制氫裝置低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的操作優(yōu)化

李 凱（陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司永坪煉油廠聯(lián)合三車(chē)間，陜西延安 717208）

摘 要：介紹了永坪煉油廠聯(lián)合三車(chē)間20000m³/h干氣制氫裝置低負(fù)荷運(yùn)行的生產(chǎn)情況，并從操作參數(shù)、操作方式等方面提出了一些優(yōu)化措施。低負(fù)荷運(yùn)行最突出的問(wèn)題就是容易導(dǎo)致轉(zhuǎn)化爐管內(nèi)介質(zhì)分布不均勻，形成偏流。須采取降低加氫反應(yīng)器空速和入口溫度，提高轉(zhuǎn)化爐水碳比，加大配氫量等措施，以增加轉(zhuǎn)化爐管內(nèi)介質(zhì)流量，帶走爐管內(nèi)過(guò)多的熱量。另外，還應(yīng)有效控制變壓吸附（PSA）解吸氣中的氫氣含量，適時(shí)對(duì)中變氣進(jìn)行切水操作，保持生產(chǎn)負(fù)荷提降量平穩(wěn)。

關(guān)鍵詞：干氣；制氫；蒸汽轉(zhuǎn)化；低負(fù)荷；操作優(yōu)化；加氫反應(yīng)器；轉(zhuǎn)化爐；水碳比。

      永坪煉油廠聯(lián)合三車(chē)間2 萬(wàn)標(biāo)立/時(shí)制氫裝置于2014 年4 月11日開(kāi)工，至12 月底累計(jì)產(chǎn)氫5317噸，產(chǎn)氫純度均在指標(biāo)范圍（>99.91），PSA氫氣回收率90.31%，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，裝置負(fù)荷為60%-70%且運(yùn)行良好。而裝置于2015年8 月份受140萬(wàn)噸/年柴油加氫裝置加工量降低影響，產(chǎn)氫量降低且2016年裝置一直處于低負(fù)荷生產(chǎn)狀態(tài)，長(zhǎng)期在45%-57%的生產(chǎn)負(fù)荷下運(yùn)行，當(dāng)制氫裝置處于低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，其操作方式、操作參數(shù)等與設(shè)計(jì)指標(biāo)（滿負(fù)荷）存在一定的區(qū)別。現(xiàn)結(jié)合裝置實(shí)際運(yùn)行情況，通過(guò)對(duì)低負(fù)荷運(yùn)行參數(shù)與設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行比較分析，提出一些制氫裝置長(zhǎng)周期低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的優(yōu)化操作措施。

1、裝置簡(jiǎn)介

     20000Nm3 /h制氫裝置，年操作時(shí)數(shù)8000h，操作彈性為50-100%，氫氣回收率90%，氫純度99.9mol%。產(chǎn)品工業(yè)氫氣供140 萬(wàn)噸/年柴油加氫裝置和90萬(wàn)噸/年汽油加氫裝置使用，同時(shí)副產(chǎn)中壓蒸汽送至系統(tǒng)管網(wǎng)。制氫裝置以催化干氣為主原料，加氫干氣為輔原料，石腦油為備用原料，根據(jù)原料中烯烴含量大的特點(diǎn)，原料精制采用變溫反應(yīng)加絕熱加氫工藝，變溫反應(yīng)完成原料中絕大部分烯烴飽和，絕熱加氫進(jìn)一步將剩余的烯烴轉(zhuǎn)化為烷烴，同時(shí)將原料中的有機(jī)硫轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)硫。原料轉(zhuǎn)化采用蒸汽轉(zhuǎn)化法工藝，合成氣凈化工藝選用成熟的變壓吸附凈化法（PSA 凈化法）。

2 、裝置低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的操作優(yōu)化

2.1 操作參數(shù)

      裝置于2014年4月11日開(kāi)工，至12月底累計(jì)產(chǎn)氫5317噸，產(chǎn)氫純度均在指標(biāo)范圍（>99.91），PSA 氫氣回收率90.31%，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，裝置負(fù)荷為60%-70% 且運(yùn)行良好。而裝置于2015年8月份受140萬(wàn)噸/年柴油加氫裝置加工量降低影響，產(chǎn)氫量降低且2016年裝置一直處于低負(fù)荷生產(chǎn)狀態(tài)，長(zhǎng)期在45%-57% 的生產(chǎn)負(fù)荷下運(yùn)行，2016年制氫裝置運(yùn)行負(fù)荷較低，面對(duì)這種工況裝置如何長(zhǎng)周期運(yùn)行，就必須采取各種優(yōu)化的操作手段，保證裝置低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)平穩(wěn)、安全。

