天然氣制氫裝置停工操作風(fēng)險(xiǎn)及有效措施

崔占磊

摘 要：制氫裝置停工過程是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，操作不當(dāng)容易造成催化劑結(jié)碳、中毒或粉碎，也容易造成設(shè)備損壞或使用壽命下降，甚至產(chǎn)生嚴(yán)重的安全環(huán)保事故，總結(jié)惠州石化歷次停工經(jīng)驗(yàn)，從保護(hù)催化劑、保護(hù)設(shè)備、消除安全風(fēng)險(xiǎn)等方面出發(fā)，系統(tǒng)分析停工過程中的操作風(fēng)險(xiǎn)和注意事項(xiàng)，并針對(duì)性地采取有效的控制措施，對(duì)于制氫裝置安全停工和長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，對(duì)于所有烴類蒸汽轉(zhuǎn)化制氫裝置停工操作具有一定的借鑒和參考意義。

關(guān)鍵詞：天然氣制氫；操作風(fēng)險(xiǎn)；有效措施

引言

         中海油惠州石化有限公司兩套 10 萬(wàn)標(biāo)立方米 / 小時(shí)天然氣制氫裝置，采用德國(guó)伍德公司的工藝技術(shù)，烴類蒸汽轉(zhuǎn)化法造氣、PSA 法提純氫氣的工藝路線，生產(chǎn)符合高壓加氫裂化裝置新氫要求的高純氫氣，同時(shí)副產(chǎn) 9.8 MPa 高壓過熱蒸汽。兩套制氫裝置于 2009 年 4 月一次投產(chǎn)成功，設(shè)計(jì)裝置操作彈性 60%～110%，其中 PSA 單元的操作彈性為 30%～110%；本裝置除總的公用工程系統(tǒng)配置外，由兩個(gè)獨(dú)立的系列構(gòu)成，每個(gè)系列由原料氣精制、轉(zhuǎn)化及余熱回收、變換及變換氣冷卻、鍋爐給水及蒸汽發(fā)生、變壓吸附氫提純等部分組成。

1 停工步驟簡(jiǎn)介

         在裝置十幾年運(yùn)行過程中經(jīng)歷了幾十次停開工，停工主要步驟包括：降溫降量、切除預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)器，裝置聯(lián)鎖停爐，切斷進(jìn)料和配氫，燃料氣系統(tǒng)隔離泄壓，轉(zhuǎn)化系統(tǒng)停止配汽和注水，轉(zhuǎn)化系統(tǒng)泄壓并氮?dú)庵脫Q，脫硫系統(tǒng)泄壓并氮?dú)庵脫Q，高壓汽包產(chǎn)汽控制，停運(yùn)機(jī)泵，PSA 操作等。停工過程中將會(huì)面臨很多操作風(fēng)險(xiǎn)，針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)如何采取有效的防范措施，對(duì)于保護(hù)裝 置的長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定至關(guān)重要^[1]。

2 催化劑的保護(hù)

         無(wú)論是生產(chǎn)過程中還是停工過程中，都必須保護(hù)催化劑避免結(jié)碳、中毒或泡水的風(fēng)險(xiǎn)，那么在停工過程中有毒介質(zhì)及液態(tài)水 (或蒸汽) 的有效隔離尤為重要^[2]。

         (1) 避免催化劑結(jié)碳。制氫轉(zhuǎn)化催化劑操作溫度約 800 ℃，若停工操作不當(dāng)，造成蒸汽中斷或過少等情況極易造成轉(zhuǎn)化催化劑結(jié)碳。避免結(jié)碳的措施包括：

         第一，設(shè)計(jì)上在裝置觸發(fā)停止進(jìn)料聯(lián)鎖后，強(qiáng)制保持最小配汽流量 15 min，避免烴類原料裂解結(jié)碳；

         第二，轉(zhuǎn)化系統(tǒng)停止配汽后需立即充入氮?dú)膺M(jìn)行置換。

         (2) 在停工過程中除了對(duì)裝置進(jìn)出界區(qū)的原料氣、產(chǎn)品氣、 燃料氣及配氫流程隔離以外，為保護(hù)催化劑避免中毒風(fēng)險(xiǎn)通常 采取以下兩項(xiàng)措施：首先，對(duì)脫硫系統(tǒng)去轉(zhuǎn)化系統(tǒng)流程進(jìn)行徹底隔離，如圖中的①處；其次，各系統(tǒng)泄壓及保壓過程中控制脫硫系統(tǒng)壓力始終低于轉(zhuǎn)化系統(tǒng)壓力。

         (3) 為保護(hù)催化劑避免水泡風(fēng)險(xiǎn)通常采取以下措施：

         第一，系統(tǒng)停工后務(wù)必確保在溫度降至露點(diǎn)溫度之前對(duì)預(yù)轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)化系統(tǒng)進(jìn)行徹底氮?dú)庵脫Q；

         第二，對(duì)轉(zhuǎn)化配汽流程進(jìn)行徹底隔離，如圖 1 中的②、⑥處；

         第三，對(duì)預(yù)轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)化入口預(yù)熱器前的噴水減溫器進(jìn)行徹底隔離，如圖 1 中的③、④處；

         第四，對(duì)余熱鍋爐溫度控制器的降溫蒸汽流程進(jìn)行徹底隔離，如圖 1 中的⑤處。注意：文中表述的徹底隔離標(biāo)識(shí)至少做到 三閥組隔離，即雙閥關(guān)閉、中間放空打開。

