制氫裝置配氫線改造解決轉(zhuǎn)化催化劑結(jié)焦方案

楊文杰

摘 要：本文針對某公司制氫裝置配氫線進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)和優(yōu)化后，運行過程中出現(xiàn)的轉(zhuǎn)化催化劑結(jié)焦問題進(jìn)行分析，通過加裝除油設(shè)施，進(jìn)一步流程優(yōu)化，實現(xiàn)配氫原料的清潔，在降低裝置生產(chǎn)成本同時，增加經(jīng)濟(jì)效益，解決因配氫帶油使轉(zhuǎn)化催化劑結(jié)焦問題。

關(guān)鍵詞：配氫;除油設(shè)施;花斑;紅管

1 前言

該公司制氫裝置原料氣加氫部分，原設(shè)計有一條由外公司的配氫線，向原料氣中配置3-5%（V）以上的氫氣。為增加經(jīng)濟(jì)效益，通過流程優(yōu)化和改造，配氫在正常生產(chǎn)過程由柴油加氫裝置聯(lián)合機(jī)組一級新氫出口氫氣進(jìn)行供應(yīng)，但是改造后因聯(lián)合機(jī)組新氫機(jī)活塞及活塞環(huán)在實際運行過程中磨損嚴(yán)重，需加大機(jī)組注油量，造成新氫壓縮機(jī)一級出口氫氣攜帶潤滑油和重質(zhì)烴，夾帶至制氫裝置使制氫裝置加氫催化劑、脫硫催化劑造成一定程度結(jié)碳并使轉(zhuǎn)化催化劑結(jié)焦失活，造成轉(zhuǎn)化爐爐管出現(xiàn)大面積花斑與紅管，導(dǎo)致制氫停工并更換轉(zhuǎn)化催化劑，經(jīng)濟(jì)損失巨大。經(jīng)調(diào)整配氫線引出位置，增加除油裝置，確保制氫裝置轉(zhuǎn)化部分穩(wěn)定。

2 裝置配氫管線優(yōu)化及改造方案

2.1 配氫管線改造原因

裝置外購氫氣每月花費15.6萬元，自產(chǎn)氫氣每月成本6.3萬元，用自產(chǎn)氫每月可節(jié)省9.3萬元，每年可節(jié)省111.6萬元，能夠產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益。裝置試運行生產(chǎn)后，將配氫由外購改至裂解柴油加氫裝置聯(lián)合機(jī)組一級出口引出。

2.2 改造投入運行后出現(xiàn)的問題

裝置于2015年1月31日投入生產(chǎn)。2月2日由1300 Nm3/h提至1810 Nm3/h滿負(fù)荷時，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化爐出口甲烷含量異常升高，檢查轉(zhuǎn)化爐爐管發(fā)現(xiàn)有8根爐管出現(xiàn)不同程度花斑與紅管，狀態(tài)已經(jīng)非常嚴(yán)重。

2.3 對出現(xiàn)爐管出現(xiàn)的花斑和紅管進(jìn)行原因分析

轉(zhuǎn)化反應(yīng)就是在不斷的發(fā)生結(jié)碳、消碳的反應(yīng)，當(dāng)結(jié)碳速度快，轉(zhuǎn)化催化劑就會形成積碳。積碳的形成會造成爐管出現(xiàn)花斑、紅管、出口芳烴和甲烷含量增高等。我們根據(jù)下列原因造成對結(jié)碳的原因進(jìn)行分析：

2.3.1 原料性質(zhì)變化及催化劑中毒

原料中C5以上組分和烯烴的含量過高時，容易在轉(zhuǎn)化爐內(nèi)高溫部位發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致在催化劑表面積碳，文獻(xiàn)[1]要求原料組成中C5<0.5%;原料中的硫化物、氮化物以及烯烴的含量對轉(zhuǎn)化催化劑具有毒害作用，甚至?xí)?dǎo)致轉(zhuǎn)化催化劑的失活，因此原料氣在進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐之前必須進(jìn)行加氫、脫毒使進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐的原料氣達(dá)到硫、氯含量<0.2μL/L，砷含量 <5 μg/g。開工以來原料氣化驗分析顯示，原料氣中C5< 0.5%、烯烴為0，轉(zhuǎn)化原料中硫、氯<0.5ppm，不會造成結(jié)焦。

2.3.2 負(fù)荷及水碳比變化

負(fù)荷波動大，會導(dǎo)致氣體在轉(zhuǎn)化爐管內(nèi)發(fā)生偏流，甚至造成個別爐管干燒，影響催化劑的使用壽命，裝置標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷1929 Nm3/h，操作彈性50-120%，水碳比3.0-4.5，查看DCS有關(guān)天然氣負(fù)荷和水碳比變化趨勢，均在設(shè)計范圍內(nèi)。

2.3.3 反應(yīng)及3.5MPa蒸汽溫度和壓力大幅波動

由于工藝的需要轉(zhuǎn)化爐床層溫度為480～850℃，而3.5MPa蒸汽的溫度為240℃左右，如果反應(yīng)或蒸汽溫度大幅波動將會導(dǎo)致催化劑床層溫度的巨大波動，如果溫度下降將會導(dǎo)致烯烴穿透整個轉(zhuǎn)化床層，最終導(dǎo)致爐出口甲烷含量上升，很容易導(dǎo)致轉(zhuǎn)化催化劑下部催化劑積炭，而轉(zhuǎn)化溫度升高會導(dǎo)致催化劑的燒結(jié)，進(jìn)而導(dǎo)致催化劑孔結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，活性中心發(fā)生變化，最終導(dǎo)致催化劑失活，因此蒸汽溫度是保證催化劑穩(wěn)定和爐管無異常的保證;配汽壓力的波動最直接的表現(xiàn)為水碳比的變化，如果反應(yīng)及3.5MPa蒸汽壓力大幅波動很可能會導(dǎo)致轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的偏流，嚴(yán)重情況下發(fā)生催化劑失活，查看DCS歷史趨勢，排除溫度及壓力大幅波動造成結(jié)焦。

