制氫裝置生產(chǎn)運(yùn)行技術(shù)分析

陳金丹，夏南，王國峰

（中國石油錦西石化分公司，遼寧葫蘆島 125001）

近年來由于原油質(zhì)量變差而對(duì)油品的質(zhì)量要求不斷升級(jí)，因此對(duì)氫氣的需求量日益增加，氫氣已成為煉油行業(yè)不可缺少的重要工業(yè)原料之一。根據(jù)全廠總流程的需要，中國石油錦西石化公司5萬m3/h制氫裝置負(fù)荷分別經(jīng)歷了52%、75%與101%的變化。在較低負(fù)荷下，裝置運(yùn)行狀況偏離設(shè)計(jì)工況較遠(yuǎn)，經(jīng)過及時(shí)調(diào)整操作參數(shù)，優(yōu)化轉(zhuǎn)化爐操作，保證了氫氣質(zhì)量，降低了裝置能耗，并適時(shí)解決了中變氣換熱系統(tǒng)空冷入口溫度高的問題。

1 裝置簡介

中國石油錦西石化公司5萬m3/h制氫裝置由中國石化洛陽石化工程公司設(shè)計(jì)，2014年投產(chǎn)，年運(yùn)行8 400 h。裝置采用輕烴與水蒸汽轉(zhuǎn)化和PSA凈化的制氫工藝，原料為天然氣，產(chǎn)品氫純度99.9%。裝置包括原料精制、水蒸汽轉(zhuǎn)化、變換反應(yīng)、PSA、余熱回收和公用工程等部分，工藝流程見圖1。

催化劑類型及物化性質(zhì)如表1所示。裝置共使用6個(gè)牌號(hào)的催化劑[1～3]：HP-3、JX-5A、JX-4C、Z417/Z418和KBL-101。HP-3為加氫催化劑、JX-5A為脫氯催化劑、JX-4C為脫硫劑、Z417/Z418為轉(zhuǎn)化催化劑、KBL-101為中變催化劑。KBL-101催化劑具有低溫活性好、機(jī)械強(qiáng)度高、堆密度低、本體硫含量低和在低汽氣比操作條件下副反應(yīng)少等顯著優(yōu)點(diǎn)，KBL-101是以氧化鐵為活性組分，氧化鉻等為結(jié)構(gòu)助劑，同時(shí)添加適量的特殊助劑。其中JX-5A和JX-4C使用壽命不低于1年，而HP-3、Z417/Z418和KBL-101使用壽命不低于3年。

圖1 制氫裝置工藝流程

2 裝置運(yùn)行分析

2.1 原料性質(zhì)

裝置原料為天然氣、加氫低分氣和加氫裂化低分氣，基本不含烯烴，硫和氯含量也很低，均小于設(shè)計(jì)值，詳見表2。

表1 制氫裝置催化劑的物化性質(zhì)

2.2 裝置生產(chǎn)運(yùn)行分析

2.2.1 加氫脫硫反應(yīng)器運(yùn)行分析

制氫原料中硫化物對(duì)后續(xù)單元的轉(zhuǎn)化催化劑和變換催化劑都有毒害作用，硫化物還能腐蝕設(shè)備和管道。原料中烯烴會(huì)造成轉(zhuǎn)化催化劑積碳，降低轉(zhuǎn)化催化劑活性。

加氫脫硫部分工藝流程如圖2所示，加氫低分氣經(jīng)低分氣壓縮機(jī)C104升壓后與天然氣混合。原料預(yù)熱后，先經(jīng)過加氫反應(yīng)器R101，再進(jìn)入脫硫反應(yīng)器R102A/B。

加氫脫硫反應(yīng)器操作參數(shù)見表3。由表3可以看出，負(fù)荷52%、75%與101%時(shí)加氫反應(yīng)器操作參數(shù)基本上控制在設(shè)計(jì)值內(nèi)。加氫反應(yīng)為放熱反應(yīng)，1%的烯烴加氫反應(yīng)可使加氫反應(yīng)器床層溫升增加20℃[4]，由于原料中基本不含烯烴，加氫反應(yīng)器床層沒有溫升。

2.2.2 轉(zhuǎn)化爐運(yùn)行分析

低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)最突出的問題就是轉(zhuǎn)化爐管內(nèi)介質(zhì)分布不均勻，容易形成偏流[5-6]，同時(shí)物料的流速低，空速小，導(dǎo)致熱量不能及時(shí)帶出，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成某些爐管內(nèi)催化劑表面結(jié)炭，催化劑失活，在高溫沖擊下甚至發(fā)生破碎，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。

表2 原料性質(zhì)

圖2 加氫精制工藝流程

表3 加氫脫硫反應(yīng)器操作參數(shù)

在低負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)，采用較高水碳比，提高物料總流量，以增加轉(zhuǎn)化爐管內(nèi)介質(zhì)流量，使物料在管內(nèi)分布更均勻，增大物料的流速和空速，將爐管內(nèi)過多的熱量及時(shí)帶走；由于空速較低，適當(dāng)降低轉(zhuǎn)化爐出口溫度，亦能保證轉(zhuǎn)化出口甲烷含量處于較低水平。

