淺談天然氣制氫裝置運(yùn)行中的安全操作技術(shù)

謝先鋒

摘 要：天然氣制氫屬危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)行業(yè)，其生產(chǎn)安全尤為重要。本文以金鉬業(yè)集團(tuán)公司800Nm3/h天然氣轉(zhuǎn)化制氫裝置為例，著重介紹了天然氣轉(zhuǎn)化制氫裝置在生產(chǎn)運(yùn)行中各個(gè)階段的一些安全操作技術(shù)及安全注意事項(xiàng)，以確保天然氣制氫裝置長(zhǎng)周期安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：天然氣制氫;安全;操作;技術(shù)

0? 前言

金鉬集團(tuán)相繼建成投產(chǎn)2套800Nm3/h天然氣轉(zhuǎn)化制氫裝置，制氫崗位人員大多是轉(zhuǎn)崗而來，初次接觸制氫專業(yè)，因此需進(jìn)行全面的崗位安全技能培訓(xùn)，才能確保制氫站安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行。

1、天然氣轉(zhuǎn)化制氫裝置簡(jiǎn)介

天然氣制氫，首先自外界來的0.2MPa天然氣經(jīng)壓縮機(jī)加壓至1.2MPa、預(yù)熱至350～400℃，然后脫硫至總硫含量小于0.2PPm，再與裝置余熱自產(chǎn)的1.2MPa蒸汽混合、加熱至500～600℃，進(jìn)入裝有鎳催化劑的轉(zhuǎn)化管內(nèi)在980～1050℃的環(huán)境下進(jìn)行反應(yīng)，制得720～860℃富含H2、少量CO、CO2的轉(zhuǎn)化氣，轉(zhuǎn)化氣經(jīng)余熱回收至常溫后，最后經(jīng)變壓吸附提取H2，雜質(zhì)解吸氣返回轉(zhuǎn)化爐燃燒為反應(yīng)提供熱量。其原料、中間產(chǎn)品和產(chǎn)品大多屬于易燃、易爆、有害介質(zhì)，生產(chǎn)過程高溫高壓;其主要生產(chǎn)裝置火險(xiǎn)類別為甲類，爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分為2區(qū)，是企業(yè)和地方政府的重點(diǎn)防火、防爆單位。

2、天然氣制氫裝置安全生產(chǎn)技術(shù)要點(diǎn)

2.1? 裝置開車

整個(gè)開車過程包含系統(tǒng)氮?dú)庋h(huán)升溫、脫硫劑天然氣加氫升溫還原及轉(zhuǎn)化催化劑蒸汽升溫、轉(zhuǎn)化催化劑加氫還原及投料輕負(fù)荷生產(chǎn)等三大階段。

2.1.1? 防置換不合格：裝置開車前必須用氮?dú)猓∟2≥99.9%）對(duì)整個(gè)裝置工藝氣系統(tǒng)的設(shè)備、管道進(jìn)行徹底置換，直到在裝置內(nèi)多點(diǎn)取樣分析氧含量≤0.5%方為合格，否則有發(fā)生燃燒或爆炸的危險(xiǎn)。

2.1.2 防氣體泄漏：氮?dú)庵脫Q合格后，充氮升壓，按氣密實(shí)驗(yàn)技術(shù)要求進(jìn)行系統(tǒng)氣密試驗(yàn)，徹底消除所有漏點(diǎn)。

2.1.3防點(diǎn)火爆炸事故：轉(zhuǎn)化爐燒嘴點(diǎn)火操作，必須按規(guī)程先放入火源后緩開燃?xì)忾y門。如第一次點(diǎn)火不成功，禁止馬上進(jìn)行第二次點(diǎn)火;需待入爐膛的天然氣被置換并分析合格后，才能進(jìn)行第二次點(diǎn)火。否則極易發(fā)生爐膛燃?xì)獗ㄊ鹿省?/p>

2.1.4 防溫度驟變：點(diǎn)火升溫初期時(shí)，溫升速率控制在10～20℃/h為宜，超過30℃/h則有產(chǎn)生熱應(yīng)力而至變形的危險(xiǎn);升溫階段后期溫升速率也須控制在50℃/h以內(nèi)。

2.1.5? 防蒸汽管道水擊現(xiàn)象：轉(zhuǎn)化催化劑從氮?dú)庋h(huán)系統(tǒng)升溫切換為蒸汽升溫時(shí)，導(dǎo)入蒸汽前一定要先進(jìn)行暖管操作，即緩慢引入少量蒸汽進(jìn)入將要投用的工藝蒸汽管道，進(jìn)行管道預(yù)熱，然后通過導(dǎo)淋閥排凈冷凝水。否則易發(fā)生水擊現(xiàn)象，發(fā)生損傷損壞管道及設(shè)備的危險(xiǎn)。

2.1.6? 防轉(zhuǎn)化氣余熱鍋爐管殼層間壓差溫差太大：轉(zhuǎn)化爐蒸汽升溫階段，其蒸汽介質(zhì)需在轉(zhuǎn)化氣余熱鍋爐后放空，如放空閥全開，則其前端壓力接近為零，于是造成轉(zhuǎn)化氣余熱鍋爐管殼層間壓差溫差過大，易損傷余熱鍋爐。因此升溫蒸汽介質(zhì)放空時(shí)，在保證工藝蒸汽流量的前提下，維持放空前端設(shè)備的壓力越高越好，即余熱鍋爐管殼層間壓差越小越好。