2.3.4 局部過熱

局部過熱將會使轉(zhuǎn)化催化劑的燒結(jié)進(jìn)而導(dǎo)致催化劑的孔結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，活性中心遷移，最終使催化劑失去活性導(dǎo)致催化劑表面積炭，為了排除這種情況的發(fā)生，將轉(zhuǎn)化爐各爐管同一水平面的溫度計進(jìn)行比較，并在現(xiàn)場使用測溫槍進(jìn)行測量和記錄，并進(jìn)行對比，爐管不存在局部過熱的現(xiàn)象。

2.3.5 原料氣的帶液量

對裝置各個可能帶油的管線進(jìn)行低點排液，檢查是否因為帶油引起的花斑和紅管的問題，在配氫調(diào)節(jié)閥前導(dǎo)淋放出帶霧狀的潤滑油，估算含量約為0.3-0.8g/min，根據(jù)文獻(xiàn)[2]配氫攜帶潤滑油<0.1g/天的標(biāo)準(zhǔn)，潤滑油的進(jìn)入導(dǎo)致轉(zhuǎn)化入口水碳比嚴(yán)重失調(diào)，進(jìn)而引發(fā)催化劑發(fā)生積炭現(xiàn)象，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化爐管出現(xiàn)花斑現(xiàn)象。

3 解決轉(zhuǎn)化催化劑結(jié)焦的方案

通過技術(shù)交流，確定造成轉(zhuǎn)化爐爐管出現(xiàn)花斑及紅管的原因是因為聯(lián)合機(jī)組新氫機(jī)活塞及活塞環(huán)在實際運行過程中磨損嚴(yán)重后需加大機(jī)組注油量，造成新氫壓縮機(jī)一級出口氫氣攜帶潤滑油和重質(zhì)烴，而制氫的配氫線由加氫裝置聯(lián)合機(jī)組級間分液罐前管線引出未進(jìn)行及時脫液，新氫壓縮機(jī)一級出氫氣攜帶潤滑油和重質(zhì)烴夾帶至制氫裝置使制氫裝置加氫催化劑、脫硫催化劑造成一定程度結(jié)碳，經(jīng)過轉(zhuǎn)化爐對流段（原料預(yù)熱段）預(yù)熱至480-520℃，在高溫的作用下潤滑油攜帶的潤滑油和重質(zhì)烴使轉(zhuǎn)化催化劑結(jié)焦失活，造成轉(zhuǎn)化爐爐管出現(xiàn)大面積花斑與紅管。對聯(lián)合機(jī)組注油器的注油量進(jìn)行分析，冷卻分液后氫氣中夾帶霧狀潤滑油和重質(zhì)烴含量約0.3-0.8g/min，按0.5g/min量計算每小時夾帶量為30g左右，而每天的夾帶量為720g，而根據(jù)計算只需要10kg的潤滑油就可以導(dǎo)致轉(zhuǎn)化爐出現(xiàn)花斑及紅管從而停工。對此為了及時有效的脫除配氫中夾雜的潤滑油保證配氫的清潔實施了技術(shù)改造。

通過與制氫配氫原來的流程圖（1）對比改造后的配氫流程如圖（2）引出線在加氫聯(lián)合機(jī)組新氫一級壓縮出口緩沖罐后路引出，與圖（1）相比較可以利用壓縮機(jī)一級出口緩沖罐對配氫進(jìn)行脫液工作大大降低了配氫的攜油量。另一方面在配氫管線上增設(shè)了一個除油過濾器和兩個高效凈化器，凈化器內(nèi)填充的氫氣凈化分子篩可以有效的將氫氣中夾雜的潤滑油和重質(zhì)烴脫離出去，兩個高效凈化器可以串聯(lián)在一起，可以并聯(lián)在一起，也可以單獨運行，即使在生產(chǎn)正在運行過程中，只要做好有效隔離就可以實現(xiàn)在線換劑，保障了制氫裝置配氫的清潔，從而實現(xiàn)了制氫裝置長周期良好的運行。

通過表格數(shù)據(jù)的對比：氫氣純度有較大幅度的提高，C5以上組分大幅降低，C2以上組分也有較大幅度的降低，一氧化碳含量、二氧化碳含量以及氧含量氮含量都有小幅度降低，由此可見此次技術(shù)改造解決了由于配氫攜帶潤滑油和重質(zhì)烴導(dǎo)致轉(zhuǎn)化爐爐管的問題，大大提高了轉(zhuǎn)化催化劑的使用壽命確保了制氫裝置一個開工周期的平穩(wěn)運行。

4 結(jié)論

通過此次配氫線的技術(shù)改造與優(yōu)化，實現(xiàn)了配氫的自給自足，不需要依托其他公司提供配氫的要求，并且解決了配氫帶油給轉(zhuǎn)化催化劑帶來的結(jié)焦、積炭的問題，大大延長了催化劑的使用壽命，也為三套加氫裝置提供了穩(wěn)定的氫氣來源加以保障，確保制氫裝置一個開工周期的平穩(wěn)運行。

參考文獻(xiàn)：

[1]東方石化30萬噸/年柴油加氫裝置操作規(guī)程[Z].東方石化，2016.

[2]東方石化4000Nm3/h制氫裝置操作規(guī)程[Z].東方石化，2016.