2.2 加氫反應(yīng)器操作優(yōu)化

      裝置低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，控制好變溫反應(yīng)器入口溫度 (230- 250℃ )、加氫反應(yīng)器入口溫度（加氫反應(yīng)器的入口溫度比設(shè)計(jì)指標(biāo)低80-90℃）。原料烯烴含量每增加 1%（體積分?jǐn)?shù)）時(shí)，可導(dǎo)致床層溫升達(dá)23℃。當(dāng)原料中烯烴含量增加過(guò)多，導(dǎo)致床層溫升過(guò)大時(shí)，會(huì)損壞催化劑和反應(yīng)器。因此應(yīng)密切關(guān)注原料組分特別是其中烯烴含量的變化情況( 永坪煉油廠催化干氣烯烴含量為8-20％ )，當(dāng)烯烴含量增加時(shí)，需相應(yīng)降低反應(yīng)器入口溫度。反應(yīng)器入口溫度的控制將影響催化劑及設(shè)備的使用壽命，在低負(fù)荷操作時(shí)：①時(shí)刻注意原料氣組成的變化，發(fā)現(xiàn)波動(dòng)及時(shí)調(diào)整、反饋；②認(rèn)真執(zhí)行反應(yīng)器操作指標(biāo)。

2.3 轉(zhuǎn)化爐操作優(yōu)化

2.3.1 轉(zhuǎn)化反應(yīng)水碳比

      轉(zhuǎn)化反應(yīng)水碳比是轉(zhuǎn)化爐內(nèi)轉(zhuǎn)化催化劑最敏感的工藝 參數(shù)。正常生產(chǎn)負(fù)荷下，在滿足工藝控制指標(biāo)要求的條件下，盡可能的降低水碳比，對(duì)節(jié)能降耗有著非常顯著的作用。但在低負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)，過(guò)低的處理量容易導(dǎo)致物料在每根轉(zhuǎn)化爐管內(nèi)的分布不均衡，產(chǎn)生偏流，同時(shí)物料的流速低，空速小，還會(huì)導(dǎo)致熱量不能及時(shí)帶出，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐赡承t管內(nèi)催化劑表面積炭，催化劑失活，爐管外壁局部溫度偏高，造成爐管發(fā)生紅管、花斑現(xiàn)象，影響催化劑和爐管的使用壽命。因此在低負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)，要采用較高的水碳比，提高物料總流量，使物料在爐管內(nèi)分布更均勻，增大物料的流速和空速，將熱量及時(shí)帶走，以有效延長(zhǎng)爐管和催化劑的使用壽命。較高的水碳比雖然能耗增加，但提高了轉(zhuǎn)化率，避免了水碳比失調(diào)以及轉(zhuǎn)化爐脈沖進(jìn)料等不利因素，可防止催化劑積炭。

2.3.2 轉(zhuǎn)化爐火嘴的操作

      低負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)，由于空速低，因此只需較低的轉(zhuǎn)化反應(yīng)溫度，這就有可能會(huì)導(dǎo)致?tīng)t管偏燒及爐管局部過(guò)熱，甚至有可能引起蠕變加速和持久強(qiáng)度的急劇下降而導(dǎo)致?tīng)t管彎曲、紅管等蠕變現(xiàn)象。因此通過(guò)降低進(jìn)火嘴的燃料氣量，將每個(gè)火嘴的火焰調(diào)小，以滿足轉(zhuǎn)化所需溫度即可。同時(shí)，要密切監(jiān)控轉(zhuǎn)化爐管，嚴(yán)格控制爐管管壁溫差和爐管出口溫差。所以操作中：①在生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，除儀表在線控制外，定期對(duì)爐管進(jìn)行檢測(cè)，確保各個(gè)爐管管壁的溫差不大于30℃ -50℃。監(jiān)測(cè)到如果管壁溫差偏大，要及時(shí)調(diào)整火嘴的燃燒狀態(tài)，特別是要防止?fàn)t火撲管，消除爐管局部過(guò)熱，使管壁溫差回落到正常范圍內(nèi)，保證轉(zhuǎn)化爐爐管受熱均勻；②通過(guò)監(jiān)控爐管火焰燃燒情況，及時(shí)調(diào)整火嘴操作，使?fàn)t膛溫度分布均勻，保證各個(gè)轉(zhuǎn)化爐管出口的溫度也分布均勻。

