制氫裝置長期低負(fù)荷生產(chǎn)操作要點及運行

徐沛元

摘 要：現(xiàn)階段，石油化工企業(yè)在生產(chǎn)過程中，制氫裝置在長期低負(fù)荷運行的狀態(tài)下，使得能源消耗量增加，因此應(yīng)對其進(jìn)行優(yōu)化處理，降低裝置能源消耗。基于此，本文結(jié)合裝置的運行參數(shù)、制氫原料以及裝置低負(fù)荷運行操作的調(diào)整進(jìn)行細(xì)致分析，以此為關(guān)注這一話題的人士提供參考。

關(guān)鍵詞：制氫裝置;低負(fù)荷生產(chǎn);操作要點

氫氣作為石油化工企業(yè)中重要的原料之一，在企業(yè)的發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用。氫氣的高純度供應(yīng)，為原料轉(zhuǎn)化成低硫的汽油、柴油等起到一定的推動作用。由于在運行的過程中，制氫裝置長期處于低負(fù)荷的運行狀態(tài)，造成能源消耗增大，因此需要提高水碳比、增加配氫量等對全廠氫氣管網(wǎng)的平衡進(jìn)行維持。

1 裝置簡介

1.1 工藝原則流程

中國石化海南煉油化工有限公司制氫裝置由原料加氫脫硫、原料蒸汽轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)化氣的中溫變換以及中變氣的變壓吸附氫氣提純以及余熱回收系統(tǒng)組成。烴類水蒸氣轉(zhuǎn)化法造氣和變壓吸附氫氣提純的工藝，生產(chǎn)工業(yè)氫氣，其純度高達(dá)99.9%以上。產(chǎn)量為6×104Nm3/h，為全廠提供2.0MPa的氫氣管網(wǎng)，另外的少量純度達(dá)99.99%的氫氣將送到聚丙烯裝置，副產(chǎn)品為吸附尾氣，作為轉(zhuǎn)化爐的燃料進(jìn)行使用。

1.2 制氫原料

制氫裝置的原料為渣油加氫裝置提供的（RDS-PSA）變壓吸附尾氣、天然氣、液化氣和石腦油。變壓吸附（RDS-PSA）尾氣供應(yīng)量不足時，先以天然氣作為主要的補(bǔ)充原料，天然氣不足時，需要對罐區(qū)提供的液化氣和石腦油作為補(bǔ)充原料，進(jìn)行氫氣的生產(chǎn)。

1.3 運行參數(shù)

制氫裝置在低負(fù)荷運行過程中，應(yīng)優(yōu)先保護(hù)設(shè)備和催化劑，對水碳比的參數(shù)進(jìn)行相對調(diào)整，從而對催化劑、轉(zhuǎn)化爐等設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，在這基礎(chǔ)之上，對節(jié)能進(jìn)行優(yōu)化處理，主要操作參數(shù)與正常生產(chǎn)的參數(shù)對比差異較大。生產(chǎn)負(fù)荷在30%時，加氫反應(yīng)入口溫度為345℃，轉(zhuǎn)化爐爐膛溫度為890℃，轉(zhuǎn)化爐入口溫度為485℃，轉(zhuǎn)化反應(yīng)水碳比為5-6，轉(zhuǎn)化氣體殘余甲烷體積分?jǐn)?shù)為1.5%左右，產(chǎn)氫量為20000Nm3/h，當(dāng)生產(chǎn)負(fù)荷在100%時，加氫反應(yīng)入口溫度為365℃，轉(zhuǎn)化爐爐膛溫度為960℃，轉(zhuǎn)化爐入口溫度為480℃，轉(zhuǎn)化反應(yīng)水碳比為3.8-4.2，轉(zhuǎn)化氣體殘余甲烷體積分?jǐn)?shù)為4.5%，產(chǎn)氫量為6×104Nm3/h。

