天然氣制氫裝置低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的操作優(yōu)化

黃熙

摘 要：本文介紹了某石化責(zé)任有限公司4000m3/h天然氣制氫裝置低負(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)行期間最主要的問(wèn)題是轉(zhuǎn)化爐管內(nèi)原料氣分布不均，引起偏流。應(yīng)采取提高水碳比并提高返氫配氫量等措施，以達(dá)到轉(zhuǎn)化爐管內(nèi)原料氣流量提升的目標(biāo)，從而將轉(zhuǎn)化爐爐管內(nèi)多余的熱量降低。同時(shí)，還要通過(guò)控制變壓吸附（PSA）解吸氣中的氫氣含量，保持生產(chǎn)負(fù)荷提降量平穩(wěn)。

關(guān)鍵詞：天然氣;制氫;蒸汽轉(zhuǎn)化;低負(fù)荷;操作優(yōu)化;轉(zhuǎn)化爐;水碳比

0 引言

隨著裝置產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整，外供氫氣量逐步增加，導(dǎo)致天然氣制氫裝置燃料消耗量呈逐年上升趨勢(shì)，裝置生產(chǎn)成本增加，一定程度上影響了裝置整體競(jìng)爭(zhēng)力。系統(tǒng)分析裝置各燃料氣用戶，針對(duì)性地提出了優(yōu)化控制措施，徹底解決了裝置燃料消耗高的問(wèn)題，提高了裝置經(jīng)濟(jì)性，提升了產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

1 裝置簡(jiǎn)介

某石化公司天然氣制氫裝置，本裝置設(shè)計(jì)造氣部分產(chǎn)氫為產(chǎn)純氫4000Nm3/h，操作彈性50～120%;PSA單元產(chǎn)氫8000Nm3/h，操作彈性30～110%。年運(yùn)行時(shí)間8760h。本裝置以天然氣為原料，采用烴類水蒸汽轉(zhuǎn)化法造氣、

PSA法提純氫氣的工藝路線，分為原料氣加氫、原料氣脫毒、原料氣蒸汽轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)化氣的中溫變換及PSA氫氣提純五部分。PSA單元以中變氣和乙苯--苯乙烯裝置脫氫尾氣為原料，解吸氣做為轉(zhuǎn)化爐燃料。

2 裝置在低負(fù)載運(yùn)行時(shí)的操作優(yōu)化

2.1 調(diào)整轉(zhuǎn)化反應(yīng)的水碳比

水碳比是轉(zhuǎn)化爐內(nèi)催化劑最敏感的工藝參數(shù)。以符合工藝控制指標(biāo)要求為前提，裝置在正常生產(chǎn)負(fù)載時(shí)，降低轉(zhuǎn)化反應(yīng)的水碳比會(huì)對(duì)整體的節(jié)能降耗有顯著的效果。而在低負(fù)載生產(chǎn)狀況下，因?yàn)樵蠚獾牧窟^(guò)低，會(huì)使得原料氣在每根轉(zhuǎn)化爐管內(nèi)的分布不均勻，從而產(chǎn)生偏流，而且原料氣因?yàn)榭账傩。魉俚?，還將造成轉(zhuǎn)化爐中的熱量不能平穩(wěn)地帶走，在嚴(yán)重的情況下，可能還會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)化爐管中催化劑的表面積炭，從而導(dǎo)致催化劑失去活性，轉(zhuǎn)化爐爐管外壁的局部溫度過(guò)高，可能會(huì)在轉(zhuǎn)換管上造成斑點(diǎn)，從而影響催化劑及爐管的使用壽。因此，在低負(fù)載生產(chǎn)條件下，可以提高水碳比來(lái)增加原料氣的總流量，從而使原料氣更均勻地分布在爐管中，進(jìn)而增加原料氣的流量和空速，有利于及時(shí)除熱。由此，可以有效地延長(zhǎng)催化劑和爐管的使用壽命。滿負(fù)載時(shí)水碳比的設(shè)計(jì)指數(shù)為3.50。當(dāng)負(fù)載低時(shí)，水碳比可以相應(yīng)地增加。在40%的負(fù)載下，水碳比可以控制在4.50左右，從而可以有效地保護(hù)催化劑。在低負(fù)載狀態(tài)下，使用大的水碳比，轉(zhuǎn)化爐需要很大的蒸汽量，此時(shí)可以通過(guò)提高自產(chǎn)3.5MPa中壓過(guò)熱蒸汽，來(lái)增加蒸汽用量。這可能會(huì)導(dǎo)致能源消耗增加，但是可以提高轉(zhuǎn)化效率，從而使因水碳比不匹配以及轉(zhuǎn)化爐原料氣不均勻的情況得到有效的避免，防止催化劑積炭。

