制氫裝置提高產量及優(yōu)化系統(tǒng)的實踐

（北京首鋼氣體有限公司，北京 101304）

1 400 m3/h制氫裝置基本情況

北京首鋼氣體有限公司400 m3∕h制氫裝置采用國內外成熟的輕烴水蒸氣轉化技術來制取氫氣，原料為天然氣，燃料也是天然氣，產品為純度99.999%的氫氣。裝置設計規(guī)模為400 m3∕h 工業(yè)氫，裝置彈性為30%～110%。該裝置采用天然氣水蒸氣轉化、變壓吸附凈化法的工藝路線，主要過程由原料脫硫、水蒸汽轉化、中溫變換、PSA凈化、產氣系統(tǒng)等幾個部分組成。產品為工業(yè)氫，副產的變壓吸附尾氣作為轉化爐的燃料進行回收使用。工藝流程見圖1。

該裝置自2008年4月11日正式建成投產，運行10 年，設備性能存在不同程度的下降，產品產量大幅度下降，設計400 m3∕h 的氫氣產量最大只能達到338 m3∕h，而下游板材生產用戶近年來隨著市場向好、價格飆升，不斷加大產能，氫氣用量不斷增加。統(tǒng)計的日小時平均用量從200 m3∕h 逐步上升到了300 m3∕h，單日氫氣最高用量達到了330～340 m3∕h，同時制氫裝置生產的氫氣還要充入氫氣管排車保證公司外部客戶的使用，氫氣供應不足給公司的生產經營造成了很大的壓力。

因此，公司提出了對400 m3∕h 制氫裝置進行改造，提高設備性能，提高氫氣產量和能源利用效率。

2 系統(tǒng)診斷及問題分析

2.1 氫氣產量不足

隨著設備使用年限的增加和設備投產后逐漸暴露出來缺陷，造成氫氣產能不足。2017 年6 月份年修之前，氫氣的產能最高只有338 m3∕h，而且設備工況也不穩(wěn)定，潛在的隱患很多，給生產保供造成了很大壓力。

2.2 反應所需蒸汽量不足

400 m3∕h 制氫裝置反應是在高溫和壓力條件下，原料天然氣和水蒸汽發(fā)生的化學反應。

圖1 工藝流程圖

裝置運行中規(guī)程要求水碳比控制值≥3.5，實際因為蒸汽產生量不足，水碳比只能達到2.7～3.0，造成了中變反應不完全，反應后甲烷、一氧化碳等含量超標。在制氫裝置轉化反應中，蒸汽是一種反應物，同時對轉化催化劑具有保護作用。水碳比長期小于控制值，對催化劑壽命不利。下雨天氣，雨水沖刷在汽包外側，造成蒸汽壓力降低，水碳比進一步減小，這極可能造成催化劑突然中毒或者失效，存在很大隱患。

2.3 中變氣甲烷含量超標

中變氣入口溫度在310～340℃之間波動，轉化和中變反應工況都不穩(wěn)定。中變氣中甲烷含量規(guī)程要求控制值為6%，實際值在7%～10%，氫氣含量降低，增加了后續(xù)PSA 吸附系統(tǒng)的負擔，制約了氫氣產量。

中變器入口溫度波動大導致中變氣甲烷含量超標的問題，經分析主要原因是余熱鍋爐的“塞閥”不具有連續(xù)調節(jié)功能，只能全開或者全關。當鍋爐塞閥全開時，進入余熱鍋爐的熱量大量增加，蒸汽產生量大、汽包壓力上升，中變器入口溫度就會降低，反之則溫度會升高。溫度的波動影響雜質的含量，為了防止工況波動造成不合格產品送入管網，系統(tǒng)被迫降低負荷，確保產品質量。

2.4 設備熱損失大

制氫裝置大部分設備和管道工作溫度都比較高，轉化爐溫度最高達到900～920℃。設備和管道外部雖然設置了保溫層，但是保溫層外表面溫度仍然較高，經測量基本在70～80℃，高于環(huán)境溫度40～70℃，熱損失較大，形成了很大的能源浪費。

