制氫裝置長期低負(fù)荷生產(chǎn)操作要點及運行優(yōu)化

錢長煒 李鵬 李衛(wèi)春

（中國石油大港石化公司，天津300280）

氫氣已成為石油化工業(yè)中不可缺少的重要原料之一?？煽康母呒兌葰錃夤?yīng)，有助于把原料轉(zhuǎn)化為低硫的汽油、柴油、航煤及聚烯烴等產(chǎn)品。由于本公司新建連續(xù)重整裝置投用后，副產(chǎn)品氫氣經(jīng)凈化后供應(yīng)氫氣管網(wǎng)，以及下游用氫裝置用氫量有限等因素，制氫裝置長期處于60%左右負(fù)荷運行，低負(fù)荷運行對裝置關(guān)鍵運行參數(shù)及能耗影響較大。

1 裝置簡介

某石化公司制氫裝置，由中石化洛陽石化工程公司設(shè)計，中油六建公司承建。于2008 年8 月一次開車成功。裝置規(guī)模為4×104Nm3·h-1，操作彈性60%～120%，年運行時間8400 小時。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、脫硫干氣等，產(chǎn)品純度99.9%。本裝置由原料增壓、預(yù)熱、加氫脫硫、水蒸氣轉(zhuǎn)化、變換反應(yīng)和PSA凈化組成。

2 裝置運行現(xiàn)狀分析及對策

2.1低負(fù)荷運行下主要操作參數(shù)調(diào)整

裝置低負(fù)荷運行對轉(zhuǎn)化爐爐管、PSA等設(shè)備影響較大。轉(zhuǎn)化爐爐管數(shù)量達(dá)176根之多，低負(fù)荷運行時最突出的問題就是管內(nèi)物料分布不均，易產(chǎn)生偏流。如物料產(chǎn)生偏流會造成爐管局部受熱不均，嚴(yán)重時會出現(xiàn)紅管、花斑現(xiàn)象。還會導(dǎo)致催化劑表面結(jié)碳、燒結(jié)破碎，嚴(yán)重影響爐管及催化劑壽命。因此，對相關(guān)操作參數(shù)進(jìn)行調(diào)整對保護(hù)爐管和催化劑有重要意義。

為保護(hù)爐管及催化劑，必須調(diào)整水碳比，增大轉(zhuǎn)化爐蒸汽配入量，保證物料在爐管中均勻分布。自裝置低負(fù)荷生產(chǎn)以來，水碳比調(diào)整至3.5~4.5之間，遠(yuǎn)高于設(shè)計值3.2。

2.2 低負(fù)荷運行下PSA優(yōu)化調(diào)整

PSA作為制氫裝置的重要組成部分，它的運行狀態(tài)直接影響氫氣的質(zhì)量和收率。PSA由10座吸附塔、2臺順放氣罐、1臺解吸氣緩沖罐、1臺解吸氣混合罐等構(gòu)成。運行程序為“10-2-4”模式，即10 臺吸附塔中始終有2 臺處于吸附狀態(tài)，再生時經(jīng)過4次均壓以提高氫氣回收率。PSA的運行由編寫好的程序自動進(jìn)行，程序運行步驟如表2。PSA運行過程中，吸附時間是最主要參數(shù)，其設(shè)定值直接決定產(chǎn)品氫的純度和收率，吸附時間越長，氫氣收率越高，但吸附時間過長，吸附前沿會過于靠前，產(chǎn)品質(zhì)量反會下降。

裝置低負(fù)荷運行期間，脫附氣中氫含量高于25%。降低PSA系統(tǒng)脫附氣中氫氣含量，提高氫氣收率，成為PSA系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整的關(guān)鍵點。

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由表1可知，當(dāng)T1或T2改變后，吸附、順放、逆放、沖洗等時間都隨之改變。就時間設(shè)定原則進(jìn)行分析，可知：（1）T1 時間設(shè)定：T1含三均時間（T3）和順放時間，T1的最小值必須同時保證三均降塔與三均升塔壓力均等及順放完全（即順放壓力≤0.2 MPa），同時T1 最小值還必須保證一均時間足夠（即T1 須≥T3）（2）T2 時間設(shè)定：T2 含二均時間，T2 的最小值必須保證兩塔二均均等。通過對T1、T2、T3、T4 時間設(shè)定原則綜合考慮，確定PSA優(yōu)化調(diào)整原則為：只增加T1或T2時間，T3、T4保持不變。