2.3.3 轉(zhuǎn)化反應(yīng)溫度

      提高轉(zhuǎn)化反應(yīng)溫度，可以降低轉(zhuǎn)化氣中殘余甲烷的含量。常規(guī)制氫轉(zhuǎn)化反應(yīng)溫度約為750℃，采用 PSA 提純的制氫裝置，為了抵消壓力提高對(duì)轉(zhuǎn)化反應(yīng)的不利影響，轉(zhuǎn)化反應(yīng)溫度可以提高至820℃。實(shí)際上，轉(zhuǎn)化反應(yīng)溫度與空速、水碳比是互相關(guān)聯(lián)的。在轉(zhuǎn)化氣殘余甲烷含量符合工藝要求的前提下，可根據(jù)具體的情況進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，尤其在低負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)，由于空速低，又采用了較大的水碳比，轉(zhuǎn)化反應(yīng)溫度低于750℃時(shí)，同樣也能保證轉(zhuǎn)化氣中殘余甲烷含量低于控制指標(biāo)。

2.4 配氫量的優(yōu)化

      裝置滿負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)，完全可以停止循環(huán)配氫，僅用原料自帶氫氣即可。但在低負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)，則需要加大配氫量，這樣能在一定程度上避免物料在轉(zhuǎn)化爐管內(nèi)因分布不均而造成的偏流，避免轉(zhuǎn)化爐管內(nèi)的熱量不能被及時(shí)帶走的問(wèn)題。為保證轉(zhuǎn)化爐不偏流，裝置低負(fù)荷時(shí)采用全量循環(huán)配氫的措施。

2.5 PSA 的操作優(yōu)化

      PSA 產(chǎn)出的解吸氣進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐，與煉廠瓦斯氣共同為轉(zhuǎn)化爐提供燃料。解吸氣中含有相當(dāng)高程度的氫氣，過(guò)多的氫氣被當(dāng)作燃料使用顯然不利于節(jié)能降耗，而且高含氫的燃料氣在轉(zhuǎn)化爐內(nèi)燃燒時(shí)，其火焰前鋒溫度會(huì)超過(guò)3000℃，如果火嘴調(diào)節(jié)不當(dāng)，出現(xiàn)火焰過(guò)大過(guò)長(zhǎng)，產(chǎn)生偏燒、撲爐管現(xiàn)象，就有可能導(dǎo)致紅管、積炭的事故，如果出現(xiàn)高溫火焰長(zhǎng)期接觸爐管的情況甚至?xí)?dǎo)致?tīng)t管超溫?fù)p壞。因此在不同生產(chǎn)負(fù)荷下，在保證產(chǎn)品氫純度和其中（CO+CO2）含量均在指標(biāo)控制范圍的前提下，要盡量增大操作系數(shù)，使吸附時(shí)間盡可能延長(zhǎng)，以有效降低解吸氣中氫氣含量，同時(shí)提高氫氣的回收率。

3、結(jié)束語(yǔ)

      對(duì)于制氫裝置而言，低負(fù)荷運(yùn)行最突出的問(wèn)題就是容易導(dǎo)致轉(zhuǎn)化爐管內(nèi)介質(zhì)分布不均勻，形成偏流，進(jìn)而影響爐管及轉(zhuǎn)化催化劑的壽命。當(dāng)生產(chǎn)負(fù)荷低時(shí)，須采取降低加氫反應(yīng)器空速和入口溫度，提高轉(zhuǎn)化爐水碳比，加大配氫量等措施，以增加轉(zhuǎn)化爐管內(nèi)介質(zhì)流量，帶走爐管內(nèi)過(guò)多的熱量。另外，還應(yīng)有效控制 PSA 解吸氣中的氫氣含量，適時(shí)對(duì)中變氣進(jìn)行切水操作，盡可能保持生產(chǎn)負(fù)荷提降量

      平穩(wěn)等。這些措施雖然會(huì)增大裝置的能耗，但卻能充分保證轉(zhuǎn)化爐管和催化劑的穩(wěn)定運(yùn)行。

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