制氫裝置提高產(chǎn)量及優(yōu)化系統(tǒng)的實(shí)踐

（北京首鋼氣體有限公司，北京 101304）

1 400 m3/h制氫裝置基本情況

北京首鋼氣體有限公司400 m3∕h制氫裝置采用國(guó)內(nèi)外成熟的輕烴水蒸氣轉(zhuǎn)化技術(shù)來制取氫氣，原料為天然氣，燃料也是天然氣，產(chǎn)品為純度99.999%的氫氣。裝置設(shè)計(jì)規(guī)模為400 m3∕h 工業(yè)氫，裝置彈性為30%～110%。該裝置采用天然氣水蒸氣轉(zhuǎn)化、變壓吸附凈化法的工藝路線，主要過程由原料脫硫、水蒸汽轉(zhuǎn)化、中溫變換、PSA凈化、產(chǎn)氣系統(tǒng)等幾個(gè)部分組成。產(chǎn)品為工業(yè)氫，副產(chǎn)的變壓吸附尾氣作為轉(zhuǎn)化爐的燃料進(jìn)行回收使用。工藝流程見圖1。

該裝置自2008年4月11日正式建成投產(chǎn)，運(yùn)行10 年，設(shè)備性能存在不同程度的下降，產(chǎn)品產(chǎn)量大幅度下降，設(shè)計(jì)400 m3∕h 的氫氣產(chǎn)量最大只能達(dá)到338 m3∕h，而下游板材生產(chǎn)用戶近年來隨著市場(chǎng)向好、價(jià)格飆升，不斷加大產(chǎn)能，氫氣用量不斷增加。統(tǒng)計(jì)的日小時(shí)平均用量從200 m3∕h 逐步上升到了300 m3∕h，單日氫氣最高用量達(dá)到了330～340 m3∕h，同時(shí)制氫裝置生產(chǎn)的氫氣還要充入氫氣管排車保證公司外部客戶的使用，氫氣供應(yīng)不足給公司的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)造成了很大的壓力。

因此，公司提出了對(duì)400 m3∕h 制氫裝置進(jìn)行改造，提高設(shè)備性能，提高氫氣產(chǎn)量和能源利用效率。

2 系統(tǒng)診斷及問題分析

2.1 氫氣產(chǎn)量不足

隨著設(shè)備使用年限的增加和設(shè)備投產(chǎn)后逐漸暴露出來缺陷，造成氫氣產(chǎn)能不足。2017 年6 月份年修之前，氫氣的產(chǎn)能最高只有338 m3∕h，而且設(shè)備工況也不穩(wěn)定，潛在的隱患很多，給生產(chǎn)保供造成了很大壓力。

2.2 反應(yīng)所需蒸汽量不足

400 m3∕h 制氫裝置反應(yīng)是在高溫和壓力條件下，原料天然氣和水蒸汽發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。

圖1 工藝流程圖

裝置運(yùn)行中規(guī)程要求水碳比控制值≥3.5，實(shí)際因?yàn)檎羝a(chǎn)生量不足，水碳比只能達(dá)到2.7～3.0，造成了中變反應(yīng)不完全，反應(yīng)后甲烷、一氧化碳等含量超標(biāo)。在制氫裝置轉(zhuǎn)化反應(yīng)中，蒸汽是一種反應(yīng)物，同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)化催化劑具有保護(hù)作用。水碳比長(zhǎng)期小于控制值，對(duì)催化劑壽命不利。下雨天氣，雨水沖刷在汽包外側(cè)，造成蒸汽壓力降低，水碳比進(jìn)一步減小，這極可能造成催化劑突然中毒或者失效，存在很大隱患。

2.3 中變氣甲烷含量超標(biāo)

中變氣入口溫度在310～340℃之間波動(dòng)，轉(zhuǎn)化和中變反應(yīng)工況都不穩(wěn)定。中變氣中甲烷含量規(guī)程要求控制值為6%，實(shí)際值在7%～10%，氫氣含量降低，增加了后續(xù)PSA 吸附系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，制約了氫氣產(chǎn)量。

中變器入口溫度波動(dòng)大導(dǎo)致中變氣甲烷含量超標(biāo)的問題，經(jīng)分析主要原因是余熱鍋爐的“塞閥”不具有連續(xù)調(diào)節(jié)功能，只能全開或者全關(guān)。當(dāng)鍋爐塞閥全開時(shí)，進(jìn)入余熱鍋爐的熱量大量增加，蒸汽產(chǎn)生量大、汽包壓力上升，中變器入口溫度就會(huì)降低，反之則溫度會(huì)升高。溫度的波動(dòng)影響雜質(zhì)的含量，為了防止工況波動(dòng)造成不合格產(chǎn)品送入管網(wǎng)，系統(tǒng)被迫降低負(fù)荷，確保產(chǎn)品質(zhì)量。

2.4 設(shè)備熱損失大

制氫裝置大部分設(shè)備和管道工作溫度都比較高，轉(zhuǎn)化爐溫度最高達(dá)到900～920℃。設(shè)備和管道外部雖然設(shè)置了保溫層，但是保溫層外表面溫度仍然較高，經(jīng)測(cè)量基本在70～80℃，高于環(huán)境溫度40～70℃，熱損失較大，形成了很大的能源浪費(fèi)。

3 解決方案及實(shí)施

3.1 對(duì)流段換熱器更換及清洗

蒸汽量不足是對(duì)設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生隱患和制約氫氣產(chǎn)量最直觀、最重要的原因，必須首先予與解決。

