焦化干氣制氫裝置提高制氫量研究

韓其利 王賢山 魏艷艷 周海峰 王春雷

摘 要： 通過六西格瑪方法探討了制氫裝置提高制氫量的影響因素。結(jié)果表明正和集團(tuán)焦化干氣制氫裝置轉(zhuǎn)化出口溫度在755～762 ℃、原料氣量在3 360～3 400 Nm?/h范圍內(nèi)，可以滿足制氫量≥9 500 Nm?/h，氫氣純度≥99%，產(chǎn)品氫CO含量<10×10-6，產(chǎn)品氫CO2含量<10×10-6要求。

關(guān) 鍵 詞：六西格瑪；制氫；焦化干氣；轉(zhuǎn)化反應(yīng)

中圖分類號：TQ 116 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）04-0803-02

Abstract： Influence factors of improving hydrogen yield of hydrogen production unit were investigated by six-Sigma method. The results show that， when outlet temperature of the conversion reaction is 755～762 ℃， material volume is 3 360～3 400 Nm?/h， the hydrogen yield can reach 9 500 Nm?/h， and hydrogen purity can reach 99%， CO content in hydrogen is less than 10×10-6， CO2 content is less than 10×10-6.

Key words： Six-Sigma； Hydrogen production； Coking dry gas； Conversion reaction

正和集團(tuán)制氫裝置自2006年12月份開工以來產(chǎn)氫量平均在8 000 Nm?/h左右，與裝置設(shè)計值存在偏差，有一定的提升空間。隨著企業(yè)加工規(guī)模的擴(kuò)大，汽油加氫裝置的開工運行，正和集團(tuán)制氫裝置目前產(chǎn)氫量已不能滿足氫源需求，難以達(dá)到產(chǎn)品提升的需求。本文從六西格瑪?shù)墓芾矸椒ǔ霭l(fā)，查找裝置存在的問題，找出根本原因并解決，以提高裝置制氫能力，使效益最大化[1]。

1 裝置的運行原理及基線水平

正和集團(tuán)的制氫裝置設(shè)計是以焦化干氣為主原料，生產(chǎn)氫氣規(guī)模為10 000 Nm?/h工業(yè)氫。裝置技術(shù)采用輕烴水蒸氣轉(zhuǎn)化造氣、變壓吸附（PSA）凈化工藝技術(shù)路線。其中，輕烴水蒸氣轉(zhuǎn)化造氣、變壓吸附（PSA）凈化工藝技術(shù)均采用上海華西化工科技有限公司的專有技術(shù)。該裝置由原料氣壓縮、原料氣精制、輕烴水蒸氣轉(zhuǎn)化、中溫變換、PSA以及余熱回收等部分組成[2]。

采用六西格瑪過程能力分析方法對2014年4月至5月裝置制氫量及相關(guān)數(shù)據(jù)分析得出表1。

由表1數(shù)據(jù)可以看出制氫裝置制氫量均值為8507.3 Nm?/h，與裝置設(shè)計值10 000 Nm?/h相差較大，制氫量CpK，PpK值均為0，過程能力很差，亟待改善。氫氣純度均值99.659，滿足裝置要求，其CpK，PpK值表明其短期過程能力、長期過程能力尚可，能夠滿足控制要求。產(chǎn)品氫CO含量均值為1.191，其CpK，PpK值表明其短期能力、長期能力充分，能夠滿足控制要求。產(chǎn)品氫CO2含量均值5.573，其CpK，PpK值表明其短期能力、長期能力充分，能夠滿足控制要求。

2 裝置制氫量影響因子分析

對制氫裝置運行單元進(jìn)行因子分析，采用團(tuán)隊頭腦風(fēng)暴法對原料進(jìn)裝、脫硫部分、轉(zhuǎn)化部分、中溫變換部分、PSA提純部分影響因子進(jìn)行分析，共找出31個因子。通過C&E矩陣對31個因子進(jìn)行打分，采用柏拉圖對關(guān)聯(lián)因子進(jìn)行篩選得出圖1。

通過圖1可知，有13個因子對目標(biāo)影響近80%，對其13個因子用FMEA進(jìn)一步分析。分析后得出可以速贏的三個因子：轉(zhuǎn)化催化劑、中變催化劑及脫附氣壓力。

2.1 三因子速贏方式改善[3]