2.2 轉(zhuǎn)化爐優(yōu)化

轉(zhuǎn)化爐是整個(gè)天然氣制氫裝置的核心部位，調(diào)整好轉(zhuǎn)化爐的運(yùn)行狀態(tài)關(guān)系到整個(gè)制氫裝置的節(jié)能降耗和安全平穩(wěn)的長(zhǎng)期生產(chǎn)。目前轉(zhuǎn)化爐爐運(yùn)行良好，裝置轉(zhuǎn)化爐運(yùn)行效率與加熱爐負(fù)荷有關(guān)，負(fù)荷越高，爐膛氧含量和排煙溫度更容易控制在較低數(shù)值。

目前存在問(wèn)題：

①燃料氣氫氣組份含量（50%）高造成轉(zhuǎn)化爐火焰過(guò)長(zhǎng)，使得平時(shí)對(duì)于火焰燃燒狀態(tài)不易控制，經(jīng)常需要調(diào)節(jié)才能保證火焰垂直燃燒;

②目前制氫裝置負(fù)荷有時(shí)變化比較大，不能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定在一個(gè)固定的處理量，這樣會(huì)造成轉(zhuǎn)化爐負(fù)荷會(huì)隨之波動(dòng)，對(duì)于穩(wěn)定操作增加了很大難度;

③由于脫氫尾氣帶液非常嚴(yán)重，對(duì)PSA吸附劑等造成很不好的影響。

由于目前燃料氣組成中有50%左右的氫氣，使得燃料氣熱值偏低如果要提高轉(zhuǎn)化爐出口溫度就會(huì)需要較大燃料氣量，燃料氣用量大使得火焰很長(zhǎng)極易造成火焰軟弱無(wú)力出現(xiàn)火焰撲爐管現(xiàn)象。

解決辦法：平時(shí)提降量幅度要小要慢，對(duì)于火焰要勤調(diào)節(jié)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題立即現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整火焰燃燒狀態(tài);制氫轉(zhuǎn)化爐控制好爐膛氧含量（3-7%），控制排煙溫度不高于150℃，提高加熱爐效率;優(yōu)化操作，使熱量盡最大化利用;轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器盡可能多產(chǎn)蒸汽外送降低裝置能耗;盡可能多的引進(jìn)三部脫氫尾氣，PSA解析氣不排火炬，全部并入轉(zhuǎn)化爐充當(dāng)燃料，調(diào)節(jié)好轉(zhuǎn)化爐同時(shí)使用兩種燃料的燃燒狀況，提高轉(zhuǎn)化爐效率;針對(duì)脫氫尾氣帶液嚴(yán)重的問(wèn)題，要求外操人員加強(qiáng)對(duì)PSA入口分液罐、預(yù)處理器、1號(hào)線低點(diǎn)脫液，內(nèi)操緊盯產(chǎn)品氫質(zhì)量，盡量降低PSA的吸附時(shí)間，加輕吸附劑的解吸，為防止PSA脫氫尾氣帶液嚴(yán)重的問(wèn)題導(dǎo)致催化劑受損從而影響裝置長(zhǎng)期平穩(wěn)生產(chǎn)，應(yīng)該在三部脫氫尾氣管線上增加一個(gè)脫液罐來(lái)避免帶液嚴(yán)重的問(wèn)題。

