優化生產管控保證全系制氫催化劑延期使用

趙洋，方安

（蘭州石化公司煉油廠，甘肅蘭州730060）

優化生產管控保證全系制氫催化劑延期使用

趙洋，方安

（蘭州石化公司煉油廠，甘肅蘭州730060）

介紹了蘭州石化公司50 000 m3/h制氫裝置全系催化劑的延期使用情況，通過對實際生產過程存在的問題進行優化管控，保證了催化劑延期運行情況穩定，為公司創造了巨大經濟效益。

制氫；催化劑延期；轉化反應；水碳比

隨著國家環境保護法規日益嚴格和原油重質化、劣質化趨勢，石油煉制過程中對氫氣的需求量越來越大，制氫裝置的長周期平穩運行直接影響到下游加氫裝置的穩定運行，是影響企業效益的關鍵裝置。烴類蒸汽轉化制氫技術由于建設規模靈活、產氫量大，主要運用于大型石化行業，其生產能耗高低、產品質量穩定、能否長周期運行與催化劑的選擇和使用方法密切相關［1］。本裝置采用進口的全系制氫催化劑具備低能耗、長周期穩定運行的條件，如何優化生產管控，找出催化劑最佳操作條件是延長催化劑使用周期、降低裝置生產成本的關鍵措施。

圖1　裝置造氣系統簡圖

1　裝置現狀

蘭州石化公司煉油廠50 000 m3/h制氫裝置由中石化洛陽石油化工工程公司設計，采用烴類蒸汽轉化制氫技術和PSA提純技術，生產純度≥99.9%（體積）的高純氫氣，產品供應至煉油廠2.4 MPa和1.3 MPa氫氣管網［2］，自2012年4月5日首次開車成功以來，裝置運行平穩，供氫能力滿足生產需要。裝置造氣工藝流程簡圖（見圖1）。

根據工藝設計，裝置造氣部分共使用6種催化劑，其中加氫、預轉化、轉化及中變等4種催化劑設計壽命為36個月，脫硫劑、脫氯劑（前置時）設計壽命為12個月。裝置首次開工時，選用英國莊信萬豐上市公司生產的全系制氫催化劑，截止2016年3月，全部催化劑已運行47個月，加氫、預轉化、轉化及中變催化劑比設計壽命延長使用11個月，脫硫劑、脫氯劑已延長使用35個月。催化劑延期期間各反應器出口組分質量100%合格，裝置生產運行平穩。根據實際運行情況和廠家的催化劑性能評價報告來看，現全部催化劑運行情況良好，催化劑床層溫度分布和產品質量符合設計要求。根據估算，催化劑延期使用期間僅催化劑費用就可以節約38.8萬元/月，通過延長催化劑的使用周期顯著的降低了裝置生產成本，產生巨大經濟效益。

2　延長催化劑使用周期主要措施

從2014年底，車間就開始積極準備催化劑延期使用相關事宜，經過與催化劑廠家和設計單位進行溝通討論，依據莊信萬豐公司出具的催化劑性能評價報告，經洛陽院同意后上報上級部門確定全部催化劑延期使用。催化劑延期使用裝置采取的主要工作有：

2.1催化劑到設計壽命后，通過標定和催化劑廠家性能評價評定其運行狀況

（1）與國產制氫催化劑相比，裝置目前采用的進口催化劑具有裝填體積小、活性好、反應溫度低、抗積碳鈍化能力強等優點，采用優質催化劑為延長使用周期奠定了基礎條件。國產制氫催化劑與進口制氫催化劑主要性能對比（見表1）。

表1　國產劑與進口劑主要性能對比表［3］

表1　國產劑與進口劑主要性能對比表（續表）［3］

（2）2015年11月底，裝置進行催化劑延期標定，標定期間控制天然氣進料量為14 500 m3/h、水碳比控制為3.2、轉化爐出口溫度800℃，裝置產氫量約為35 000 m3/h（70%負荷）。通過標定檢測，各反應器出口氣體質量分析合格，反應器溫度、壓差等參數正常，滿足生產要求。

