014年7月29日產(chǎn)出合格產(chǎn)品氫氣。受下游用氫裝置氫氣需求量的減少，裝置在某段時間處于低負(fù)荷狀態(tài)，平均負(fù)荷在45%左右（設(shè)計負(fù)荷為40%～110%）。低負(fù)荷運(yùn)行對裝置能耗及工藝參數(shù)影響較大，通過優(yōu)化操作，調(diào)整工藝運(yùn)行參數(shù)，加強(qiáng)設(shè)備管理，保證裝置安全平穩(wěn)運(yùn)行。

1 裝置簡介

14×104Nm3·h-1制氫裝置為目前國內(nèi)最大的單系列烴類蒸汽轉(zhuǎn)化制氫裝置，造氣部分采用TECHNIP公司的低能耗蒸汽轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)，凈化部分采用UOP公司的PSA提純工藝。裝置具有投資省、能耗低、操作可靠性、靈活性高等優(yōu)點，PSA氫氣回收率高達(dá)90%，產(chǎn)品氫氣純度高達(dá)99%。本裝置設(shè)計采用天然氣、煉廠氣、石腦油、液化氣4種原料，采用獨特的雙汽包設(shè)計，分別使用煙道氣和轉(zhuǎn)化氣加熱蒸汽。采用預(yù)轉(zhuǎn)化工藝，減小了轉(zhuǎn)化爐的尺寸，充分利用高溫?zé)煔獾臒崃?，減少了燃料氣的消耗，提高了轉(zhuǎn)化爐運(yùn)行的可靠性。一氧化碳變換部分采用高溫變換流程，降低了裝置投資，簡化了制氫流程，縮短了開工時間。

裝置采用經(jīng)典的烴類蒸汽轉(zhuǎn)化工藝，主要有原料預(yù)熱、由原料精制、預(yù)轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)化、中變冷卻、PSA提純等部分組成。本裝置設(shè)計以天然氣作為主工況，于2014年7月一次開車成功，后一直采用天然氣作為原料。

2 低負(fù)荷運(yùn)行問題分析

2.1 裝置負(fù)荷變化

裝置開工后，操作負(fù)荷在40%～80%之間頻繁調(diào)整，天然氣進(jìn)料量在 14～30t，產(chǎn)氫量在 5×104～11×104Nm3·h-1波動。某段時間由于公司產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整，下游裝置用氫量減少，制氫裝置一直處于低負(fù)荷運(yùn)行，其天然氣進(jìn)料量和產(chǎn)氫量變化如圖1所示。從圖1中可看出，產(chǎn)氫量在56000～70000Nm3·h-1之間變化，即裝置負(fù)荷處在40%～50%之間。

圖1 裝置天然氣進(jìn)料量和產(chǎn)氫量變化趨勢圖

2.2 操作參數(shù)調(diào)整

表1 列出了裝置低負(fù)荷生產(chǎn)時主要的工藝操作參數(shù)，與設(shè)計值對比可看出有明顯的差異。

表1 主要工藝參數(shù)

裝置低負(fù)荷生產(chǎn)對加氫反應(yīng)器、轉(zhuǎn)化爐、PSA等關(guān)鍵設(shè)備操作影響較大,根據(jù)生產(chǎn)情況對關(guān)鍵操作參數(shù)作出調(diào)整對保護(hù)催化劑和設(shè)備具有重要意義。從表1中可看出，加氫反應(yīng)的氫油比、轉(zhuǎn)化反應(yīng)水碳比均高于設(shè)計值，轉(zhuǎn)化爐煙氣溫度、轉(zhuǎn)化爐出入口溫度、加氫反應(yīng)器入口溫度、2臺汽包壓力、產(chǎn)汽量等指標(biāo)則低于設(shè)計值。