（1） 轉(zhuǎn)化催化劑撇頭、篩選處理，補(bǔ)充Z418催化劑0.2 t，Z417催化劑0.9 t。轉(zhuǎn)化氣中催化劑含量為4.6%左右。

（2） 中變催化劑更換11.3 t。中變氣中CO含量1.60%左右。

（3）脫附氣壓力調(diào)整為0.04 MPa。投用小火嘴，將脫附氣與燃料氣分開燃燒。火嘴燃燒正常。

三因子速贏后，制氫量約提高至8 727 Nm?/h。

2.2 關(guān)鍵因子相關(guān)性分析

速贏后FMEA分析得出關(guān)鍵因子有原料氣量、配氫量、轉(zhuǎn)化出口溫度。對關(guān)鍵因子相關(guān)性分析得出表2。

由表2數(shù)據(jù)可以看出原料氣量、轉(zhuǎn)化出口溫度與制氫量是相關(guān)的，配氫量與制氫量無相關(guān)性。為避免浪費氫源，同時考慮到裝置工藝運行要求，將配氫量定為（300±10）Nm?/h[4，5]。

原料氣量、轉(zhuǎn)化出口溫度與制氫量有顯著影響。對其進(jìn)行回歸分析得出：制氫量=14 687-4.89原料氣量+0.000 967原料氣量2；制氫量=489 843-1 291轉(zhuǎn)化出口溫度+0.866 4轉(zhuǎn)化出口溫度2。

3 裝置制氫量相關(guān)因子實驗設(shè)計

影響制氫量的關(guān)鍵因子有2個，在已確認(rèn)為最優(yōu)區(qū)域的范圍內(nèi)，進(jìn)行響應(yīng)曲面實驗，來研究響應(yīng)變量Y與自變量X的關(guān)系，進(jìn)而找到自變量的參數(shù)設(shè)置使得響應(yīng)變量Y得到最佳值。通過CCF設(shè)計，得出表3。

通過響應(yīng)曲面實驗得出：模型總體有效，沒有失擬現(xiàn)象。R-Sq=98.24%與R-Sq（調(diào)整）=96.98%比較接近，說明模擬較好。轉(zhuǎn)化出口溫度、原料氣量×原料氣量、轉(zhuǎn)化出口溫度×轉(zhuǎn)化出口溫度、原料氣量×轉(zhuǎn)化出口溫度都是高度顯著的，而原料氣量則不顯著。

最后確定回歸方程為：制氫量=567 088-11.8原料氣量-1 448轉(zhuǎn)化出口溫度+0.007 44原料氣量×原料氣量+1.07轉(zhuǎn)化出口溫度×轉(zhuǎn)化出口溫度-0.0473原料氣量×轉(zhuǎn)化出口溫度（圖2）。

為保證裝置穩(wěn)定運行，考慮到裝置運行后期轉(zhuǎn)化爐尾管出現(xiàn)嚴(yán)重炭化現(xiàn)象，轉(zhuǎn)化出口溫度不宜過高。我們要求轉(zhuǎn)化出口溫度低于762 ℃。根據(jù)等值線圖結(jié)果，我們確定轉(zhuǎn)化出口溫度在755～762 ℃、原料氣量在3 360～3 400 Nm?/h范圍內(nèi)（如圖2中陰影部分所示），可以滿足制氫量≥9 500 Nm?/h，氫氣純度≥99%，產(chǎn)品氫CO含量<10×10-6，產(chǎn)品氫CO2含量<10×10-6要求。

由圖3可知：改善前后制氫量對比發(fā)現(xiàn)，制氫量明顯提高，且數(shù)據(jù)正態(tài)分布，過程能力較好。

4 結(jié) 論

通過六西格瑪分析，制氫裝置制氫量的關(guān)聯(lián)因子有轉(zhuǎn)化出口溫度及原料氣量。實驗設(shè)計得出轉(zhuǎn)化出口溫度在755～762 ℃、原料氣量在3 360～3 400 Nm?/h范圍內(nèi)，可以滿足制氫量≥9 500 Nm?/h，氫氣純度≥99%，產(chǎn)品氫CO含量<10×10-6，產(chǎn)品氫CO2含量<10×10-6要求。

經(jīng)過改善，制氫量達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，同時氫氣純度、產(chǎn)品氫CO含量、產(chǎn)品氫CO2含量等指標(biāo)也得到了保證，但由于時間關(guān)系，對長期流程能力的狀況還有待進(jìn)一步驗證。同時需要按照控制計劃，監(jiān)控各參數(shù)的指標(biāo)，將制氫量控制在目前水平。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中國質(zhì)量協(xié)會.六西格瑪管理[M].第三版.北京：中國人民大學(xué)出版社，2014.

[2] 王正烈.物理化學(xué)[M].第二版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[3] 王者順.制氫裝置操作工[M].北京：中國石化出版社，2007.

[4] 龐少偉，李棟，秦建軍.焦化干氣制氫裝置運行分析及擴(kuò)量改造研究[J].石油與天然氣化工，2011，02（11）：132-136.

[5] 楊川，等.天然氣組分對合成氨裝置的影響[J].云南化工，2014（3）：32-36.