制氫裝置低負荷運行時的操作優(yōu)化

安興旺 鄒志恒

摘要：近年來，科技進步和時代發(fā)展，為我國煉油領域創(chuàng)新改革帶來重大機遇，為了更好降低柴油比，提升企業(yè)經(jīng)濟效益，則需要從裝置狀態(tài)運行方面入手，注重設備的優(yōu)化和完善，降低制氫裝置負荷的同時，不斷提升氫氣的回收和利用率。鑒于此， 本文將注重分析制氫裝置低負荷運行時操作方式方法，并進行質(zhì)量控制，旨在促進制氫裝置低負荷優(yōu)化。

關鍵詞：制氫裝置;低負荷;操作優(yōu)化

前言：制氫裝置低負荷運行過程中需要嚴格控制其水碳比例，盡量降低轉(zhuǎn)化反應的溫度，還要注重控制轉(zhuǎn)化爐爐膛的橫面溫度控制在30攝氏度，確保爐膛溫度適宜，并且合理利用變化的余熱避免出現(xiàn)設備溫度過高。否則，當制氫裝置低負荷運行，其操作方式和設計指標存在的差異較大時，往往會造成轉(zhuǎn)化爐內(nèi)的物料出現(xiàn)偏離的情況，嚴重影響爐管以及轉(zhuǎn)化催化劑的使用年限[1]。

一、制氫裝置工藝流程介紹

某煉化企業(yè)內(nèi)部制氫裝置設計生產(chǎn)的純度需要控制在99.9%以上的氫氣，而且所生產(chǎn)出的產(chǎn)品需要供煉油廠2.0MPa的氫氣管網(wǎng)，用于柴油加氫、加氫裂化、渣油加氫裝置的補充氫氣存在。造氣單元催化劑采用的是某發(fā)達國家生產(chǎn)的一種全系列的催化劑。工藝流程如圖1所示：

氫氣裝置的設計以天然氣加煉廠氣作為原材料，實際生產(chǎn)加工過程中若是僅采用含硫量較低的天然氣作為制氫原料，其中甲烷、氮氣摩爾分數(shù)分別為95.53%、0.47%。

二、制氫裝置低負荷運行操作優(yōu)化

首先是調(diào)整轉(zhuǎn)化反應的水碳比。由于水碳比作為轉(zhuǎn)化爐內(nèi)催化劑中十分敏感的工藝參數(shù)之一，已符合工藝控制指標要求為前提裝置，在正常生產(chǎn)復雜的過程中降低轉(zhuǎn)化反應的水碳比往往會對整體的節(jié)能降耗有著十分理想的效果。而在低負載生產(chǎn)的情況下，當原料氣的量相對較低時，會造成原料氣在每根轉(zhuǎn)化爐管內(nèi)分布不夠均勻出現(xiàn)偏流等情況，再加上原料主要是因為空速小流速低所造成的，無法處于平穩(wěn)的狀態(tài)，特別是在嚴重的情況下往往會導致轉(zhuǎn)化爐內(nèi)催化劑的表面積碳，從而導致催化劑出現(xiàn)活性。而轉(zhuǎn)化爐爐管的外壁局部溫度過高時，也會造成轉(zhuǎn)換管上出現(xiàn)斑點影響催化器使用壽命，因此在低負載的生產(chǎn)條件下，可以不斷的提高其水碳比來增加原料的總體流量，特別是在低負載狀態(tài)下使用更大的水碳比轉(zhuǎn)化率往往也需要較大的蒸汽量。而通過提高自產(chǎn)3.5mpa中壓過熱蒸汽來增加蒸汽用量是雖然往往會造成能源消耗的增加，但是卻可以有效提高其轉(zhuǎn)化率，從而使水碳比不匹配以及轉(zhuǎn)化爐原料氣不均勻，這些情況得到有效的緩解。

其次是調(diào)整火嘴。在處于低負荷的狀態(tài)下，由于原料氣流速相對較低，因此無需轉(zhuǎn)化反應溫度過高，但是僅通過點燃轉(zhuǎn)化爐的一部分火嘴來保持低溫時，往往會造成爐管局部過熱或是偏燒的狀態(tài)，甚至會造成管路加速蠕變以及強度的明顯降低，甚至會出現(xiàn)紅管彎曲等現(xiàn)象。因此，為了更好地滿足轉(zhuǎn)化反應所需要的溫度，可以將轉(zhuǎn)化爐中所有的火嘴點燃，減少進入火嘴的燃氣量，適當?shù)恼{(diào)低每個火嘴的火焰。這過程中要嚴格監(jiān)控轉(zhuǎn)化爐內(nèi)的溫度，并且及時控制爐內(nèi)出口以及管壁之間的溫度差。在正常生產(chǎn)操作的過程中也需要定期對于爐管加以測試確保每個爐管壁的溫度差小于三十攝氏度。一旦溫差過大時要及時調(diào)整溫度。確保爐內(nèi)溫度分布更加均勻。