2 裝置低負(fù)荷運行操作調(diào)整

2.1 加氫反應(yīng)器操作

2.1.1 實施預(yù)處理

在制氫裝置中需要根據(jù)原料類型規(guī)范預(yù)處理流程，以便在長期低負(fù)荷生產(chǎn)中依舊具備良好的制氫功能。其溫度應(yīng)低于430℃且高于350℃，促使預(yù)處理環(huán)節(jié)原料質(zhì)量有所上調(diào)。在預(yù)處理環(huán)節(jié)主要涉及到加氫與脫硫脫氯反應(yīng)。在應(yīng)用石腦油以及天然氣作為制氫原料時，為了確保原料供應(yīng)的穩(wěn)定性，需要利用精準(zhǔn)把控天然氣供應(yīng)量的形式調(diào)節(jié)制氫產(chǎn)量，以免影響制氫效率。同時，還需在控制脫硫反應(yīng)器內(nèi)對出口硫含量予以檢測，便于控制轉(zhuǎn)化催化劑中毒現(xiàn)象的出現(xiàn)，從而在低負(fù)荷下生產(chǎn)出適量氫氣。

2.1.2 實施配氫操作

之所以需在制氫裝置低負(fù)荷生產(chǎn)狀態(tài)下增加配氫環(huán)節(jié)，主要源于以下三種原因：一為保證原料進(jìn)入到轉(zhuǎn)化爐后能夠始終呈現(xiàn)熱平衡趨勢，以免爐膛內(nèi)溫度下降，增加轉(zhuǎn)化爐損壞率;二為針對制氫原料中含有的有害硫成分，配氫可對其脫硫效率起到促進(jìn)作用，從而確保轉(zhuǎn)化催化劑性能不受影響;三為在制氫裝置中，適當(dāng)增加配氫量，以達(dá)到裝置處于部分循環(huán)的目的，保證轉(zhuǎn)化爐入口的原料氣不低于最低流量。

2.1.3 邊循環(huán)邊進(jìn)料

制氫裝置在運行的過程中，當(dāng)進(jìn)料少或者停止進(jìn)料時，能夠使全廠的氫氣管網(wǎng)維持一定的平衡。因此，需要將該部分的中變氣回壓縮機(jī)循環(huán)運行，切記在循環(huán)之前應(yīng)將加氫反應(yīng)器切除，使原料中的氣體改變流程。一般而言，在低負(fù)荷下實施制氫操作，中變氣所含的一氧化碳、二氧化碳，在其進(jìn)入加氫反應(yīng)器中，會與氫氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成甲烷，甲烷化反應(yīng)是體積縮小的強(qiáng)放熱可逆反應(yīng)，會導(dǎo)致床層出現(xiàn)溫度升高的現(xiàn)象，嚴(yán)重時會出現(xiàn)飛溫。

2.2 轉(zhuǎn)化部分的操作

2.2.1 提高水碳比

水碳比作為烴類--水蒸氣轉(zhuǎn)化法制氫的重要參數(shù)，在制氫裝置低負(fù)荷運行的狀態(tài)下，需要調(diào)整水碳比，增加轉(zhuǎn)化爐爐管內(nèi)的介質(zhì)流量，使物料均勻分布在288根爐管內(nèi)，預(yù)防偏流現(xiàn)象的發(fā)生。在水碳比控制的過程中，容易出現(xiàn)控制過高的現(xiàn)象，會使燃料的蒸汽的消耗過量，影響節(jié)能降耗;過多的水蒸氣會使催化劑活性降低，影響催化效果。由于在該制氫裝置中所采用的轉(zhuǎn)化催化劑成分為氧化鎳，故而應(yīng)根據(jù)制氫量的要求確定水蒸氣轉(zhuǎn)化氣的含量，以免催化劑不能發(fā)揮其作用，失去活性;中變氣中水蒸氣含量不斷升高，致使換熱設(shè)備溫度過高。

一般而言，雖然制氫裝置水碳比偏低狀況下將引發(fā)催化劑結(jié)碳現(xiàn)象，但由于制氫裝置中具備的消碳功能較強(qiáng)，進(jìn)而削弱了結(jié)碳風(fēng)險。為了確保制氫裝置能在低負(fù)荷狀態(tài)下達(dá)到最優(yōu)化制氫效果，需適當(dāng)增加水碳比，并對反應(yīng)器以及轉(zhuǎn)化爐管內(nèi)部空速予以保證，否則將引發(fā)偏流狀況，一旦空速過低，將導(dǎo)致轉(zhuǎn)化管等設(shè)備發(fā)生超溫的風(fēng)險增加，從而不利于設(shè)備的安全長周期運行。通常情況下，在合理范圍內(nèi)增加水碳比可以保證進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐的物料不低于設(shè)計的最低流量，促使轉(zhuǎn)化管內(nèi)部氣體實現(xiàn)均勻分布，最終可在有效防護(hù)下保護(hù)設(shè)備和催化劑，以此為制氫裝置低負(fù)荷生產(chǎn)操作提供重要保障，既能保障設(shè)備的使用年限，又能促使制氫裝置提供適量的氫氣。