2.3 轉(zhuǎn)化反應(yīng)溫度

轉(zhuǎn)化反應(yīng)溫度也是烴類蒸汽轉(zhuǎn)化制氫的一個(gè)重要影響因素。轉(zhuǎn)化反應(yīng)是強(qiáng)吸熱反應(yīng)，升高反應(yīng)溫度有利于轉(zhuǎn)化率的提高，降低轉(zhuǎn)化氣中殘余甲烷含量。但反應(yīng)溫度高會(huì)縮短轉(zhuǎn)化爐爐管的使用壽命，還會(huì)加速轉(zhuǎn)化催化劑失活，因此生產(chǎn)中在滿足轉(zhuǎn)化氣質(zhì)量要求（殘余甲烷體積分?jǐn)?shù)3.5%～4.5%）的前提下，盡量采用較低的轉(zhuǎn)化反應(yīng)溫度?？刂戚^低轉(zhuǎn)化反應(yīng)溫度的關(guān)鍵在于調(diào)整火嘴，使?fàn)t膛溫度及爐出口溫度均勻分布。制氫裝置轉(zhuǎn)化爐爐膛內(nèi)20支火嘴呈2排、每排10支分布。正常生產(chǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)化爐燃料采用管網(wǎng)高壓瓦斯和PSA系統(tǒng)副產(chǎn)的低壓解吸氣。因?yàn)榻馕鼩馐躊SA程序特性的影響，其壓力及組成均隨吸附時(shí)間t1，t2（分別為PSA運(yùn)行時(shí)的奇數(shù)與偶數(shù)步序）的交替呈現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)，所以導(dǎo)致轉(zhuǎn)化爐溫度難以控制。針對(duì)該裝置轉(zhuǎn)化爐火嘴多、分布分散、燃料氣組分復(fù)雜的情況，日常操作中通過(guò)優(yōu)化PSA操作，將解吸氣壓力控制指標(biāo)由0.01～0.03MPa減小至0.01～0.02MPa，同時(shí)將高壓瓦斯壓力控制指標(biāo)由0.12～0.15MPa減小至0.10～0.12MPa，從而達(dá)到火嘴全部投用。另外，對(duì)轉(zhuǎn)化爐爐膛橫面溫差和出口支路溫差進(jìn)行嚴(yán)格管控，將前者的控制指標(biāo)由不高于50℃減小至不高于30℃，后者的控制指標(biāo)由不高于20℃減小至不高于10℃，保證轉(zhuǎn)化爐內(nèi)溫度的均勻分布，盡量降低轉(zhuǎn)化反應(yīng)溫度。

2.4 配氫量的優(yōu)化操作

為使原料進(jìn)行有效的脫硫，有必要維持合適的氫氣對(duì)原料的比率。開(kāi)車時(shí)氫氣來(lái)自于界區(qū)外，正常生產(chǎn)則采用本裝置產(chǎn)品氫，以適當(dāng)?shù)牧魉賹錃庾⑷朐瞎芫€，維持理想的氫氣與原料的比率，原壓機(jī)出口配氫量以實(shí)際原料天然氣量為依據(jù)，為原料天然氣量的2%～5%。在低負(fù)載生產(chǎn)的情況下，如果增加氫氣的量，則可以在一定程度上避免由于原料氣在轉(zhuǎn)化爐管中分布不均而引起的偏流，并且可以及時(shí)吸收轉(zhuǎn)化爐管中的熱量。因此，為了確保轉(zhuǎn)化爐管中不偏流，在低負(fù)載條件下應(yīng)采取增加氫分布的措施。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于這套制氫設(shè)備，在低負(fù)載狀態(tài)下最突出的問(wèn)題是轉(zhuǎn)化爐管中的介質(zhì)分布不均勻，并且形成了偏流，這將影響轉(zhuǎn)化爐管和轉(zhuǎn)化催化劑的壽命。在負(fù)載低運(yùn)行時(shí)，應(yīng)采取提高轉(zhuǎn)化水碳比，調(diào)整轉(zhuǎn)化反應(yīng)溫度、火嘴，并加大配氫量等措施，可以提高轉(zhuǎn)化爐管內(nèi)物質(zhì)流量以從爐管中去除多余的熱量。另外，還應(yīng)通過(guò)調(diào)整操作系數(shù)，控制PSA解吸氣中的氫氣含量，提高產(chǎn)品氫氣的采收率。盡管這些措施可能會(huì)增加能源消耗，但它們可以充分保證轉(zhuǎn)化爐管和催化劑的長(zhǎng)期平穩(wěn)運(yùn)行，生產(chǎn)的負(fù)載波動(dòng)也會(huì)隨之減小。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭利昌.干氣制氫工藝的優(yōu)化[D].天津：天津大學(xué)，2005.

[2]王輝，常永勝.干氣制氫裝置低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的操作優(yōu)化[J].石化技術(shù)與應(yīng)用，2012，30（2）：156-159.