再次是配氫量的優(yōu)化操作。為促使原料能夠有效的脫硫作物必要維持恰當?shù)那榫w對于原料的比例。確保以更加適當?shù)牧魉賹錃庾⑷氲皆瞎芫€中，維持理想的氫氣與原料的比率，將原壓機入口配清亮，以實際的原料天然氣量為依據(jù)。特別是在低負載生產(chǎn)情況下，若是想進一步增加前期含量，也可以在某種程度上避免原料氣再轉(zhuǎn)化爐內(nèi)分布不均勻所造成的偏流，因此可以及時吸收轉(zhuǎn)化爐管中存在的熱量，避免出現(xiàn)偏流的情況。

最后是操作優(yōu)化措施清晰，裝置中PSA所產(chǎn)生的解吸氣體在進入轉(zhuǎn)化爐，能夠為轉(zhuǎn)化爐提供更加豐富的燃料，而解吸的氣體中往往包括更加高濃度的氫氣，若是使用大量氫氣作為燃料時，產(chǎn)品中的氫氣回收率較明顯較低。再加上含量高的燃料氣體，在轉(zhuǎn)化爐內(nèi)燃燒時，一旦火焰溫度超過3000攝氏度時，火嘴調(diào)整不夠理想時，甚至會出現(xiàn)紅管。催化劑積碳就是長時間高溫火焰接觸爐管，甚至可能導致爐管溫度過高而造成破壞，因此在不同的生產(chǎn)負載條件下，保證產(chǎn)品的清純度至關重要，并且還要確定其在合理的控制范圍內(nèi)，并在這一過程中盡可能的提高操作參數(shù)，延長吸附的時間。

三、制氫裝置低負荷運行質(zhì)量控制

對于氫氣裝置而言，氫氣的質(zhì)量會直接影響甚至決定裝置的整體使用壽命和運行周期，因此，高質(zhì)量的氫氣來源于制氫裝置或氫平衡提純單元，如何在更好地保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時，提高氫氣的回收效率，需要從以下幾方面入手，首先要結(jié)合化驗分析成績，遵循因地制宜的原則，結(jié)合客觀情況，及時對吸附的時間加以調(diào)整和優(yōu)化，確保產(chǎn)品質(zhì)量的同時減少解吸氣中氫氣的含量，并提升氫氣的整體回收效率。其次，在檢修期間，需要適當?shù)膶τ诔炭亻y進行返場和維修，及時更換密封面中可能出現(xiàn)老化的零部件，減少不必要的故障和內(nèi)漏情況出現(xiàn)，最后當吸附塔程控閥內(nèi)出現(xiàn)泄漏，使需要及時切除該塔，減少因程控閥內(nèi)漏而造成的其他吸附塔中的吸附劑出現(xiàn)污染。

結(jié)論：總而言之，制氫裝置低負荷運行的過程中，很容易造成轉(zhuǎn)化爐管內(nèi)部的物料偏流，從而影響整體爐管和轉(zhuǎn)化劑的使用壽命，因此通過合理控制其水碳比，能夠保證內(nèi)部的每根爐管介質(zhì)分布均勻，在更好地滿足轉(zhuǎn)化率的基礎上，嚴格控制其出口溫度的分布，并逐步降低反應的苛刻度，能夠有效延長催化劑以及爐管的整體使用壽命。在今后施工和生產(chǎn)過程中，要適當?shù)奶岣咿D(zhuǎn)化的水碳比，并及時調(diào)節(jié)其反映的溫度，適當?shù)募哟笈錃淞康榷喾N措施，或是調(diào)整操作的系數(shù)，控制PSA解吸氣中的含氫氣含量，才能夠不斷提高產(chǎn)品氫氣的回收率促使轉(zhuǎn)化爐管或催化劑長期平穩(wěn)運行。

參考文獻

[1] 王輝， 常永勝. 干氣制氫裝置低負荷運行時的操作優(yōu)化. 中國化工學會， 2013（06）：187+191.

中國石油天然氣股份有限公司華北石化分公司