焦化干氣制氫裝置提高制氫量研究

韓其利 王賢山 魏艷艷 周海峰 王春雷

摘 要： 通過六西格瑪方法探討了制氫裝置提高制氫量的影響因素。結果表明正和集團焦化干氣制氫裝置轉化出口溫度在755～762 ℃、原料氣量在3 360～3 400 Nm?/h范圍內，可以滿足制氫量≥9 500 Nm?/h，氫氣純度≥99%，產品氫CO含量<10×10-6，產品氫CO2含量<10×10-6要求。

關 鍵 詞：六西格瑪；制氫；焦化干氣；轉化反應

中圖分類號：TQ 116 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）04-0803-02

Abstract： Influence factors of improving hydrogen yield of hydrogen production unit were investigated by six-Sigma method. The results show that， when outlet temperature of the conversion reaction is 755～762 ℃， material volume is 3 360～3 400 Nm?/h， the hydrogen yield can reach 9 500 Nm?/h， and hydrogen purity can reach 99%， CO content in hydrogen is less than 10×10-6， CO2 content is less than 10×10-6.

Key words： Six-Sigma； Hydrogen production； Coking dry gas； Conversion reaction

正和集團制氫裝置自2006年12月份開工以來產氫量平均在8 000 Nm?/h左右，與裝置設計值存在偏差，有一定的提升空間。隨著企業加工規模的擴大，汽油加氫裝置的開工運行，正和集團制氫裝置目前產氫量已不能滿足氫源需求，難以達到產品提升的需求。本文從六西格瑪的管理方法出發，查找裝置存在的問題，找出根本原因并解決，以提高裝置制氫能力，使效益最大化[1]。

1 裝置的運行原理及基線水平

正和集團的制氫裝置設計是以焦化干氣為主原料，生產氫氣規模為10 000 Nm?/h工業氫。裝置技術采用輕烴水蒸氣轉化造氣、變壓吸附（PSA）凈化工藝技術路線。其中，輕烴水蒸氣轉化造氣、變壓吸附（PSA）凈化工藝技術均采用上海華西化工科技有限公司的專有技術。該裝置由原料氣壓縮、原料氣精制、輕烴水蒸氣轉化、中溫變換、PSA以及余熱回收等部分組成[2]。

采用六西格瑪過程能力分析方法對2014年4月至5月裝置制氫量及相關數據分析得出表1。

由表1數據可以看出制氫裝置制氫量均值為8507.3 Nm?/h，與裝置設計值10 000 Nm?/h相差較大，制氫量CpK，PpK值均為0，過程能力很差，亟待改善。氫氣純度均值99.659，滿足裝置要求，其CpK，PpK值表明其短期過程能力、長期過程能力尚可，能夠滿足控制要求。產品氫CO含量均值為1.191，其CpK，PpK值表明其短期能力、長期能力充分，能夠滿足控制要求。產品氫CO2含量均值5.573，其CpK，PpK值表明其短期能力、長期能力充分，能夠滿足控制要求。

2 裝置制氫量影響因子分析

對制氫裝置運行單元進行因子分析，采用團隊頭腦風暴法對原料進裝、脫硫部分、轉化部分、中溫變換部分、PSA提純部分影響因子進行分析，共找出31個因子。通過C&E矩陣對31個因子進行打分，采用柏拉圖對關聯因子進行篩選得出圖1。

通過圖1可知，有13個因子對目標影響近80%，對其13個因子用FMEA進一步分析。分析后得出可以速贏的三個因子：轉化催化劑、中變催化劑及脫附氣壓力。

2.1 三因子速贏方式改善[3]

（1） 轉化催化劑撇頭、篩選處理，補充Z418催化劑0.2 t，Z417催化劑0.9 t。轉化氣中催化劑含量為4.6%左右。

（2） 中變催化劑更換11.3 t。中變氣中CO含量1.60%左右。

（3）脫附氣壓力調整為0.04 MPa。投用小火嘴，將脫附氣與燃料氣分開燃燒。火嘴燃燒正常。

三因子速贏后，制氫量約提高至8 727 Nm?/h。

2.2 關鍵因子相關性分析

速贏后FMEA分析得出關鍵因子有原料氣量、配氫量、轉化出口溫度。對關鍵因子相關性分析得出表2。

由表2數據可以看出原料氣量、轉化出口溫度與制氫量是相關的，配氫量與制氫量無相關性。為避免浪費氫源，同時考慮到裝置工藝運行要求，將配氫量定為（300±10）Nm?/h[4，5]。

原料氣量、轉化出口溫度與制氫量有顯著影響。對其進行回歸分析得出：制氫量=14 687-4.89原料氣量+0.000 967原料氣量2；制氫量=489 843-1 291轉化出口溫度+0.866 4轉化出口溫度2。

3 裝置制氫量相關因子實驗設計

影響制氫量的關鍵因子有2個，在已確認為最優區域的范圍內，進行響應曲面實驗，來研究響應變量Y與自變量X的關系，進而找到自變量的參數設置使得響應變量Y得到最佳值。通過CCF設計，得出表3。

通過響應曲面實驗得出：模型總體有效，沒有失擬現象。R-Sq=98.24%與R-Sq（調整）=96.98%比較接近，說明模擬較好。轉化出口溫度、原料氣量×原料氣量、轉化出口溫度×轉化出口溫度、原料氣量×轉化出口溫度都是高度顯著的，而原料氣量則不顯著。

最后確定回歸方程為：制氫量=567 088-11.8原料氣量-1 448轉化出口溫度+0.007 44原料氣量×原料氣量+1.07轉化出口溫度×轉化出口溫度-0.0473原料氣量×轉化出口溫度（圖2）。

為保證裝置穩定運行，考慮到裝置運行后期轉化爐尾管出現嚴重炭化現象，轉化出口溫度不宜過高。我們要求轉化出口溫度低于762 ℃。根據等值線圖結果，我們確定轉化出口溫度在755～762 ℃、原料氣量在3 360～3 400 Nm?/h范圍內（如圖2中陰影部分所示），可以滿足制氫量≥9 500 Nm?/h，氫氣純度≥99%，產品氫CO含量<10×10-6，產品氫CO2含量<10×10-6要求。

由圖3可知：改善前后制氫量對比發現，制氫量明顯提高，且數據正態分布，過程能力較好。

4 結 論

通過六西格瑪分析，制氫裝置制氫量的關聯因子有轉化出口溫度及原料氣量。實驗設計得出轉化出口溫度在755～762 ℃、原料氣量在3 360～3 400 Nm?/h范圍內，可以滿足制氫量≥9 500 Nm?/h，氫氣純度≥99%，產品氫CO含量<10×10-6，產品氫CO2含量<10×10-6要求。

經過改善，制氫量達到了預期的目標，同時氫氣純度、產品氫CO含量、產品氫CO2含量等指標也得到了保證，但由于時間關系，對長期流程能力的狀況還有待進一步驗證。同時需要按照控制計劃，監控各參數的指標，將制氫量控制在目前水平。

參考文獻：

[1] 中國質量協會.六西格瑪管理[M].第三版.北京：中國人民大學出版社，2014.

[2] 王正烈.物理化學[M].第二版.北京：化學工業出版社，2006.

[3] 王者順.制氫裝置操作工[M].北京：中國石化出版社，2007.

[4] 龐少偉，李棟，秦建軍.焦化干氣制氫裝置運行分析及擴量改造研究[J].石油與天然氣化工，2011，02（11）：132-136.

[5] 楊川，等.天然氣組分對合成氨裝置的影響[J].云南化工，2014（3）：32-36.