14×104m3/h制氫裝置節(jié)能優(yōu)化分析

許小云（中國石油天然氣股份有限公司廣西石化分公司）

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14×104m3/h制氫裝置節(jié)能優(yōu)化分析

許小云（中國石油天然氣股份有限公司廣西石化分公司）

討論了廣西石化分公司14×104m3/h制氫裝置生產操作過程中的節(jié)能優(yōu)化措施。在實際生產中，合理選擇裝置原料可以有效降低原料成本；提高轉化爐熱效率，盡量降低轉化水碳比，控制轉化爐出口甲烷含量，可以降低綜合能耗；優(yōu)化PSA操作參數可以提高原料產氫率。實踐證明，2015年1—3月裝置綜合能耗明顯小于2014年的綜合能耗，節(jié)能優(yōu)化效果顯著。

制氫裝置綜合能耗優(yōu)化措施

廣西石化分公司14×104m3/h制氫裝置采用烴類水蒸氣轉化制氫技術，為目前我國同類裝置單系列最大規(guī)模，裝置主要由原料精制部分、原料預轉化部分、水蒸氣轉化部分、高溫變換反應和工藝氣熱回收部分、PSA凈化部分、轉化爐熱量供應和煙氣余熱回收部分以及雙產汽系統(tǒng)等7個部分組成。裝置原料為天然氣、煉廠氣、液化氣和輕石腦油，采用單獨或混合進料，主要產品是純度99.9%以上、壓力2.3MPa的工業(yè)氫氣。從裝置實際運行工況出發(fā)，分析降低裝置綜合能耗的規(guī)律，探索如何進一步優(yōu)化裝置能耗，使裝置的綜合能耗達到一個更高水平，從而降低裝置的生產成本及煉油企業(yè)的加工成本。

1　裝置綜合能耗

烴類水蒸氣轉化制氫裝置的能耗構成中，原料、燃料氣和外輸蒸汽所占比重較大，約占95%以上［1］。廣西石化分公司14×104m3/h制氫裝置設計綜合能耗及2014年10月、11月、12月實際綜合能耗見表1。從表中數據可以看出裝置實際綜合能耗小于設計值，其中3.5MPa中壓蒸汽和燃料氣的單耗低于設計值，原料氣、循環(huán)水、除鹽水、儀表風和電的單耗均高于設計值。

1.1制氫原料

制氫原料在裝置綜合能耗中占90%以上，生產單位氫氣中原料消耗越小，裝置能耗越低。烴類蒸汽轉化制氫原料中，主要有天然氣、煉廠干氣、液化氣和輕石腦油等，氫碳比依次降低，而氫碳比越大產氫率越高［2］，因此天然氣產氫率最高，綜合能耗最低，輕石腦油則綜合能耗最高。另外，裝置綜合能耗最終反映氫氣的生產成本，原料的價格也影響裝置原料的選擇，需要通過計算生產單位氫氣所消耗的原料成本，確定選擇原料的種類。

表1　2014年制氫裝置綜合能耗

1.2轉化爐燃料氣

轉化爐燃料氣的消耗是影響制氫裝置綜合能耗的另一個主要因素。當采用價格較高的原料時，通過提高轉化爐出口溫度提高原料產氫率，以降低裝置綜合能耗；在使用價格較低的原料時，適當降低轉化爐出口溫度減小原料產氫率，此時PSA解吸氣熱值因殘余甲烷含量增加而升高，轉化爐燃料氣的消耗量相應減少。同時，通過降低轉化爐排煙溫度和過剩空氣系數以提高轉化爐熱效率，可以進一步降低燃料氣的消耗。

1.3外輸蒸汽

在裝置的能耗構成中，外輸3.5MPa中壓蒸汽的產量所占綜合能耗的比重僅小于原料、燃料氣的消耗量，對裝置綜合能耗產生較大的影響，提高蒸汽外輸量將減少裝置綜合能耗。提高中壓蒸汽外輸量可以通過提高裝置蒸汽自產量和減少轉化配汽量來實現(xiàn)。現(xiàn)實操作中通過提高裝置自產蒸汽量來提高蒸汽外輸量并不可取［3］，控制較小的轉化水碳比可以減少裝置配汽量，從而增加外輸蒸汽量。

1.4PSA產品氫氣收率

PSA產品氫氣收率通過原料產氫率影響裝置綜合能耗。PSA產品氫氣收率高，則原料產氫率高，裝置綜合能耗降低。原料氣中氫氣含量越高（即雜質含量低）、原料氣壓力越高，吸附效果越好，PSA產品氫氣收率越高。產品氫氣純度要求高、氫氣中微量雜質含量低，則需要控制較短的吸附時間，導致解吸氣中氫氣含量增大，PSA產品氫氣收率降低。解吸氣壓力越低，吸附劑再生越徹底，通過適當增加吸附時間提高PSA產品氫氣收率。吸附劑性能越好，PSA產品氫氣收率越高，吸附劑壽命越長。

2　節(jié)能優(yōu)化措施

2.1合理選擇裝置原料

目前制氫裝置可以選擇的原料有天然氣、催化干氣、液化氣和輕石腦油。由于催化干氣中烯烴含量較大，且流量不夠穩(wěn)定，容易導致加氫反應器床層超溫，給裝置安全平穩(wěn)運行帶來較大隱患，故不宜作為裝置的理想原料。受國際原油價格持續(xù)走低的影響，目前天然氣價格高于液化氣及輕石腦油的價格，但天然氣的產氫率最高，3種原料單位氫氣生產成本見表2。從表中數據可以看出，液化氣作為裝置原料時單位氫氣原料成本最低，由于氫氣生產成本中原料成本占93%以上比例，故選擇液化氣作制氫原料時氫氣總成本最低。因此，選擇液化氣作為制氫原料，可以降低裝置綜合能耗和氫氣生產成本。