裝置原料為天然氣，含硫量和不飽和烴類均較低，因此只需較低的氫油比就可以使加氫反應(yīng)徹底。裝置低負(fù)荷生產(chǎn)時加氫反應(yīng)空速降低，在催化劑表面的停留時間延長，雖然可以使加氫反應(yīng)程度加深，但是也提高了催化劑表面結(jié)碳的可能性，適當(dāng)提高氫油比不但能提高反應(yīng)器的空速，也可使加氫反應(yīng)更徹底，因此氫油比調(diào)整在5.7%～7.4%之間波動，高于設(shè)計值5%。由于原料含雜質(zhì)較低，為了減少催化劑表面結(jié)碳的可能性，應(yīng)適當(dāng)降低加氫反應(yīng)器的入口溫度，因此加氫反應(yīng)器的入口溫度調(diào)整在349～357℃之間波動。

轉(zhuǎn)化爐為制氫裝置的核心設(shè)備，因此裝置負(fù)荷的變化對轉(zhuǎn)化爐影響最大，由于轉(zhuǎn)化爐管數(shù)量較多，裝置低負(fù)荷生產(chǎn)時容易導(dǎo)致物料在轉(zhuǎn)化爐管中分布不均，產(chǎn)生偏流。由于轉(zhuǎn)化反應(yīng)為強(qiáng)吸熱反應(yīng)，如果物料在爐管中產(chǎn)生偏流會造成爐管局部受熱不均，嚴(yán)重時會出現(xiàn)紅管、花斑現(xiàn)象。同時爐管局部受熱溫度偏高還會導(dǎo)致催化劑表面結(jié)碳、燒結(jié)破碎，嚴(yán)重影響催化劑壽命。因此裝置在低負(fù)荷生產(chǎn)時必須提高水碳比，增大轉(zhuǎn)化爐配入的蒸汽量，保證物料在轉(zhuǎn)化爐管中均勻分布。如表1所示裝置低負(fù)荷生產(chǎn)時，水碳比調(diào)整在3.3～3.7之間波動，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計值2.95。在保證轉(zhuǎn)化爐出口甲烷含量在控制指標(biāo)范圍之內(nèi)時應(yīng)盡量降低轉(zhuǎn)化爐出入口溫度，轉(zhuǎn)化爐出口溫度在803～820℃之間波動，這樣既可防止催化劑結(jié)碳，又可保護(hù)爐管，延長了催化劑和爐管的使用壽命。裝置低負(fù)荷生產(chǎn)時，操作人員應(yīng)注意加強(qiáng)對轉(zhuǎn)化爐的巡檢和監(jiān)測，及時調(diào)整火嘴燃燒情況，防止火嘴出現(xiàn)偏燒，保證爐管均勻受熱。

裝置低負(fù)荷生產(chǎn)時進(jìn)入PSA的中變氣量較少，應(yīng)及時調(diào)整PSA的各項運(yùn)行參數(shù)。由于本裝置采用UOP的12床PSA工藝，其吸附時間為自動控制，在裝置負(fù)荷變化時，吸附時間會隨之自動進(jìn)行調(diào)整，但解吸氣組成以及流量會發(fā)生較大變化，因此應(yīng)加強(qiáng)對轉(zhuǎn)化爐的調(diào)整及監(jiān)控。

2.3 能耗分析

表2列出了對裝置能耗影響較大的幾個因素，與某周66%負(fù)荷時相比，除外送中壓蒸汽外，其余各項指標(biāo)均高于66%負(fù)荷時的消耗。

裝置低負(fù)荷生產(chǎn)，鼓引風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)等動力設(shè)備隨之低負(fù)荷運(yùn)行，設(shè)備效率大大降低，因此設(shè)備耗電量明顯上升。除鹽水消耗隨燃料氣消耗變化而變化，燃料氣消耗量增大，其對流段煙氣量增多，汽包發(fā)汽量隨之增多，因此除鹽水需要量隨之增多，外送中壓蒸汽量也隨之增多。由于裝置負(fù)荷變化，沒有對循環(huán)水冷器進(jìn)行調(diào)整，因此循環(huán)水消耗總量變化不大，但是單耗明顯上升。