（3）2015年8月27日及2015年11月24日，裝置將生產數據收集并通過莊信萬豐數據庫進行模擬對催化劑進行了性能評價，若按照廠家的建議進行操作，各催化劑可延期使用的具體時間（見表2）。

表2　各催化劑預期壽命

2.2分析運行中存在的問題并制定管控措施，為催化劑長周期運行提供保障

（1）2015年10月23日，裝置轉化氣蒸汽發生器控制閥（特閥）發生故障（流程圖見圖1），導致中變反應器入口溫度無法進行調節，中變反應器入口溫度升高，勢必會對催化劑的長周期運行造成影響，為保證安全平穩運行，裝置通過對操作數據的分析和計算，采用調整轉化爐出口溫度和水碳比的方法，控制中變床層溫度盡可能的接近催化劑廠家推薦指標。經過優化轉化氣質量控制，降低轉化爐出口溫度和嚴格控制水碳比等措施，現中變反應器運行平穩。

（2）裝置催化劑現已超出設計使用壽命，為延長催化劑使用周期，經過與分廠協商，裝置將加氫干氣改入燃料管網，現只采用硫含量較低的天然氣作為制氫生產原料。同時為保證加氫催化劑硫化態活性組分不被氫氣還原，經過與催化劑廠家和設計院協商，在生產中嚴格控制反應配氫量在500 m3/h～800 m3/h。

（3）裝置轉化氣在線甲烷分析儀表故障，操作中無法根據在線儀表數據對轉化爐進行優化調節，不利于裝置節能降耗。車間已積極聯系維修單位加快修復儀表，在此期間車間定期將生產數據進行整理下發，給轉化爐調節操作提供參考，保證質量前提下降低裝置能耗。

（4）裝置空冷發生故障頻率較高，進行檢維修過程時中變冷卻系統換熱流程須調整，容易導致加氫反應器超溫。車間經過摸索計算，總結出停運空冷操作法，經過優化調節，保證了加氫催化劑的穩定運行。

2.3總結低負荷生產下的最優控制參數，延長催化劑使用壽命，降低生產成本

（1）轉化反應是制氫裝置的核心部分，其主要為甲烷與水蒸氣在鎳基催化劑作用下生成氫氣和一氧化碳、二氧化碳的強吸熱反應，因此控制好爐膛溫度是保證轉化反應深度、降低裝置能耗和保護催化劑長周期運行的關鍵措施。本裝置轉化爐有176根爐管和70個火嘴，燃料主要為高壓瓦斯和裝置PSA單元產生的低壓解吸氣，因解吸氣受PSA程序特性的影響，壓力及組分均較大幅度波動，所以轉化爐溫度控制難度很大。但為保證轉化催化劑能順利延長使用壽命，車間將爐膛內橫面溫差控制指標由≤50℃調整為≤30℃，8個支路出口溫差控制指標由≤20℃調整為≤10℃。經過優化后，雖然增加了操作難度，但有效的降低了爐出口溫度和燃料氣用量，使爐管和催化劑的受熱強度下降，有利于長周期運行。

（2）水碳比的控制是影響制氫裝置安全長周期運行的重要因素，水碳比過低會降低反應深度，同時催化劑床層容易析碳、超溫，影響催化劑使用壽命；水碳比過高會大量增加燃料和中壓蒸汽消耗，提高了裝置生產成本，影響經濟效益，水碳比過高還容易導致催化劑鈍化和中變反應器超溫；同時，在低負荷生產時水碳比的選擇是保證176根爐管內介質分布均勻的唯一方法，經過查詢計算，轉化爐入口介質流量須控制≥37 400 m3/h。因此，控制合理的水碳比是優化裝置運行，保護設備及催化劑長周期運行的重要措施。由于受2.4 MPa和1.3 MPa管網氫氣壓力影響，制氫裝置生產負荷調整較為頻繁，車間對生產數據進行整理計算后下發水碳比控制表（見表3），要求班組在生產過程中嚴格執行，從而保證催化劑和設備的安全運行。