轉(zhuǎn)化爐操作參數(shù)見表4。由表4可以看出，負(fù)荷52%、75%與101%時(shí)轉(zhuǎn)化爐操作參數(shù)基本上控制在設(shè)計(jì)值內(nèi)。

2.2.3 中變反應(yīng)器和中變氣換熱系統(tǒng)運(yùn)行分析

該裝置采用一步法中溫變換，使中變氣CO含量降到3%以下，中變氣換熱流程見圖3。裝置低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，水碳比高于設(shè)計(jì)值，增加了中變氣換熱系統(tǒng)負(fù)荷，空冷器入口溫度均超過設(shè)計(jì)溫度30℃左右；裝置101%負(fù)荷時(shí)，水碳比接近設(shè)計(jì)值，空冷器入口溫度也超過設(shè)計(jì)溫度18℃左右，詳見表5。空冷器入口溫度長期超過設(shè)計(jì)溫度，容易發(fā)生空冷器入口不銹鋼管件應(yīng)力腐蝕開裂[7-9]。

表4 轉(zhuǎn)化爐操作參數(shù)

圖3 中變氣換熱流程

根據(jù)全廠低溫?zé)峄厥绽庙?xiàng)目改造，在原中變氣換熱流程基礎(chǔ)上進(jìn)行如下改造[10-12]：E105與V102之間設(shè)計(jì)增設(shè)1臺(tái)熱水換熱器，產(chǎn)出95℃熱水，不僅解決中變氣換熱流程后路熱量偏高的問題，還為低溫?zé)嵯到y(tǒng)提供40 t左右熱水。

2.2.4 PSA系統(tǒng)運(yùn)行分析

該裝置PSA采用10-2-4流程，即有10座吸附塔，2座處于吸附狀態(tài)，4座均壓步驟。其吸附和再生工藝過程包括吸附、連續(xù)四次均壓降壓、順放、逆放、沖洗、連續(xù)四次均壓升壓和產(chǎn)品最終升壓等步驟。PSA系統(tǒng)操作參數(shù)見表6，由表6可以看出，產(chǎn)品氫的純度為99.9%，CO＋CO2含量小于20 mg/m3。解吸氣中氫氣含量與裝置負(fù)荷成反比，影響氫氣回收率。PSA產(chǎn)出的解吸氣與系統(tǒng)瓦斯共同為轉(zhuǎn)化爐提供燃料。解吸氣中含有一定濃度的氫氣，過多的氫氣被當(dāng)作燃料使用不利于節(jié)能降耗。在不同生產(chǎn)負(fù)荷下，在保證產(chǎn)品氫純度和CO與CO2含量均在指標(biāo)控制范圍的前提下，盡量增大操作系數(shù)，使吸附時(shí)間盡可能延長，以有效降低解吸氣中氫氣含量，同時(shí)提高氫氣回收率。

表5 中變反應(yīng)器和中變氣換熱系統(tǒng)操作參數(shù)

2.2.5 能耗分析

不同負(fù)荷時(shí)制氫裝置能耗見表7。由表7可以看出，52%負(fù)荷與75%負(fù)荷時(shí)總能耗均高于設(shè)計(jì)值1 120.1 kgEO/t，101%負(fù)荷時(shí)總能耗低于設(shè)計(jì)值，燃料氣單耗是制氫裝置總能耗的主要影響因素。裝置低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)能耗較高的主要原因有：1）低負(fù)荷時(shí)采用較高水碳比，蒸汽能耗高于設(shè)計(jì)值；2）低負(fù)荷時(shí)解吸氣量較少，為了保證轉(zhuǎn)化出口甲烷含量合格，需要增加系統(tǒng)瓦斯用量提高轉(zhuǎn)化出口溫度；3）裝置用電設(shè)備均無變頻等節(jié)電措施，電單耗與裝置負(fù)荷成反比。

表6 PSA系統(tǒng)操作參數(shù)

表7 不同負(fù)荷時(shí)制氫裝置能耗 kgEO/t

3 結(jié)論

中國石油錦西石化公司5萬m3/h制氫裝置負(fù)荷52%、75%與101%時(shí)操作參數(shù)與設(shè)計(jì)值對(duì)比，101%負(fù)荷時(shí)能耗比設(shè)計(jì)值降低87.62個(gè)單位，52%負(fù)荷與75%負(fù)荷時(shí)總能耗比設(shè)計(jì)值依次增加314.96、117.09個(gè)單位。裝置低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，通過提高水碳比，使物料在管內(nèi)分布更均勻，避免爐管發(fā)生紅管、花斑現(xiàn)象。由于較低的空速，適當(dāng)降低轉(zhuǎn)化爐出口溫度，亦能保證轉(zhuǎn)化出口甲烷含量處于較低水平，降低裝置能耗。