制氫裝置配氫線改造解決轉(zhuǎn)化催化劑結(jié)焦方案

楊文杰

摘 要：本文針對(duì)某公司制氫裝置配氫線進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)和優(yōu)化后，運(yùn)行過程中出現(xiàn)的轉(zhuǎn)化催化劑結(jié)焦問題進(jìn)行分析，通過加裝除油設(shè)施，進(jìn)一步流程優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)配氫原料的清潔，在降低裝置生產(chǎn)成本同時(shí)，增加經(jīng)濟(jì)效益，解決因配氫帶油使轉(zhuǎn)化催化劑結(jié)焦問題。

關(guān)鍵詞：配氫;除油設(shè)施;花斑;紅管

1 前言

該公司制氫裝置原料氣加氫部分，原設(shè)計(jì)有一條由外公司的配氫線，向原料氣中配置3-5%（V）以上的氫氣。為增加經(jīng)濟(jì)效益，通過流程優(yōu)化和改造，配氫在正常生產(chǎn)過程由柴油加氫裝置聯(lián)合機(jī)組一級(jí)新氫出口氫氣進(jìn)行供應(yīng)，但是改造后因聯(lián)合機(jī)組新氫機(jī)活塞及活塞環(huán)在實(shí)際運(yùn)行過程中磨損嚴(yán)重，需加大機(jī)組注油量，造成新氫壓縮機(jī)一級(jí)出口氫氣攜帶潤(rùn)滑油和重質(zhì)烴，夾帶至制氫裝置使制氫裝置加氫催化劑、脫硫催化劑造成一定程度結(jié)碳并使轉(zhuǎn)化催化劑結(jié)焦失活，造成轉(zhuǎn)化爐爐管出現(xiàn)大面積花斑與紅管，導(dǎo)致制氫停工并更換轉(zhuǎn)化催化劑，經(jīng)濟(jì)損失巨大。經(jīng)調(diào)整配氫線引出位置，增加除油裝置，確保制氫裝置轉(zhuǎn)化部分穩(wěn)定。

2 裝置配氫管線優(yōu)化及改造方案

2.1 配氫管線改造原因

裝置外購(gòu)氫氣每月花費(fèi)15.6萬元，自產(chǎn)氫氣每月成本6.3萬元，用自產(chǎn)氫每月可節(jié)省9.3萬元，每年可節(jié)省111.6萬元，能夠產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益。裝置試運(yùn)行生產(chǎn)后，將配氫由外購(gòu)改至裂解柴油加氫裝置聯(lián)合機(jī)組一級(jí)出口引出。

2.2 改造投入運(yùn)行后出現(xiàn)的問題

裝置于2015年1月31日投入生產(chǎn)。2月2日由1300 Nm3/h提至1810 Nm3/h滿負(fù)荷時(shí)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化爐出口甲烷含量異常升高，檢查轉(zhuǎn)化爐爐管發(fā)現(xiàn)有8根爐管出現(xiàn)不同程度花斑與紅管，狀態(tài)已經(jīng)非常嚴(yán)重。

2.3 對(duì)出現(xiàn)爐管出現(xiàn)的花斑和紅管進(jìn)行原因分析

轉(zhuǎn)化反應(yīng)就是在不斷的發(fā)生結(jié)碳、消碳的反應(yīng)，當(dāng)結(jié)碳速度快，轉(zhuǎn)化催化劑就會(huì)形成積碳。積碳的形成會(huì)造成爐管出現(xiàn)花斑、紅管、出口芳烴和甲烷含量增高等。我們根據(jù)下列原因造成對(duì)結(jié)碳的原因進(jìn)行分析：

2.3.1 原料性質(zhì)變化及催化劑中毒

原料中C5以上組分和烯烴的含量過高時(shí)，容易在轉(zhuǎn)化爐內(nèi)高溫部位發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致在催化劑表面積碳，文獻(xiàn)[1]要求原料組成中C5<0.5%;原料中的硫化物、氮化物以及烯烴的含量對(duì)轉(zhuǎn)化催化劑具有毒害作用，甚至?xí)?dǎo)致轉(zhuǎn)化催化劑的失活，因此原料氣在進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐之前必須進(jìn)行加氫、脫毒使進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐的原料氣達(dá)到硫、氯含量<0.2μL/L，砷含量 <5 μg/g。開工以來原料氣化驗(yàn)分析顯示，原料氣中C5< 0.5%、烯烴為0，轉(zhuǎn)化原料中硫、氯<0.5ppm，不會(huì)造成結(jié)焦。

