制氫裝置長期低負荷生產操作要點及運行優化

錢長煒 李鵬 李衛春

（中國石油大港石化公司，天津300280）

氫氣已成為石油化工業中不可缺少的重要原料之一。可靠的高純度氫氣供應，有助于把原料轉化為低硫的汽油、柴油、航煤及聚烯烴等產品。由于本公司新建連續重整裝置投用后，副產品氫氣經凈化后供應氫氣管網，以及下游用氫裝置用氫量有限等因素，制氫裝置長期處于60%左右負荷運行，低負荷運行對裝置關鍵運行參數及能耗影響較大。

1 裝置簡介

某石化公司制氫裝置，由中石化洛陽石化工程公司設計，中油六建公司承建。于2008 年8 月一次開車成功。裝置規模為4×104Nm3·h-1，操作彈性60%～120%，年運行時間8400 小時。采用輕烴與水蒸汽轉化和PSA凈化的制氫工藝，原料為天然氣、脫硫干氣等，產品純度99.9%。本裝置由原料增壓、預熱、加氫脫硫、水蒸氣轉化、變換反應和PSA凈化組成。

2 裝置運行現狀分析及對策

2.1低負荷運行下主要操作參數調整

裝置低負荷運行對轉化爐爐管、PSA等設備影響較大。轉化爐爐管數量達176根之多，低負荷運行時最突出的問題就是管內物料分布不均，易產生偏流。如物料產生偏流會造成爐管局部受熱不均，嚴重時會出現紅管、花斑現象。還會導致催化劑表面結碳、燒結破碎，嚴重影響爐管及催化劑壽命。因此，對相關操作參數進行調整對保護爐管和催化劑有重要意義。

為保護爐管及催化劑，必須調整水碳比，增大轉化爐蒸汽配入量，保證物料在爐管中均勻分布。自裝置低負荷生產以來，水碳比調整至3.5~4.5之間，遠高于設計值3.2。

2.2 低負荷運行下PSA優化調整

PSA作為制氫裝置的重要組成部分，它的運行狀態直接影響氫氣的質量和收率。PSA由10座吸附塔、2臺順放氣罐、1臺解吸氣緩沖罐、1臺解吸氣混合罐等構成。運行程序為“10-2-4”模式，即10 臺吸附塔中始終有2 臺處于吸附狀態，再生時經過4次均壓以提高氫氣回收率。PSA的運行由編寫好的程序自動進行，程序運行步驟如表2。PSA運行過程中，吸附時間是最主要參數，其設定值直接決定產品氫的純度和收率，吸附時間越長，氫氣收率越高，但吸附時間過長，吸附前沿會過于靠前，產品質量反會下降。

裝置低負荷運行期間，脫附氣中氫含量高于25%。降低PSA系統脫附氣中氫氣含量，提高氫氣收率，成為PSA系統優化調整的關鍵點。

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由表1可知，當T1或T2改變后，吸附、順放、逆放、沖洗等時間都隨之改變。就時間設定原則進行分析，可知：（1）T1 時間設定：T1含三均時間（T3）和順放時間，T1的最小值必須同時保證三均降塔與三均升塔壓力均等及順放完全（即順放壓力≤0.2 MPa），同時T1 最小值還必須保證一均時間足夠（即T1 須≥T3）（2）T2 時間設定：T2 含二均時間，T2 的最小值必須保證兩塔二均均等。通過對T1、T2、T3、T4 時間設定原則綜合考慮，確定PSA優化調整原則為：只增加T1或T2時間，T3、T4保持不變。

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調整T1 逐漸由43 秒增加至53 秒，T2 逐漸由116 秒增加至134秒；在保證產品氫質量的前提下，單塔吸附時間2×（T1+T2）共增加56 秒。如表2 所示，經調整后，在處理量基本相同的情況下，產品氫流量呈上升趨勢，脫附氣流量呈下降趨勢。通過取樣分析，解析氣中氫含量下降，氫收率上升。

2.3低負荷運行下關鍵設備設施能耗優化

裝置動設備耗電量、蒸汽自用量等是控制裝置能耗的幾項重要指標。因水碳比高控在4.2左右，導致自用蒸汽量升高，能耗大幅上升。為降低裝置能耗，主要考慮從降低裝置電耗入手。

實現了HydroCOM 無級調節系統在原料氣壓縮機上的應用，大幅降低了壓縮機的實際功率。按照當前生產負荷，壓縮機在60%負荷即可滿足工況。按照：節省的壓縮機功率＝壓縮機額定功率×（1－壓縮機負荷），節省的壓縮機功率＝2300kw×（1－0.6）＝920kw，月節省電量＝920kw×720h＝662400kw·h，通過換算，僅此一項，裝置能耗降低約62.5kgEO/t，節能效果顯著。同時，鼓風機電機由工頻改造為變頻，節省功率96 KW，并計劃于下一檢修期將引風機也改造為變頻運行，預計可節省功率160 KW。通過降低裝置能耗，大幅度減少了水碳比高控導致的能耗損失。

2.4 轉化爐換熱流程優化改造計劃

裝置投產后，轉化爐煙氣換熱系統運行較差，表現為排煙溫度持續偏高、熱效率降低、能耗增加。根據DCS 所反映的數據，低溫段空氣預熱器的空氣溫升為256℃，煙氣溫降為116℃，溫差比約為2.2；高溫段預熱器的空氣溫升為135℃，煙氣溫降為118℃，溫差比約為1.14。高溫段預熱器與低溫段預熱器的溫差比差別很大，而正常情況下，對于同一種換熱介質，根據能量守恒，其換熱溫差比應該是接近的，根據對目前燃料燃燒的模擬，溫差比應該在1.4 左右。基于以上情況分析，可能存在以下問題：（1）空氣旁路擋板沒有完全關閉或存在泄漏情況，導致一部分冷空氣走了旁路。（2）低溫預熱器前的蒸發段有泄漏，有部分高溫蒸汽進入煙氣。（3）預熱器存在泄漏情況。計劃檢修時對以上三個可能存在的問題進行逐一檢查。

同時，針對轉化爐原料預熱段出口溫度較低，排煙溫度較高的問題，做出兩個改造方案。（1）：優化加氫反應器前原料預熱流程，提高原料預熱段入口溫度。（2）：現有加氫反應器前換熱流程不變，在方案一基礎上核算轉化爐對流段各段換熱面積，對對流段進行更換。

3 結語

制氫裝置長期處于低負荷運行時，關鍵參數需進行較大調整。轉化爐的結構及運行原理不同于一般加熱爐，長期低負荷運行，需重點關注轉化爐的運行狀況，保證較高的水碳比，防止原料氣在轉化爐管內偏流，保證爐管及催化劑的壽命。同時，低負荷運行造成了裝置能耗大幅增加，通過對PSA 運行的優化、關鍵動設備運行的優化及煙氣流程優化改造計劃等一系列措施，最大限度降低了裝置能耗，使裝置在長期低負荷下實現了安全平穩高效生產。