制氫裝置低負(fù)荷運(yùn)行的操作分析

劉曉麗

(中海油石化工程有限公司，山東 青島 266101)

某廠50000Nm3/h制氫裝置采用烴類水蒸汽轉(zhuǎn)化與PSA凈化提純的工藝生產(chǎn)氫氣。受全廠氫氣平衡的影響，目前裝置長期處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，產(chǎn)氫負(fù)荷僅為設(shè)計(jì)值的50%左右，低于設(shè)計(jì)操作彈性的下限值(60%設(shè)計(jì)負(fù)荷)。

基于裝置目前的生產(chǎn)和操作狀況，通過對低負(fù)荷運(yùn)行參數(shù)與設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行比較，評價(jià)裝置的操作運(yùn)行情況，為進(jìn)一步優(yōu)化操作提供依據(jù)。

1 流程簡介

1.1 工藝流程

制氫裝置生產(chǎn)純度為99.9%(mol)的氫氣，裝置主要由原料氣壓縮、原料氣精制、轉(zhuǎn)化及余熱回收、變換及變換氣換熱冷卻、變壓吸附氫提純、鍋爐給水及蒸汽發(fā)生等部分組成。工藝原則流程圖見圖1。

圖1 制氫裝置工藝原則流程圖

1.2 原料

制氫裝置設(shè)計(jì)原料為天然氣，實(shí)際加工原料采用重整氫提濃PSA解析氣為主，補(bǔ)充了少量天然氣。原料中要求含氫2%～5%(mol)，重整PSA解析氣氫氣含量58.57%(mol)，重整PSA尾氣和天然氣混合進(jìn)料中氫含量遠(yuǎn)高于要求的指標(biāo)，故不需要再配入氫氣，原料組成見表1。

表1 原料組成

表1(續(xù))

2 工藝操作參數(shù)分析

2.1 主要工藝操作參數(shù)分析

表2列出主要工藝操作參數(shù)，并與設(shè)計(jì)值進(jìn)行對比。重整PSA解析氣中含有烯烴，故加氫反應(yīng)器的操作溫度略低于設(shè)計(jì)值，以保證烯烴飽和放熱升溫不會導(dǎo)致反應(yīng)器溫度超出催化劑熱點(diǎn)溫度；裝置處于低負(fù)荷狀態(tài)，裝置壓降小且氫產(chǎn)品壓力低于設(shè)計(jì)值，相應(yīng)的各個(gè)反應(yīng)器的壓力均低于設(shè)計(jì)值。

表2 工藝操作參數(shù)

表2(續(xù))

2.2 反應(yīng)器參數(shù)分析

2.2.1 加氫反應(yīng)器

2.2.1.1 操作條件

鈷鉬催化劑在進(jìn)行加氫脫硫時(shí)，操作溫度通?？刂圃?50～380℃范圍內(nèi)，壓力通常控制在3.0～4.0MPa(g)。當(dāng)溫度低于320℃，催化劑活性較低，加氫效果下降；溫度超過400℃時(shí)，催化劑表面會出現(xiàn)聚合和結(jié)碳。加氫反應(yīng)器實(shí)際操作溫度337℃，操作壓力2.28MPa(g)。

2.2.1.2 空速

空速對加氫反應(yīng)有較大影響，空速增大，原料在催化劑床層中停留時(shí)間縮短，反應(yīng)不完全，故欲使原料中有機(jī)硫達(dá)到一定加氫程度，最好在較低空速下進(jìn)行[1]。但為了提高生產(chǎn)能力，在保證出口硫含量滿足要求的前提下，通常采用盡可能高的空速，一般氣體空速范圍為500～1000 h-1。

由表2可知，進(jìn)入加氫反應(yīng)器的原料為10133.5Nm3/h，催化劑選用西北化工研究院開發(fā)并生產(chǎn)的T201型鈷鉬加氫催化劑，一次裝入量為19.17 m3。

空速=10133.5/19.17=528.6 h-1

加氫反應(yīng)器空速的設(shè)計(jì)指標(biāo)為805 h-1，實(shí)際空速滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2.2 脫硫、脫氯反應(yīng)器

2.2.2.1 操作條件

中溫型脫硫劑要求操作溫度為200～380℃，最高活性溫度要求大于350℃，特別是在催化劑使用末期，提高一點(diǎn)反應(yīng)溫度，對提高硫容量，延長更換周期都有利，但不能超過400℃，以防止烴類熱裂解而造成結(jié)碳；提高壓力對提高反應(yīng)速度有利，一般在常壓～4MPa(g)范圍內(nèi)使用。

脫硫、脫氯反應(yīng)器操作溫度為320℃，操作壓力為2.28MPa(g)；操作溫度和壓力的設(shè)計(jì)指標(biāo)分別為370℃、3.2MPa(g)，操作溫度和壓力低于設(shè)計(jì)指標(biāo)。

2.2.2.2 硫容

脫硫反應(yīng)器入口H2S的平均濃度C為6ppm，氣體流量V氣為931.9 m3/h，有效運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間t為3年，年操作時(shí)間8400h，脫硫劑選用T305型，一次裝入量為34.56 m3，堆密度為1.1～1.3kg/L， 則脫硫劑裝填重量G為41472kg。