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調(diào)整T1 逐漸由43 秒增加至53 秒，T2 逐漸由116 秒增加至134秒；在保證產(chǎn)品氫質(zhì)量的前提下，單塔吸附時間2×（T1+T2）共增加56 秒。如表2 所示，經(jīng)調(diào)整后，在處理量基本相同的情況下，產(chǎn)品氫流量呈上升趨勢，脫附氣流量呈下降趨勢。通過取樣分析，解析氣中氫含量下降，氫收率上升。

2.3低負(fù)荷運行下關(guān)鍵設(shè)備設(shè)施能耗優(yōu)化

裝置動設(shè)備耗電量、蒸汽自用量等是控制裝置能耗的幾項重要指標(biāo)。因水碳比高控在4.2左右，導(dǎo)致自用蒸汽量升高，能耗大幅上升。為降低裝置能耗，主要考慮從降低裝置電耗入手。

實現(xiàn)了HydroCOM 無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)在原料氣壓縮機(jī)上的應(yīng)用，大幅降低了壓縮機(jī)的實際功率。按照當(dāng)前生產(chǎn)負(fù)荷，壓縮機(jī)在60%負(fù)荷即可滿足工況。按照：節(jié)省的壓縮機(jī)功率＝壓縮機(jī)額定功率×（1－壓縮機(jī)負(fù)荷），節(jié)省的壓縮機(jī)功率＝2300kw×（1－0.6）＝920kw，月節(jié)省電量＝920kw×720h＝662400kw·h，通過換算，僅此一項，裝置能耗降低約62.5kgEO/t，節(jié)能效果顯著。同時，鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)由工頻改造為變頻，節(jié)省功率96 KW，并計劃于下一檢修期將引風(fēng)機(jī)也改造為變頻運行，預(yù)計可節(jié)省功率160 KW。通過降低裝置能耗，大幅度減少了水碳比高控導(dǎo)致的能耗損失。

2.4 轉(zhuǎn)化爐換熱流程優(yōu)化改造計劃

裝置投產(chǎn)后，轉(zhuǎn)化爐煙氣換熱系統(tǒng)運行較差，表現(xiàn)為排煙溫度持續(xù)偏高、熱效率降低、能耗增加。根據(jù)DCS 所反映的數(shù)據(jù)，低溫段空氣預(yù)熱器的空氣溫升為256℃，煙氣溫降為116℃，溫差比約為2.2；高溫段預(yù)熱器的空氣溫升為135℃，煙氣溫降為118℃，溫差比約為1.14。高溫段預(yù)熱器與低溫段預(yù)熱器的溫差比差別很大，而正常情況下，對于同一種換熱介質(zhì)，根據(jù)能量守恒，其換熱溫差比應(yīng)該是接近的，根據(jù)對目前燃料燃燒的模擬，溫差比應(yīng)該在1.4 左右?；谝陨锨闆r分析，可能存在以下問題：（1）空氣旁路擋板沒有完全關(guān)閉或存在泄漏情況，導(dǎo)致一部分冷空氣走了旁路。（2）低溫預(yù)熱器前的蒸發(fā)段有泄漏，有部分高溫蒸汽進(jìn)入煙氣。（3）預(yù)熱器存在泄漏情況。計劃檢修時對以上三個可能存在的問題進(jìn)行逐一檢查。

同時，針對轉(zhuǎn)化爐原料預(yù)熱段出口溫度較低，排煙溫度較高的問題，做出兩個改造方案。（1）：優(yōu)化加氫反應(yīng)器前原料預(yù)熱流程，提高原料預(yù)熱段入口溫度。（2）：現(xiàn)有加氫反應(yīng)器前換熱流程不變，在方案一基礎(chǔ)上核算轉(zhuǎn)化爐對流段各段換熱面積，對對流段進(jìn)行更換。

3 結(jié)語

制氫裝置長期處于低負(fù)荷運行時，關(guān)鍵參數(shù)需進(jìn)行較大調(diào)整。轉(zhuǎn)化爐的結(jié)構(gòu)及運行原理不同于一般加熱爐，長期低負(fù)荷運行，需重點關(guān)注轉(zhuǎn)化爐的運行狀況，保證較高的水碳比，防止原料氣在轉(zhuǎn)化爐管內(nèi)偏流，保證爐管及催化劑的壽命。同時，低負(fù)荷運行造成了裝置能耗大幅增加，通過對PSA 運行的優(yōu)化、關(guān)鍵動設(shè)備運行的優(yōu)化及煙氣流程優(yōu)化改造計劃等一系列措施，最大限度降低了裝置能耗，使裝置在長期低負(fù)荷下實現(xiàn)了安全平穩(wěn)高效生產(chǎn)。