2.1.7? 防脫硫系統(tǒng)溫度飛升：MF-2脫硫劑中的MnO2和Fe2O3等使用前需用H2還原，由于還原反應(yīng)放出大量熱，如果控制不當(dāng)，則可能發(fā)生脫硫劑床層溫度“飛升”現(xiàn)象，損壞脫硫劑和設(shè)備，所以脫硫劑的升溫還原應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)定程序進(jìn)行。如出現(xiàn)30s內(nèi)升高50℃的溫度飛升現(xiàn)象，應(yīng)采取停止加熱和配氫，加大氣量帶走床層反應(yīng)熱，以迅速控制床層溫度不超過500℃，整個(gè)床層飛溫消除后，方可繼續(xù)正常升溫。

2.1.8? 防一次投料過多

轉(zhuǎn)化催化劑加氫還原階段的工藝介質(zhì)為脫硫合格后的天然氣、蒸汽及少量氫氣，此時(shí)的催化劑活性低，如投入天然氣過多，則極易發(fā)生結(jié)碳損傷催化劑的危險(xiǎn);因此操作時(shí)，投料量一般控制在設(shè)計(jì)負(fù)荷的10%左右。

2.1.9? 防下段工序影響上段工序

輕負(fù)荷生產(chǎn)階段，合格的轉(zhuǎn)化氣需進(jìn)入下段變壓吸附（PSA）工序進(jìn)行氫氣提純，而此時(shí)的PSA壓力往往較低，且各吸附塔間壓力高低不同，此時(shí)如全開轉(zhuǎn)化氣出口閥，將造成轉(zhuǎn)化工序壓力、流量、溫度的大幅波動(dòng)，甚至發(fā)生事故。因此導(dǎo)轉(zhuǎn)化氣操作，應(yīng)緩慢開啟出口閥，閥門開度以維持轉(zhuǎn)化工序設(shè)計(jì)壓力為準(zhǔn)，當(dāng)PSA工序正常后，再全開轉(zhuǎn)化氣出口閥，以避免轉(zhuǎn)化工序的大幅波動(dòng)。

2.1.10? 防爐膛溫度大幅波動(dòng)

PSA工序運(yùn)行前，轉(zhuǎn)化爐以天然氣燃燒提供熱能，當(dāng)PSA工序運(yùn)行后即有解吸氣產(chǎn)出，需將解吸氣導(dǎo)入轉(zhuǎn)化爐燃燒，替代部分燃料天然氣。導(dǎo)解吸氣操作遵循“先減后導(dǎo)”原則，即每個(gè)燃燒器進(jìn)行先減天然氣，后緩慢開啟解吸氣閥的操作，并觀察燃燒情況。解吸氣導(dǎo)入燃燒后，對(duì)燒嘴燃燒情況、爐膛溫度分布情況、爐膛負(fù)壓、煙氣氧含量等的調(diào)整十分重要，以防脫火、回火、后燒等異常現(xiàn)象發(fā)生和爐膛溫度的大幅波動(dòng)。

3、裝置運(yùn)行

3.1? 防崗位人員思想麻痹大意

裝置穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，崗位操作人員安全意識(shí)容易淡化，往往注意不到設(shè)備、外界條件或系統(tǒng)的細(xì)微變化，最終導(dǎo)致系統(tǒng)失衡，甚至造成事故。因此，裝置越是正常時(shí)越要加強(qiáng)崗位責(zé)任建設(shè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除安全事故隱患，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2巡檢技術(shù)要點(diǎn)

巡檢時(shí)除隨身攜帶微量可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)儀外，還可通過以下方法檢查系統(tǒng)運(yùn)行狀況。聽：根據(jù)聲音判斷設(shè)備運(yùn)行狀況，有無泄漏聲音等;嗅：根據(jù)氣味判斷設(shè)備有無燒焦、泄漏等異常情況;摸：根據(jù)溫感、振感等判斷設(shè)備的運(yùn)行狀況;看：根據(jù)溫度、壓力、液位、顏色、等判斷設(shè)備狀況;比：通過比較，判斷狀況;查：檢查原因，判斷狀況。

3.3? 加減負(fù)荷操作技術(shù)要點(diǎn)

緩速：分多次操作逐步達(dá)到目標(biāo)負(fù)荷;加負(fù)荷操作順序：燃料氣、蒸汽、原料氣;減負(fù)荷操作順序：原料氣、蒸汽、燃料氣。

3.4? 防轉(zhuǎn)化催化劑結(jié)碳

高水碳比安全但不節(jié)能，低水碳比節(jié)能但不安全。因此水碳比維持在3.3～3.5間較為安全、經(jīng)濟(jì);盡量避免水碳比在3以下，轉(zhuǎn)化催化劑有結(jié)碳風(fēng)險(xiǎn)。