2.2.2 控制好轉(zhuǎn)化爐溫度

轉(zhuǎn)化爐溫度也是烴類--水蒸氣轉(zhuǎn)化法制氫的重要參數(shù)，制氫裝置屬于強(qiáng)吸熱轉(zhuǎn)化反應(yīng)，升高轉(zhuǎn)化爐的反應(yīng)溫度，能夠促進(jìn)轉(zhuǎn)化率的提高，從而有效降低轉(zhuǎn)化的氣體中甲烷的含量。轉(zhuǎn)化爐爐管材質(zhì)為HP40Nb，屬于高溫合金材質(zhì)，其設(shè)計使用壽命為10萬h，爐管管壁溫度設(shè)計為916℃，控制爐膛溫度應(yīng)小于1000℃，爐膛同一水平面的溫差應(yīng)≤100℃，各爐管溫差≤30℃。本裝置轉(zhuǎn)化爐為頂燒爐結(jié)構(gòu)，爐膛內(nèi)有105支火嘴呈7排分列，爐內(nèi)爐管共288根，呈6排分列，每排48根，其中頂燒爐嘴下方1-3m

處溫度最高。制氫裝置低負(fù)荷運行時，原料使用量較少，導(dǎo)致爐管內(nèi)上下溫度差過大，影響爐管的使用年限。因此，在生產(chǎn)過程中，燃料氣以變壓吸附（PSA）系統(tǒng)副產(chǎn)品解吸氣為主，再進(jìn)行少量管網(wǎng)瓦斯的補(bǔ)充，同時對火嘴、風(fēng)門、煙道擋板進(jìn)行調(diào)節(jié)，將爐前瓦斯的閥門關(guān)小，控制爐內(nèi)的氧氣、負(fù)壓含量，使火嘴完全燃燒，控制爐內(nèi)火焰，防止出現(xiàn)爐管局部過熱現(xiàn)象。對火嘴進(jìn)行調(diào)整，保證爐內(nèi)各溫度均勻分布，在制氫裝置生產(chǎn)負(fù)荷在30%時，加氫反應(yīng)入口溫度調(diào)整為345℃，轉(zhuǎn)化爐爐膛溫度控制在890℃，轉(zhuǎn)化爐入口溫度調(diào)整為485℃。由于在運行過程中，爐管內(nèi)物料的空速低，以此需要降低爐口溫度，保證轉(zhuǎn)化氣甲烷含量符合規(guī)定，與此同時降低爐管的外壁溫度，避免出現(xiàn)紅管花斑現(xiàn)象的發(fā)生。

2.2.3 增加轉(zhuǎn)化爐監(jiān)控設(shè)備

轉(zhuǎn)化爐爐膛的設(shè)計溫度測點有16個，因此在平時的工作中，無法對這些測點進(jìn)行全方面監(jiān)控，對爐膛內(nèi)的溫度進(jìn)行掌控?；诖耍?014年12月中國石化海南煉油化工有限公司在爐膛內(nèi)安裝了紅外在線溫度場檢測與爐管安全報警系統(tǒng)，方便對爐膛內(nèi)溫度的監(jiān)控，并增加工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)t管裂開時及時采取補(bǔ)救措施，保證制氫裝置的穩(wěn)定運行。

3 結(jié)論

綜上所述，制氫裝置長期低負(fù)荷運行給制氫工作帶來很大的負(fù)面影響，因此在操作過程中，應(yīng)對轉(zhuǎn)化爐的進(jìn)料、溫度、均勻分布進(jìn)行控制，防止甲烷含量超標(biāo)，降低裝置的能源消耗，使催化劑發(fā)揮最大作用，最大程度保證設(shè)備的正常運行。

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