硫容=(C×10-6×32/22.4×V氣×t)/G×100%=0.48%

實(shí)際硫容遠(yuǎn)低于350℃時(shí)T305脫硫劑36%的飽和硫容，大大延長了脫硫催化劑的使用壽命。

2.2.3 中變反應(yīng)器

2.2.3.1 操作條件

中溫變換的作用就是將轉(zhuǎn)化工藝氣中大量的CO轉(zhuǎn)換成CO2以便盡可能多產(chǎn)H2，并使氣體容易凈化得到較純氫氣。為了提高CO轉(zhuǎn)化率，宜采用較低的反應(yīng)溫度，中變操作溫度一般采用330～380℃；反應(yīng)平衡不受壓力的影響，但增加壓力能加快反應(yīng)速度，當(dāng)壓力高于2.0 MPa(g)，變換率提高就不明顯了。

中變反應(yīng)器操作溫度為330～376℃，操作壓力為2.16 MPa(g)；操作溫度和壓力的設(shè)計(jì)指標(biāo)分別為340～408℃、2.6MPa(g)，操作溫度和壓力雖然略低于設(shè)計(jì)指標(biāo)，但在設(shè)計(jì)推薦值范圍內(nèi)。

2.2.3.2 中變變換率

轉(zhuǎn)化氣進(jìn)中變反應(yīng)器組成的CO濃度設(shè)計(jì)值為13.03%(mol)，實(shí)測值為9.95%(mol)；分液罐出口中變氣組成中CO濃度設(shè)計(jì)值為2.79%(mol)，實(shí)測值為1.60%(mol)，通過計(jì)算，中變變換率設(shè)計(jì)值為76.45%，實(shí)測值為82.6%。實(shí)測的中變變換率高于設(shè)計(jì)值，說明CO的轉(zhuǎn)化率比設(shè)計(jì)值高，反應(yīng)更完全。

2.3 轉(zhuǎn)化反應(yīng)參數(shù)分析

2.3.1 水碳比

裝置低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，物料在轉(zhuǎn)化爐管內(nèi)難以均勻分布，容易產(chǎn)生偏流，使?fàn)t管局部受熱不均，嚴(yán)重時(shí)爐管會出現(xiàn)紅管、花斑現(xiàn)象，同時(shí)由于低流速，低空速，熱量不能及時(shí)帶出，嚴(yán)重時(shí)會造成某些催化劑失活，影響催化劑和爐管的使用壽命[2-3]。

因此在低負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)，要采用較高的水碳比，提高物料總流量，使物料在爐管內(nèi)分布更均勻，減少催化劑結(jié)炭，延長催化劑和爐管的使用壽命。但是提高水碳比相應(yīng)的也增加了能耗，本裝置水碳比的設(shè)計(jì)指標(biāo)為3.2。

由表2可知，3.5MPa蒸汽配氣量為32600kg/h，進(jìn)入加氫反應(yīng)器的流量10133.5Nm3/h，實(shí)際碳流量為10095Nm3/h，故

實(shí)際水碳比=32600×22.4/(18×10095)=4.02

2.3.2 碳空速

碳空速越大，原料在轉(zhuǎn)化催化劑床層停留時(shí)間越短，反應(yīng)不完全，使轉(zhuǎn)化爐出口殘余甲烷升高，轉(zhuǎn)化催化劑結(jié)炭增加，Z417/Z418碳空速一般為1000～2000 h-1。

進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐碳流量為10095Nm3/h，轉(zhuǎn)化催化劑選用Z417/Z418,一次裝入量為12.8/17.27m3。故：

碳空速=10095/(12.8+17.27)=335.7 h-1

轉(zhuǎn)化反應(yīng)碳空速的設(shè)計(jì)指標(biāo)為835 h-1，實(shí)際碳空速遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)指標(biāo)。

3 能耗分析

裝置設(shè)計(jì)產(chǎn)氫量為5.44t/h，標(biāo)定期間實(shí)際產(chǎn)氫量為2.87t/h，能耗分析見表3。

表3 能耗分析

表3(續(xù))

由表3可知，本裝置原設(shè)計(jì)能耗為1286.8Kg標(biāo)油/t純氫，標(biāo)定期間實(shí)際能耗為1435.21 Kg標(biāo)油/t純氫，高出設(shè)計(jì)值12%，原因分析如下：

(1)裝置低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，機(jī)泵等動(dòng)力設(shè)備效率降低，耗電量比較大，電耗較高；裝置調(diào)整負(fù)荷后，循環(huán)水冷器沒有進(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[4]。

(2)由于標(biāo)定在低負(fù)荷工況下運(yùn)行，操作水碳比4.0高于設(shè)計(jì)水碳比3.2，導(dǎo)致外送蒸汽量降低，裝置實(shí)際能耗增加。

(3)凈化風(fēng)設(shè)計(jì)消耗量為700 Nm3/h，而實(shí)際消耗量為11472 Nm3/h，相對于設(shè)計(jì)能耗，凈化風(fēng)的實(shí)際能耗增加了很多，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)化爐工業(yè)電視探頭需要用大量的凈化風(fēng)來降溫，而設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮這種工況下的用風(fēng)量。非凈化風(fēng)主要用于壓縮機(jī)活塞桿的降溫，所占能耗很小。

4 結(jié)語

裝置低負(fù)荷運(yùn)行對關(guān)鍵設(shè)備操作參數(shù)有較大影響，通過降低加氫反應(yīng)器入口溫度，增加配汽量，從而增大水碳比等措施，使裝置能夠平穩(wěn)運(yùn)行，建議在保證氫氣平衡的前提下，盡量降低裝置能耗，提高精細(xì)化操作水平，增加節(jié)能設(shè)施，降低裝置電耗，從而使產(chǎn)氫成本降低。