3.5 防汽包干鍋

汽包液位的真實(shí)、穩(wěn)定，是防止汽包干鍋的有效措施。因此內(nèi)操人員須重點(diǎn)關(guān)注，外操人員須通過現(xiàn)場(chǎng)觀察、比較判斷液位的真實(shí)性，防止汽包干鍋造成鍋爐爆炸事故。

4、裝置緊急停車

當(dāng)裝置出現(xiàn)突然停電、引風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)、鍋爐給水泵無法正常供水、脫鹽水中斷、循環(huán)冷卻水中斷、天然氣中斷、儀表空氣中斷等情況時(shí)，天然氣轉(zhuǎn)化及PSA需要采取緊急停車措施。

4.1 緊急停車操作原則

不同突發(fā)性事故有不同的應(yīng)急處理重點(diǎn)，但一般原則如下：

4.1.1 斷燃料氣：消除高溫;

4.1.2 斷原料氣，工藝氣和蒸汽泄壓：防爆炸;

4.1.3 脫硫系統(tǒng)保溫保壓、轉(zhuǎn)化催化劑蒸汽鈍化、PSA保壓：保護(hù)脫硫劑、催化劑、吸附劑。

4.1.4 燜爐、運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備停機(jī)完善：保護(hù)設(shè)備;

4.1.5 安全檢查：確保系統(tǒng)安全;

4.1.6 外部聯(lián)絡(luò)：確保關(guān)聯(lián)單位安全等。

4.2 裝置緊急停車操作一般性步驟

截?cái)嗳剂蠚?、脫硫系統(tǒng)保溫保壓、轉(zhuǎn)化催化劑蒸汽鈍化、? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?PSA保壓、泄壓、保護(hù)盤管、燜爐、運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備停機(jī)完善、外部聯(lián)系、系統(tǒng)安全檢查。

5、裝置正常停車

5.1 注意轉(zhuǎn)化氣廢熱鍋爐保護(hù)

在裝置停車過程中，由于原料氣的退出，極易造成轉(zhuǎn)化氣廢熱鍋爐的管層和殼層間的壓差過大而影響廢鍋安全，因此在進(jìn)行轉(zhuǎn)化氣放空氣操作時(shí)，一定要關(guān)小廢鍋出口閥，確保其管殼層間壓差基本不變。

5.2 防轉(zhuǎn)化催化劑浸泡

轉(zhuǎn)化催化劑蒸汽鈍化結(jié)束后，由于溫度的降低，爐管內(nèi)殘留的蒸汽便有可能結(jié)露，附著于催化劑表面而浸泡催化劑。因此一定要用氮?dú)獯祾弑M爐管內(nèi)殘留的蒸汽，并用氮?dú)鉀_壓保護(hù)。

5.3 防天然氣閥門內(nèi)漏

停車后如天然氣閥門關(guān)閉不嚴(yán)，天然氣漏至較高溫度的轉(zhuǎn)化爐膛內(nèi)，則極易發(fā)生爆炸事故。因此停車操作完成后，一定要檢查所有天然氣閥門是否關(guān)嚴(yán)，并打開入爐燃料氣放空閥，確保無任何可燃?xì)怏w漏入爐膛。

6、變壓吸附操作注意事項(xiàng)

6.1 在進(jìn)行程序切換或者檢修時(shí)要防止高壓逆放，如吸附塔需要卸壓，可以通過‘均壓’方法來降低壓力緩慢卸壓或者用手動(dòng)閥門緩慢卸壓，防止氫氣流速過快造成燃燒。

6.2 如果要更換程序控制閥，一定要用氮?dú)庵脫Q吸附塔，通過取樣分析吸附塔內(nèi)的可燃?xì)怏w已置換干凈方可進(jìn)行閥門更換。

6.3 嚴(yán)格禁止用原料氣（轉(zhuǎn)化氣）吹掃管道，防止發(fā)生燃燒事故。

6.4 在巡檢時(shí)要留意產(chǎn)品氫氣管道的法蘭連接點(diǎn)，純氫氣燃燒時(shí)是無色的，常見的情況是往往感到管道有灼熱點(diǎn)，然后才發(fā)現(xiàn)有氫氣泄露。撲滅氫氣火焰用‘干粉滅火劑’進(jìn)行撲滅，火勢(shì)大則立即報(bào)警消防部門。

7、結(jié)語

綜上所述，天然氣制氫雖然屬于危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)，但只要我們加強(qiáng)崗位安全技術(shù)學(xué)習(xí)，切實(shí)掌握安全操作技能，并嚴(yán)格按照安全操作規(guī)程作業(yè)，就能確保天然氣轉(zhuǎn)化制氫裝置安全運(yùn)行，金鉬集團(tuán)公司先后3套天然氣制氫裝置連續(xù)生產(chǎn)近20年來，從未發(fā)生安全事故就是證明。

參考文獻(xiàn)

[1]四川天一科技股份有限公司.金堆城鉬業(yè)集團(tuán)有限公司二期800Nm3/h天然氣轉(zhuǎn)化制氫施工圖設(shè)計(jì)（工程號(hào)：0956）工藝操作原則 圖號(hào)：0956-30-02-1，2009年4月