表3　裝置水碳比控制表

2.4開展生產競賽，提高操作水平

在催化劑延期使用期間，車間開展了轉化率、氫氣收率小指標競賽，通過獎勵機制調動班組員工精心操作、細化指標的積極性。車間還定期將優秀操作經驗進行收集整理，組織員工認真學習，從而使制氫全員的操作水平得到提升，并積極的落實了公司“挖潛增效、節能降耗”主題活動。

表3　裝置水碳比控制表（續表）

3　實施效果及主要經濟效益

3.1延期使用期間各催化劑運行狀況

延期使用期間各催化劑主要運行參數統計（見表4）。通過對比可以看出，各催化劑反應溫度在指標范圍內，且低于設計上限值，說明催化劑運行穩定。催化劑延期使用期間，各反應器出口組分分析數據（見表5）。

表4　催化劑主要運行參數

通過對比可以看出，各餾出口質量滿足設計要求，結合表4催化劑反應溫度參考，現催化劑活性較好，滿足裝置生產要求，轉化爐出口平衡溫距僅為2℃。

3.2催化劑延期使用期間，裝置運行狀況

（1）截止2016年3月，催化劑共延期使用11個月，累積生產氫氣16 547 t（折合為23 400 m3/h），延期期間生產穩定，質量100%合格。

（2）中變反應器運行平穩，催化劑活性、溫度及床層壓差未見明顯變化趨勢，后期生產中要繼續嚴格監控，從而確保催化劑壽命順利延期。

（3）空冷發生故障過程中加氫反應器未有超溫現象發生，2015年12月底空冷皮帶突然斷裂，操作人員很好的完成了應急處置，沒有導致裝置催化劑超溫和PSA系統退守。

（4）對操作進行優化后裝置生產能耗控制良好，催化劑延期使用期間裝置平均能耗為1 102.67 kg·Eo/t，低于三檔指標1 125 kg·Eo/t。

（5）自開展生產競賽以來，取得的效果顯著，產品氫氣收率（以甲烷計）由不足29%上漲至33.53%，最高達36.03%，在氫氣質量（CO+CO2≤0.2 mg/L）遠高于設計值（CO+CO2≤20 mg/L）的情況下收率基本達到初始設計值33.89%。

表5　裝置餾出口質量統計

表6　上周期催化劑費用攤銷統計表

3.3催化劑延期產生的直接經濟效益

（1）在催化劑設計周期內，每月催化劑費用攤銷（見表6）。

（2）裝置停工換劑及開工產生的燃料及動力消耗費用（見表7）。

催化劑延期使用，避免了裝置開停工處理，產生效益83萬元。

截止2016年3月，催化劑共延期使用11個月，在此期間產生的直接經濟效益為510.6萬元，且催化劑延期使用還保證了公司汽煤柴油加氫精制裝置生產連續性，為公司創造了巨大經濟效益。

4　結論

優化操作，合理控制催化劑操作條件是保證制氫催化劑長周期運行的關鍵。延長催化劑的使用壽命，不僅為公司創造了巨大的經濟效益，而且還減少了約140 t固體危險廢物的排放，保護了環境，為企業樹立良好形象做出貢獻。

表7　制氫裝置開停工發生費用統計表

［1］郝樹人，董世達.烴類轉化制氫工藝技術（第1版）［M］.北京：石油工業出版社，2009.

［2］周景倫，趙洋.蘭州石化公司50 000 m3/h制氫裝置操作規程［G］.蘭州石化公司，2014.

［3］數據庫：莊信萬豐上市公司催化劑運行數據庫.

［4］莊信萬豐上市公司催化劑評價報告：50 000 m3/h制氫裝置催化劑性能評價［G］.莊信萬豐上市公司，2015.

TE624.9

A

1673-5285（2016）09-0125-06

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.09.030

2016－07-05

趙洋，男（1985-），助理工程師，現從事于煉油裝置生產技術管理工作。