為了提高水碳比，增加蒸汽產(chǎn)量，現(xiàn)場(chǎng)曾采取了提高爐溫、增大余熱鍋爐換熱面積、增大引風(fēng)、增加對(duì)流段產(chǎn)汽部分溫度等工藝調(diào)節(jié)手段，雖然水碳比最高提高到了3.3，但仍然不能達(dá)到要求，并且能耗明顯提高了。各種工藝調(diào)節(jié)試驗(yàn)都沒有解決問題，于是尋找設(shè)備改造方案。產(chǎn)生蒸汽的核心設(shè)備是轉(zhuǎn)化爐煙道出口一系列的換熱器和換熱管道，整體更換工程量太大，最后鎖定了更換對(duì)流段換熱器這一改造方案。

通過對(duì)換熱面積的計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)空間位置等因素的綜合考量，最后確定將原來的兩個(gè)換熱器的肋管分別由4 層增加到6 層，總數(shù)由8 層增加到12 層。聯(lián)系原廠新?lián)Q熱器重新制作，利用年修機(jī)會(huì)實(shí)施更換。對(duì)于另一個(gè)產(chǎn)汽的重要設(shè)備余熱鍋爐，利用循環(huán)泵進(jìn)行藥劑清洗除垢，效果良好。更換前后參數(shù)見圖2。

圖2 換熱器更換前后參數(shù)

從圖2 可以看出，蒸汽平均流量從579 m3∕h 上升到了778 m3∕h，水碳比平均值從2.9 提高到了3.5，提高了轉(zhuǎn)化反應(yīng)的反應(yīng)率；轉(zhuǎn)化催化劑的工作狀態(tài)良好、穩(wěn)定，避免了因蒸汽不足造成的損害或突然失效造成的潛在危險(xiǎn)。

3.2 余熱鍋爐塞閥安裝閥門定位器

采購(gòu)了滿足工藝要求的具備連續(xù)調(diào)節(jié)功能的閥門定位器，利用年修機(jī)會(huì)安裝調(diào)試完成并達(dá)到了正常使用，使用效果良好。參數(shù)對(duì)比見圖3。

圖3 安裝閥門定位器前后中變器參數(shù)對(duì)比

轉(zhuǎn)化后氣體中甲烷含量明顯降低并且較為穩(wěn)定，低于要求的6%，為提高裝置的氫氣產(chǎn)量提供了有效的保證。

3.3 水泵和引風(fēng)機(jī)能力改善

完成以上兩項(xiàng)改造后，生產(chǎn)負(fù)荷可以提高了。但是隨之而來產(chǎn)生的問題就是裝置滿負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)汽包液位達(dá)不到設(shè)定的60%，雖然水泵變頻已經(jīng)調(diào)節(jié)到了最大，但是汽包液位仍然下降，最后被迫減少產(chǎn)量。這說明水泵的上水能力已經(jīng)不能滿足產(chǎn)能的要求。引風(fēng)機(jī)也暴露了同樣的問題。

對(duì)此進(jìn)行了備用水泵并行的試驗(yàn)，通過調(diào)節(jié)兩臺(tái)水泵的變頻，找到了兩臺(tái)水泵并行的最佳配合點(diǎn)，滿足了供水量要求，暫時(shí)解決了水泵能力不足的問題。

隨后對(duì)水泵改造，使得單臺(tái)水泵能夠滿足生產(chǎn)需要。同時(shí)更換了容量更大的引風(fēng)機(jī)，徹底解決了制約產(chǎn)量提高的因素。

3.4 設(shè)備保溫層更換

裝置原使用的保溫材料是耐溫最高400℃的玻璃棉，對(duì)于最高可達(dá)800～900℃的裝置來說效果不夠。解決方式是：耐溫1000～1200℃的硅酸鋁纖維毯包覆一層以后，在外面再增加一層耐溫700℃的海泡石保溫膏，雙層保溫使得保溫層外表面溫度由原來的的70～80℃降低到了40～50℃，大大減少了裝置的熱損失和能源浪費(fèi)。改進(jìn)前后溫度對(duì)比見圖4。

圖4 改進(jìn)前后爐膛中部和尾氣溫度對(duì)比

4 最終效果

400 m3∕h 制氫裝置從2017 年6 月底檢修停車開始進(jìn)行各項(xiàng)改進(jìn)和施工，到2019 年7 月年水泵和引風(fēng)機(jī)改造完成，制氫工況逐漸趨于優(yōu)化，根據(jù)連續(xù)8天數(shù)據(jù)的對(duì)比，400 m3∕h 制氫裝置氫氣產(chǎn)量平均比之前提高了26.62%，最高產(chǎn)量達(dá)到463 m3∕h。而且產(chǎn)量提高后，各個(gè)分系統(tǒng)工況狀態(tài)良好，轉(zhuǎn)化和中變反應(yīng)效率更高，產(chǎn)品純度持續(xù)穩(wěn)定在99.999%，整個(gè)系統(tǒng)較之前更加穩(wěn)定。

5 總結(jié)

系統(tǒng)診斷找到問題點(diǎn)后，對(duì)流段換熱器的改造和余熱鍋爐的清洗解決了蒸汽量不足的問題；“塞閥”的改造，以及工況的調(diào)節(jié)優(yōu)化，使得核心反應(yīng)轉(zhuǎn)化和中變都處于較佳的狀態(tài)；水泵和引風(fēng)機(jī)的改造提供了足夠的反應(yīng)物和反應(yīng)條件，這些工作結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了制氫裝置工況優(yōu)化，產(chǎn)量提高。

設(shè)備運(yùn)行隨著年限延長(zhǎng)，設(shè)備老化、生銹、結(jié)垢，甚至部件變形等，都會(huì)造成不同設(shè)備不同部位發(fā)生性能下降的問題，要認(rèn)真分析問題產(chǎn)生的原因，特別是有些問題的原因可能錯(cuò)綜復(fù)雜，應(yīng)分析出主要矛盾并加以解決。