圖1 轉(zhuǎn)化系統(tǒng)隔離圖

3 設(shè)備的保護(hù)

         裝置停工過程中設(shè)備運(yùn)行參數(shù)均會(huì)發(fā)生較大變化，保護(hù)設(shè)備安全對(duì)于能否順利恢復(fù)生產(chǎn)具有重要意義^[3]。停工過程中針對(duì)設(shè)備的保護(hù)措施包括：

         (1) 制氫轉(zhuǎn)化爐及爐管的保護(hù)。制氫轉(zhuǎn)化爐操作溫度約 850～1 000 ℃，爐管壓力約 3.0 MPa，停工過程中轉(zhuǎn)化爐爐膛、爐管降溫過快，會(huì)大幅降低轉(zhuǎn)化爐管使用壽命并對(duì)催化劑造成損壞，因此每次停工過程嚴(yán)格控制降溫降量速度，即降量速度 ≤3 000 Nm3/h，降溫速度≤30 ℃ /h

         (2) 蒸汽發(fā)生設(shè)備的保護(hù)。本裝置包括高壓 (9.8 MPa) 蒸汽發(fā)生器和中壓 (3.8 MPa) 蒸汽發(fā)生器，停工過程中維持汽包較高液位，避免干燒。

         (3) 換熱設(shè)備的保護(hù)。制氫裝置停工過程中，隨轉(zhuǎn)化溫度的降低，冷換系統(tǒng)的介質(zhì)蒸汽含量大幅增加，冷換系統(tǒng)熱量會(huì)大幅增加。與此同時(shí)隨轉(zhuǎn)化溫度降低，高、中壓汽包產(chǎn)汽減少，上水量減少造成汽包上水換熱器冷介質(zhì)量降低，更進(jìn)一步增加了變換氣冷卻系統(tǒng)各換熱器的負(fù)擔(dān)。因此每次停工過程非常容易造成變換氣冷卻系統(tǒng)各換熱器溫度大幅波動(dòng)、除氧器壓力波動(dòng)、換熱器泄漏等現(xiàn)象。

         如圖 2 所示：停工過程中除氧器壓力、液位、上水溫度、上水量的波動(dòng)趨勢(shì)。

圖2 除氧器壓力、溫度、上水量趨勢(shì)圖

         從上圖可見，停工過程中各參數(shù)波動(dòng)較大，與其相關(guān)聯(lián)的換熱系統(tǒng)均會(huì)出現(xiàn)溫度大幅波動(dòng)，出現(xiàn)除氧器頂部噴水或換熱器泄漏等現(xiàn)象，為盡可能避免停工過程影響，采取了如下措施：

         (1) 降溫降量過程中，控制轉(zhuǎn)化進(jìn)料水碳比≤3.0(正常生產(chǎn)控制 2.7～2.9)，減少變換氣中過剩蒸汽量；

         (2) 提前打開高壓汽包排污閥和除氧器排水閥，增大汽包和除氧器上水量，增加各冷換設(shè)備冷流介質(zhì)流量；

         (3) 提前關(guān)閉除氧槽除氧蒸汽，打開除氧器頂部放空，降低除氧槽壓力，避免除氧器上水流量波動(dòng)造成換熱器溫度波動(dòng)。

4 其他風(fēng)險(xiǎn)控制

         (1) 降溫降量過程中若需關(guān)閉轉(zhuǎn)化爐燃燒器，需注意熄火順序及燃燒火嘴分布，保證爐膛溫度均勻分布，建議制作轉(zhuǎn)化爐熄滅火嘴順序表。

         (2) 降溫降量過程務(wù)必分多次進(jìn)行，每 3～5 min 調(diào)整一次，觀察爐膛和爐出口溫度下降趨勢(shì)。降溫過程為：降燃料→爐膛 降溫→轉(zhuǎn)化吸熱反應(yīng)趨弱→降溫遲滯→降大量燃料→爐膛繼續(xù)降溫；若降溫速度過快時(shí)，可通過稍提點(diǎn)燃料和稍加快降量速度來(lái)控制。

         (3) 隨爐膛溫度降低，需要持續(xù)關(guān)注加氫脫硫反應(yīng)器入口溫度，關(guān)注加氫脫硫效果，防止催化劑中毒，尤其在原料性質(zhì)發(fā)生變化時(shí)。通常應(yīng)保證 R101 床層 300 ℃以上 (天然氣進(jìn)料)， 降溫過程如果出現(xiàn) R101 床層溫度低于 300 ℃，應(yīng)及時(shí)加樣分析凈化原料氣組成。

         (4) 裝置停工過程中應(yīng)盡量避免壓力劇烈波動(dòng)，壓力劇烈波動(dòng)容易造成催化劑破碎，催化劑一旦發(fā)生破碎會(huì)引起轉(zhuǎn)化阻力升高和不均勻，進(jìn)而造成轉(zhuǎn)化爐爐管出現(xiàn)亮斑或紅管。

5 結(jié)語(yǔ)

         制氫裝置涉及的反應(yīng)過程較多，因此制氫裝置停工過程是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，本文針對(duì)停工過程中的一些操作風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，實(shí)際操作過程中須精心組織和精細(xì)認(rèn)真的操作，采取有效的風(fēng)險(xiǎn)防范措施才能把裝置安全平穩(wěn)的停下來(lái)。另外停工分為計(jì)劃停工和緊急停工，情況各不相同，需要我們根據(jù)具體情況對(duì)裝置進(jìn)行正確的處理。

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