2.3.2 負(fù)荷及水碳比變化

負(fù)荷波動(dòng)大，會(huì)導(dǎo)致氣體在轉(zhuǎn)化爐管內(nèi)發(fā)生偏流，甚至造成個(gè)別爐管干燒，影響催化劑的使用壽命，裝置標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷1929 Nm3/h，操作彈性50-120%，水碳比3.0-4.5，查看DCS有關(guān)天然氣負(fù)荷和水碳比變化趨勢(shì)，均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

2.3.3 反應(yīng)及3.5MPa蒸汽溫度和壓力大幅波動(dòng)

由于工藝的需要轉(zhuǎn)化爐床層溫度為480～850℃，而3.5MPa蒸汽的溫度為240℃左右，如果反應(yīng)或蒸汽溫度大幅波動(dòng)將會(huì)導(dǎo)致催化劑床層溫度的巨大波動(dòng)，如果溫度下降將會(huì)導(dǎo)致烯烴穿透整個(gè)轉(zhuǎn)化床層，最終導(dǎo)致爐出口甲烷含量上升，很容易導(dǎo)致轉(zhuǎn)化催化劑下部催化劑積炭，而轉(zhuǎn)化溫度升高會(huì)導(dǎo)致催化劑的燒結(jié)，進(jìn)而導(dǎo)致催化劑孔結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，活性中心發(fā)生變化，最終導(dǎo)致催化劑失活，因此蒸汽溫度是保證催化劑穩(wěn)定和爐管無異常的保證;配汽壓力的波動(dòng)最直接的表現(xiàn)為水碳比的變化，如果反應(yīng)及3.5MPa蒸汽壓力大幅波動(dòng)很可能會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的偏流，嚴(yán)重情況下發(fā)生催化劑失活，查看DCS歷史趨勢(shì)，排除溫度及壓力大幅波動(dòng)造成結(jié)焦。

2.3.4 局部過熱

局部過熱將會(huì)使轉(zhuǎn)化催化劑的燒結(jié)進(jìn)而導(dǎo)致催化劑的孔結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，活性中心遷移，最終使催化劑失去活性導(dǎo)致催化劑表面積炭，為了排除這種情況的發(fā)生，將轉(zhuǎn)化爐各爐管同一水平面的溫度計(jì)進(jìn)行比較，并在現(xiàn)場(chǎng)使用測(cè)溫槍進(jìn)行測(cè)量和記錄，并進(jìn)行對(duì)比，爐管不存在局部過熱的現(xiàn)象。

2.3.5 原料氣的帶液量

對(duì)裝置各個(gè)可能帶油的管線進(jìn)行低點(diǎn)排液，檢查是否因?yàn)閹в鸵鸬幕ò吆图t管的問題，在配氫調(diào)節(jié)閥前導(dǎo)淋放出帶霧狀的潤(rùn)滑油，估算含量約為0.3-0.8g/min，根據(jù)文獻(xiàn)[2]配氫攜帶潤(rùn)滑油<0.1g/天的標(biāo)準(zhǔn)，潤(rùn)滑油的進(jìn)入導(dǎo)致轉(zhuǎn)化入口水碳比嚴(yán)重失調(diào)，進(jìn)而引發(fā)催化劑發(fā)生積炭現(xiàn)象，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化爐管出現(xiàn)花斑現(xiàn)象。