表2　原料生產成本對比

2.2降低轉化水碳比

制氫裝置由于增設了預轉化反應器使裝置設計總水碳比降為2.95，為實際運行時降低水碳比創(chuàng)造了條件。表3列出了不同水碳比下裝置綜合能耗數據，此時以天然氣為原料，裝置負荷62%，轉化爐出口甲烷含量保持6.6%（干基）不變。表3中數據表明，為了確保轉化爐出口甲烷含量基本不變，保持一定的原料產氫率，需要適當提高轉化爐出口溫度進行補償，但由于降低了水碳比，轉化爐燃料氣消耗量隨之降低，蒸汽外送量增大，裝置綜合能耗得到了降低。因此，裝置生產過程中，應在保證安全平穩(wěn)的基礎上盡量控制較低的水碳比，以降低裝置綜合能耗。

表3　不同水碳比對綜合能耗的影響

2.3控制轉化出口甲烷含量

增大轉化水碳比或提高轉化爐出口溫度可以降低轉化爐出口甲烷含量，提高原料產氫率，但裝置的動力、燃料消耗隨之增加。因此，需要控制一個最優(yōu)的轉化爐出口甲烷含量，使裝置綜合能耗最低。圖1給出了在一定氫氣產量及保持低水碳比3.0不變的條件下，不同轉化爐出口殘余甲烷含量所對應的裝置綜合能耗。從圖1可以看出，對于不同的氫氣產量均存在一個最優(yōu)的轉化爐出口殘余甲烷含量，使得裝置綜合能耗最低。由此可見，裝置實際生產中，需要根據當前產氫量通過調節(jié)轉化爐出口溫度，控制殘余甲烷含量在最優(yōu)點附近，以使裝置綜合能耗接近最低值。

2.4提高轉化爐熱效率

通過降低過剩空氣系數和排煙溫度可以提高轉化爐熱效率，達到降低裝置綜合能耗的目的。日常生產中，需要加強巡回檢查，及時關閉已打開的點火孔和看火窗，防止空氣漏進爐膛。同時，根據轉化爐負荷的變化和煙氣中在線氧含量分析數據，適當調整鼓風進入轉化爐的流量，控制煙氣中氧含量在2%～5%，并盡量控制在較低值。另外，通過調節(jié)預熱空氣旁路蝶閥控制轉化爐排煙溫度在設計值（142℃）附近甚至更低，根據專業(yè)研究機構檢測，此轉化爐排煙溫度大于110℃仍不會造成煙氣露點腐蝕。

表4　2015年制氫裝置綜合能耗數據

圖1　殘余甲烷含量對綜合能耗的影響

2.5優(yōu)化PSA操作參數

PSA原料組成及壓力由造氣部分確定，而吸附劑一旦裝入吸附塔即不再改變，能夠進行優(yōu)化操作的只有產品氫氣純度與雜質含量以及解吸氣壓力。吸附時間是PSA最為關鍵的參數，其設定值的大小決定了PSA產品氫純度與雜質含量，進而決定了產品氫氣收率。在調節(jié)PSA操作過程中，根據原料氣組成和流量的變化及時調整吸附時間，使產品氫氣純度剛好合格、雜質含量基本不超標，即不使產品質量過剩，從而最大限度地提高產品氫氣收率，這期間也可通過化驗分析解吸氣中氫氣含量對吸附時間進行修正。另外，生產過程中通過開大解吸氣去轉化爐的控制閥和手閥，盡量降低解吸氣壓力，以提高產品氫氣收率。

3　節(jié)能優(yōu)化結果

2015年開始，通過對裝置各關鍵參數進行優(yōu)化操作，綜合能耗得到了大幅度的降低。2015年前3個月的裝置綜合能耗數據見表4，從表中數據可以看出，其平均綜合能耗（標油）3305kg/t，明顯低于表1中2014年平均能耗（標油）3449kg/t，節(jié)能效率為4.15%，節(jié)能優(yōu)化效果突出。

4　結論

廣西石化分公司14×104m3/h制氫裝置，自2014年7月首次開工運行以來各月綜合能耗均低于設計值，但仍然有較大的優(yōu)化空間。通過進一步降低轉化爐煙氣中氧含量及排煙溫度，提高轉化爐熱效率；增加PSA吸附時間，控制產品氫氣中CO+ CO2微量含量接近設計值20×10-6，防止出現(xiàn)產品質量過剩，以提高PSA產品氫氣收率；降低裝置水碳比至接近設計指標，從而增加蒸汽外輸量并減少轉化爐燃料消耗量；根據裝置氫氣產量合理調節(jié)轉化爐出口溫度使轉化爐出口殘余甲烷含量在曲線最優(yōu)點附近，使裝置綜合能耗降到更低。

［1］郝樹仁，董世達.烴類轉化制氫工藝技術［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2009：68-69.

［2］韓維濤，黃曉暉，曹衛(wèi)波，等.制氫裝置用能分析與節(jié)能措施［J］.煉油技術與工程，2012，42（8）：53-56.

［3］徐立群.制氫工藝改造的節(jié)能效果［J］.節(jié)能與環(huán)保，2006，10（2）：40-41.

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.09.015

2015-03-30）

許小云，工程師，2006年畢業(yè)于西南石油大學，從事制氫裝置工藝技術工作，E-mail：xuxiaoyun2@petrochina.com.cn，地址：廣西欽州市揚帆大道石油公寓，535000。