制氫裝置低負荷運行時的操作優(yōu)化

李 凱（陜西延長石油（集團）有限責任公司永坪煉油廠聯(lián)合三車間，陜西延安 717208）

摘 要：介紹了永坪煉油廠聯(lián)合三車間20000m³/h干氣制氫裝置低負荷運行的生產(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。低負荷運行最突出的問題就是容易導致轉化爐管內(nèi)介質(zhì)分布不均勻，形成偏流。須采取降低加氫反應器空速和入口溫度，提高轉化爐水碳比，加大配氫量等措施，以增加轉化爐管內(nèi)介質(zhì)流量，帶走爐管內(nèi)過多的熱量。另外，還應有效控制變壓吸附（PSA）解吸氣中的氫氣含量，適時對中變氣進行切水操作，保持生產(chǎn)負荷提降量平穩(wěn)。

關鍵詞：干氣；制氫；蒸汽轉化；低負荷；操作優(yōu)化；加氫反應器；轉化爐；水碳比。

      永坪煉油廠聯(lián)合三車間2 萬標立/時制氫裝置于2014 年4 月11日開工，至12 月底累計產(chǎn)氫5317噸，產(chǎn)氫純度均在指標范圍（>99.91），PSA氫氣回收率90.31%，各項指標均滿足設計要求，裝置負荷為60%-70%且運行良好。而裝置于2015年8 月份受140萬噸/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荷生產(chǎn)狀態(tài)，長期在45%-57%的生產(chǎn)負荷下運行，當制氫裝置處于低負荷運行時，其操作方式、操作參數(shù)等與設計指標（滿負荷）存在一定的區(qū)別?，F(xiàn)結合裝置實際運行情況，通過對低負荷運行參數(shù)與設計指標進行比較分析，提出一些制氫裝置長周期低負荷運轉的優(yōu)化操作措施。

1、裝置簡介

     20000Nm3 /h制氫裝置，年操作時數(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 萬噸/年柴油加氫裝置和90萬噸/年汽油加氫裝置使用，同時副產(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，原料精制采用變溫反應加絕熱加氫工藝，變溫反應完成原料中絕大部分烯烴飽和，絕熱加氫進一步將剩余的烯烴轉化為烷烴，同時將原料中的有機硫轉化為無機硫。原料轉化采用蒸汽轉化法工藝，合成氣凈化工藝選用成熟的變壓吸附凈化法（PSA 凈化法）。

2 、裝置低負荷運行時的操作優(yōu)化

2.1 操作參數(shù)

      裝置于2014年4月11日開工，至12月底累計產(chǎn)氫5317噸，產(chǎn)氫純度均在指標范圍（>99.91），PSA 氫氣回收率90.31%，各項指標均滿足設計要求，裝置負荷為60%-70% 且運行良好。而裝置于2015年8月份受140萬噸/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荷生產(chǎn)狀態(tài)，長期在45%-57% 的生產(chǎn)負荷下運行，2016年制氫裝置運行負荷較低，面對這種工況裝置如何長周期運行，就必須采取各種優(yōu)化的操作手段，保證裝置低負荷運行時平穩(wěn)、安全。

2.2 加氫反應器操作優(yōu)化

      裝置低負荷運行時，控制好變溫反應器入口溫度 (230- 250℃ )、加氫反應器入口溫度（加氫反應器的入口溫度比設計指標低80-90℃）。原料烯烴含量每增加 1%（體積分數(shù)）時，可導致床層溫升達23℃。當原料中烯烴含量增加過多，導致床層溫升過大時，會損壞催化劑和反應器。因此應密切關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％ )，當烯烴含量增加時，需相應降低反應器入口溫度。反應器入口溫度的控制將影響催化劑及設備的使用壽命，在低負荷操作時：①時刻注意原料氣組成的變化，發(fā)現(xiàn)波動及時調(diào)整、反饋；②認真執(zhí)行反應器操作指標。

2.3 轉化爐操作優(yōu)化

2.3.1 轉化反應水碳比

      轉化反應水碳比是轉化爐內(nèi)轉化催化劑最敏感的工藝 參數(shù)。正常生產(chǎn)負荷下，在滿足工藝控制指標要求的條件下，盡可能的降低水碳比，對節(jié)能降耗有著非常顯著的作用。但在低負荷生產(chǎn)時，過低的處理量容易導致物料在每根轉化爐管內(nèi)的分布不均衡，產(chǎn)生偏流，同時物料的流速低，空速小，還會導致熱量不能及時帶出，嚴重時甚至會造成某些爐管內(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。因此在低負荷生產(chǎn)時，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，將熱量及時帶走，以有效延長爐管和催化劑的使用壽命。較高的水碳比雖然能耗增加，但提高了轉化率，避免了水碳比失調(diào)以及轉化爐脈沖進料等不利因素，可防止催化劑積炭。

2.3.2 轉化爐火嘴的操作

      低負荷生產(chǎn)時，由于空速低，因此只需較低的轉化反應溫度，這就有可能會導致爐管偏燒及爐管局部過熱，甚至有可能引起蠕變加速和持久強度的急劇下降而導致爐管彎曲、紅管等蠕變現(xiàn)象。因此通過降低進火嘴的燃料氣量，將每個火嘴的火焰調(diào)小，以滿足轉化所需溫度即可。同時，要密切監(jiān)控轉化爐管，嚴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)運行過程中，除儀表在線控制外，定期對爐管進行檢測，確保各個爐管管壁的溫差不大于30℃ -50℃。監(jiān)測到如果管壁溫差偏大，要及時調(diào)整火嘴的燃燒狀態(tài)，特別是要防止爐火撲管，消除爐管局部過熱，使管壁溫差回落到正常范圍內(nèi)，保證轉化爐爐管受熱均勻；②通過監(jiān)控爐管火焰燃燒情況，及時調(diào)整火嘴操作，使爐膛溫度分布均勻，保證各個轉化爐管出口的溫度也分布均勻。

2.3.3 轉化反應溫度

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

2.4 配氫量的優(yōu)化

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

2.5 PSA 的操作優(yōu)化

      PSA 產(chǎn)出的解吸氣進入轉化爐，與煉廠瓦斯氣共同為轉化爐提供燃料。解吸氣中含有相當高程度的氫氣，過多的氫氣被當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化爐內(nèi)燃燒時，其火焰前鋒溫度會超過3000℃，如果火嘴調(diào)節(jié)不當，出現(xiàn)火焰過大過長，產(chǎn)生偏燒、撲爐管現(xiàn)象，就有可能導致紅管、積炭的事故，如果出現(xiàn)高溫火焰長期接觸爐管的情況甚至會導致爐管超溫損壞。因此在不同生產(chǎn)負荷下，在保證產(chǎn)品氫純度和其中（CO+CO2）含量均在指標控制范圍的前提下，要盡量增大操作系數(shù)，使吸附時間盡可能延長，以有效降低解吸氣中氫氣含量，同時提高氫氣的回收率。

3、結束語

      對于制氫裝置而言，低負荷運行最突出的問題就是容易導致轉化爐管內(nèi)介質(zhì)分布不均勻，形成偏流，進而影響爐管及轉化催化劑的壽命。當生產(chǎn)負荷低時，須采取降低加氫反應器空速和入口溫度，提高轉化爐水碳比，加大配氫量等措施，以增加轉化爐管內(nèi)介質(zhì)流量，帶走爐管內(nèi)過多的熱量。另外，還應有效控制 PSA 解吸氣中的氫氣含量，適時對中變氣進行切水操作，盡可能保持生產(chǎn)負荷提降量

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

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