3 解決轉(zhuǎn)化催化劑結(jié)焦的方案

通過技術(shù)交流，確定造成轉(zhuǎn)化爐爐管出現(xiàn)花斑及紅管的原因是因?yàn)槁?lián)合機(jī)組新氫機(jī)活塞及活塞環(huán)在實(shí)際運(yùn)行過程中磨損嚴(yán)重后需加大機(jī)組注油量，造成新氫壓縮機(jī)一級(jí)出口氫氣攜帶潤(rùn)滑油和重質(zhì)烴，而制氫的配氫線由加氫裝置聯(lián)合機(jī)組級(jí)間分液罐前管線引出未進(jìn)行及時(shí)脫液，新氫壓縮機(jī)一級(jí)出氫氣攜帶潤(rùn)滑油和重質(zhì)烴夾帶至制氫裝置使制氫裝置加氫催化劑、脫硫催化劑造成一定程度結(jié)碳，經(jīng)過轉(zhuǎn)化爐對(duì)流段（原料預(yù)熱段）預(yù)熱至480-520℃，在高溫的作用下潤(rùn)滑油攜帶的潤(rùn)滑油和重質(zhì)烴使轉(zhuǎn)化催化劑結(jié)焦失活，造成轉(zhuǎn)化爐爐管出現(xiàn)大面積花斑與紅管。對(duì)聯(lián)合機(jī)組注油器的注油量進(jìn)行分析，冷卻分液后氫氣中夾帶霧狀潤(rùn)滑油和重質(zhì)烴含量約0.3-0.8g/min，按0.5g/min量計(jì)算每小時(shí)夾帶量為30g左右，而每天的夾帶量為720g，而根據(jù)計(jì)算只需要10kg的潤(rùn)滑油就可以導(dǎo)致轉(zhuǎn)化爐出現(xiàn)花斑及紅管從而停工。對(duì)此為了及時(shí)有效的脫除配氫中夾雜的潤(rùn)滑油保證配氫的清潔實(shí)施了技術(shù)改造。

通過與制氫配氫原來的流程圖（1）對(duì)比改造后的配氫流程如圖（2）引出線在加氫聯(lián)合機(jī)組新氫一級(jí)壓縮出口緩沖罐后路引出，與圖（1）相比較可以利用壓縮機(jī)一級(jí)出口緩沖罐對(duì)配氫進(jìn)行脫液工作大大降低了配氫的攜油量。另一方面在配氫管線上增設(shè)了一個(gè)除油過濾器和兩個(gè)高效凈化器，凈化器內(nèi)填充的氫氣凈化分子篩可以有效的將氫氣中夾雜的潤(rùn)滑油和重質(zhì)烴脫離出去，兩個(gè)高效凈化器可以串聯(lián)在一起，可以并聯(lián)在一起，也可以單獨(dú)運(yùn)行，即使在生產(chǎn)正在運(yùn)行過程中，只要做好有效隔離就可以實(shí)現(xiàn)在線換劑，保障了制氫裝置配氫的清潔，從而實(shí)現(xiàn)了制氫裝置長(zhǎng)周期良好的運(yùn)行。

通過表格數(shù)據(jù)的對(duì)比：氫氣純度有較大幅度的提高，C5以上組分大幅降低，C2以上組分也有較大幅度的降低，一氧化碳含量、二氧化碳含量以及氧含量氮含量都有小幅度降低，由此可見此次技術(shù)改造解決了由于配氫攜帶潤(rùn)滑油和重質(zhì)烴導(dǎo)致轉(zhuǎn)化爐爐管的問題，大大提高了轉(zhuǎn)化催化劑的使用壽命確保了制氫裝置一個(gè)開工周期的平穩(wěn)運(yùn)行。

4 結(jié)論

通過此次配氫線的技術(shù)改造與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了配氫的自給自足，不需要依托其他公司提供配氫的要求，并且解決了配氫帶油給轉(zhuǎn)化催化劑帶來的結(jié)焦、積炭的問題，大大延長(zhǎng)了催化劑的使用壽命，也為三套加氫裝置提供了穩(wěn)定的氫氣來源加以保障，確保制氫裝置一個(gè)開工周期的平穩(wěn)運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]東方石化30萬噸/年柴油加氫裝置操作規(guī)程[Z].東方石化，2016.

[2]東方石化4000Nm3/h制氫裝置操作規(guī)程[Z].東方石化，2016.