表2 主要物料消耗

2.4 設(shè)備影響

2.4.1 鼓風(fēng)機(jī)超出最小流量以及引起的連鎖反應(yīng)

鼓風(fēng)機(jī)設(shè)計最低流量為85895kg·h-1,受鼓風(fēng)機(jī)入口擋板調(diào)節(jié)精度影響，轉(zhuǎn)化爐鼓風(fēng)量并沒有隨裝置負(fù)荷變化而做相應(yīng)的調(diào)整，實際配風(fēng)流量在20～21t之間波動，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于燃料氣充分燃燒所需的空氣量，裝置轉(zhuǎn)化爐輻射轉(zhuǎn)對流段氧含量表一直顯示10.31，超出儀表量程。轉(zhuǎn)化爐配風(fēng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)過剩，燃料氣消耗增大，不僅使裝置能耗升高，還會引起系列連鎖效應(yīng)。鼓風(fēng)量增大造成轉(zhuǎn)化爐煙氣量隨之增多，大量煙氣進(jìn)入對流段用于預(yù)熱原料，使原料進(jìn)入加氫反應(yīng)器和轉(zhuǎn)化爐入口前溫度均較高，且無法做相應(yīng)的調(diào)節(jié)。

原料進(jìn)入加氫反應(yīng)器前需經(jīng)過低壓蒸汽、中壓蒸汽、過熱中壓蒸汽、轉(zhuǎn)化爐煙氣4步預(yù)熱，由于煙氣量增大，原料只需經(jīng)過過熱中壓蒸汽和煙氣預(yù)熱即可達(dá)到所需溫度，導(dǎo)致原料第一預(yù)熱器、第二預(yù)熱器均不能投用，不能自動控制加氫反應(yīng)器入口溫度，操作難度較高。

由于裝置預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)器沒有投用，原料進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐前需經(jīng)煙氣兩次預(yù)熱，原料進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐前沒有調(diào)節(jié)手段，煙氣量增大使原料經(jīng)煙氣預(yù)熱后溫度必隨之升高，這使原料在轉(zhuǎn)化催化劑上部結(jié)碳的可能性增高。

針對鼓風(fēng)量增大所帶來的一系列反應(yīng)，應(yīng)盡力調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)入口擋板的開度，使鼓風(fēng)量調(diào)節(jié)到可接受的范圍，同時應(yīng)注意爐膛負(fù)壓、溫度等各項參數(shù)的變化。

2.4.2 鍋爐給水泵上水量偏小

裝置低負(fù)荷生產(chǎn)，2個鍋爐汽包發(fā)汽量均隨之減少，因此鍋爐上水需求量較小，泵出口閥開度較小，導(dǎo)致鍋爐給水泵出口長期憋壓，泵出口回流閥長期打開，泵出口工作壓力在7.8～8.0MPa之間波動，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計值6.4MPa。這不僅使泵的效率大大降低，同時長期低流量運(yùn)行會對泵造成較大危害，使泵體溫度升高，振動噪聲增大等。

針對泵長期低負(fù)荷運(yùn)行的狀態(tài)，應(yīng)加強(qiáng)對泵的監(jiān)護(hù)和檢測，發(fā)現(xiàn)異常情況及時切換備用泵，同時通過增大汽包發(fā)汽量使鍋爐給水泵流量增加。

3 結(jié)論

裝置低負(fù)荷生產(chǎn)對操作參數(shù)及各設(shè)備均造成較大影響，通過增大加氫配氫量、轉(zhuǎn)化配汽量，降低加氫入口溫度、轉(zhuǎn)化出口溫度，及時調(diào)整轉(zhuǎn)化爐配風(fēng)量和火嘴燃燒情況等措施，使裝置各項工藝參數(shù)均在控制指標(biāo)范圍之內(nèi)，保證了裝置安穩(wěn)運(yùn)行，雖然增大了裝置能耗，但對于催化劑和設(shè)備的保護(hù)具有較大的意義。

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