3 解決方案及實施

3.1 對流段換熱器更換及清洗

蒸汽量不足是對設備運行產生隱患和制約氫氣產量最直觀、最重要的原因，必須首先予與解決。

為了提高水碳比，增加蒸汽產量，現場曾采取了提高爐溫、增大余熱鍋爐換熱面積、增大引風、增加對流段產汽部分溫度等工藝調節(jié)手段，雖然水碳比最高提高到了3.3，但仍然不能達到要求，并且能耗明顯提高了。各種工藝調節(jié)試驗都沒有解決問題，于是尋找設備改造方案。產生蒸汽的核心設備是轉化爐煙道出口一系列的換熱器和換熱管道，整體更換工程量太大，最后鎖定了更換對流段換熱器這一改造方案。

通過對換熱面積的計算和現場空間位置等因素的綜合考量，最后確定將原來的兩個換熱器的肋管分別由4 層增加到6 層，總數由8 層增加到12 層。聯系原廠新換熱器重新制作，利用年修機會實施更換。對于另一個產汽的重要設備余熱鍋爐，利用循環(huán)泵進行藥劑清洗除垢，效果良好。更換前后參數見圖2。

圖2 換熱器更換前后參數

從圖2 可以看出，蒸汽平均流量從579 m3∕h 上升到了778 m3∕h，水碳比平均值從2.9 提高到了3.5，提高了轉化反應的反應率；轉化催化劑的工作狀態(tài)良好、穩(wěn)定，避免了因蒸汽不足造成的損害或突然失效造成的潛在危險。

3.2 余熱鍋爐塞閥安裝閥門定位器

采購了滿足工藝要求的具備連續(xù)調節(jié)功能的閥門定位器，利用年修機會安裝調試完成并達到了正常使用，使用效果良好。參數對比見圖3。

圖3 安裝閥門定位器前后中變器參數對比

轉化后氣體中甲烷含量明顯降低并且較為穩(wěn)定，低于要求的6%，為提高裝置的氫氣產量提供了有效的保證。

3.3 水泵和引風機能力改善

完成以上兩項改造后，生產負荷可以提高了。但是隨之而來產生的問題就是裝置滿負荷生產時汽包液位達不到設定的60%，雖然水泵變頻已經調節(jié)到了最大，但是汽包液位仍然下降，最后被迫減少產量。這說明水泵的上水能力已經不能滿足產能的要求。引風機也暴露了同樣的問題。

對此進行了備用水泵并行的試驗，通過調節(jié)兩臺水泵的變頻，找到了兩臺水泵并行的最佳配合點，滿足了供水量要求，暫時解決了水泵能力不足的問題。

隨后對水泵改造，使得單臺水泵能夠滿足生產需要。同時更換了容量更大的引風機，徹底解決了制約產量提高的因素。

3.4 設備保溫層更換

裝置原使用的保溫材料是耐溫最高400℃的玻璃棉，對于最高可達800～900℃的裝置來說效果不夠。解決方式是：耐溫1000～1200℃的硅酸鋁纖維毯包覆一層以后，在外面再增加一層耐溫700℃的海泡石保溫膏，雙層保溫使得保溫層外表面溫度由原來的的70～80℃降低到了40～50℃，大大減少了裝置的熱損失和能源浪費。改進前后溫度對比見圖4。

圖4 改進前后爐膛中部和尾氣溫度對比

4 最終效果

400 m3∕h 制氫裝置從2017 年6 月底檢修停車開始進行各項改進和施工，到2019 年7 月年水泵和引風機改造完成，制氫工況逐漸趨于優(yōu)化，根據連續(xù)8天數據的對比，400 m3∕h 制氫裝置氫氣產量平均比之前提高了26.62%，最高產量達到463 m3∕h。而且產量提高后，各個分系統(tǒng)工況狀態(tài)良好，轉化和中變反應效率更高，產品純度持續(xù)穩(wěn)定在99.999%，整個系統(tǒng)較之前更加穩(wěn)定。

5 總結

系統(tǒng)診斷找到問題點后，對流段換熱器的改造和余熱鍋爐的清洗解決了蒸汽量不足的問題；“塞閥”的改造，以及工況的調節(jié)優(yōu)化，使得核心反應轉化和中變都處于較佳的狀態(tài)；水泵和引風機的改造提供了足夠的反應物和反應條件，這些工作結合起來，實現了制氫裝置工況優(yōu)化，產量提高。

設備運行隨著年限延長，設備老化、生銹、結垢，甚至部件變形等，都會造成不同設備不同部位發(fā)生性能下降的問題，要認真分析問題產生的原因，特別是有些問題的原因可能錯綜復雜，應分析出主要矛盾并加以解決。