制氫裝置長期低負荷生產操作要點及運行

徐沛元

摘 要：現階段，石油化工企業在生產過程中，制氫裝置在長期低負荷運行的狀態下，使得能源消耗量增加，因此應對其進行優化處理，降低裝置能源消耗。基于此，本文結合裝置的運行參數、制氫原料以及裝置低負荷運行操作的調整進行細致分析，以此為關注這一話題的人士提供參考。

關鍵詞：制氫裝置;低負荷生產;操作要點

氫氣作為石油化工企業中重要的原料之一，在企業的發展中發揮著重要的作用。氫氣的高純度供應，為原料轉化成低硫的汽油、柴油等起到一定的推動作用。由于在運行的過程中，制氫裝置長期處于低負荷的運行狀態，造成能源消耗增大，因此需要提高水碳比、增加配氫量等對全廠氫氣管網的平衡進行維持。

1 裝置簡介

1.1 工藝原則流程

中國石化海南煉油化工有限公司制氫裝置由原料加氫脫硫、原料蒸汽轉化、轉化氣的中溫變換以及中變氣的變壓吸附氫氣提純以及余熱回收系統組成。烴類水蒸氣轉化法造氣和變壓吸附氫氣提純的工藝，生產工業氫氣，其純度高達99.9%以上。產量為6×104Nm3/h，為全廠提供2.0MPa的氫氣管網，另外的少量純度達99.99%的氫氣將送到聚丙烯裝置，副產品為吸附尾氣，作為轉化爐的燃料進行使用。

1.2 制氫原料

制氫裝置的原料為渣油加氫裝置提供的（RDS-PSA）變壓吸附尾氣、天然氣、液化氣和石腦油。變壓吸附（RDS-PSA）尾氣供應量不足時，先以天然氣作為主要的補充原料，天然氣不足時，需要對罐區提供的液化氣和石腦油作為補充原料，進行氫氣的生產。

1.3 運行參數

制氫裝置在低負荷運行過程中，應優先保護設備和催化劑，對水碳比的參數進行相對調整，從而對催化劑、轉化爐等設備進行保護，在這基礎之上，對節能進行優化處理，主要操作參數與正常生產的參數對比差異較大。生產負荷在30%時，加氫反應入口溫度為345℃，轉化爐爐膛溫度為890℃，轉化爐入口溫度為485℃，轉化反應水碳比為5-6，轉化氣體殘余甲烷體積分數為1.5%左右，產氫量為20000Nm3/h，當生產負荷在100%時，加氫反應入口溫度為365℃，轉化爐爐膛溫度為960℃，轉化爐入口溫度為480℃，轉化反應水碳比為3.8-4.2，轉化氣體殘余甲烷體積分數為4.5%，產氫量為6×104Nm3/h。

2 裝置低負荷運行操作調整

2.1 加氫反應器操作

2.1.1 實施預處理

在制氫裝置中需要根據原料類型規范預處理流程，以便在長期低負荷生產中依舊具備良好的制氫功能。其溫度應低于430℃且高于350℃，促使預處理環節原料質量有所上調。在預處理環節主要涉及到加氫與脫硫脫氯反應。在應用石腦油以及天然氣作為制氫原料時，為了確保原料供應的穩定性，需要利用精準把控天然氣供應量的形式調節制氫產量，以免影響制氫效率。同時，還需在控制脫硫反應器內對出口硫含量予以檢測，便于控制轉化催化劑中毒現象的出現，從而在低負荷下生產出適量氫氣。

2.1.2 實施配氫操作

之所以需在制氫裝置低負荷生產狀態下增加配氫環節，主要源于以下三種原因：一為保證原料進入到轉化爐后能夠始終呈現熱平衡趨勢，以免爐膛內溫度下降，增加轉化爐損壞率;二為針對制氫原料中含有的有害硫成分，配氫可對其脫硫效率起到促進作用，從而確保轉化催化劑性能不受影響;三為在制氫裝置中，適當增加配氫量，以達到裝置處于部分循環的目的，保證轉化爐入口的原料氣不低于最低流量。

2.1.3 邊循環邊進料

制氫裝置在運行的過程中，當進料少或者停止進料時，能夠使全廠的氫氣管網維持一定的平衡。因此，需要將該部分的中變氣回壓縮機循環運行，切記在循環之前應將加氫反應器切除，使原料中的氣體改變流程。一般而言，在低負荷下實施制氫操作，中變氣所含的一氧化碳、二氧化碳，在其進入加氫反應器中，會與氫氣發生化學反應生成甲烷，甲烷化反應是體積縮小的強放熱可逆反應，會導致床層出現溫度升高的現象，嚴重時會出現飛溫。

2.2 轉化部分的操作

2.2.1 提高水碳比

水碳比作為烴類--水蒸氣轉化法制氫的重要參數，在制氫裝置低負荷運行的狀態下，需要調整水碳比，增加轉化爐爐管內的介質流量，使物料均勻分布在288根爐管內，預防偏流現象的發生。在水碳比控制的過程中，容易出現控制過高的現象，會使燃料的蒸汽的消耗過量，影響節能降耗;過多的水蒸氣會使催化劑活性降低，影響催化效果。由于在該制氫裝置中所采用的轉化催化劑成分為氧化鎳，故而應根據制氫量的要求確定水蒸氣轉化氣的含量，以免催化劑不能發揮其作用，失去活性;中變氣中水蒸氣含量不斷升高，致使換熱設備溫度過高。

一般而言，雖然制氫裝置水碳比偏低狀況下將引發催化劑結碳現象，但由于制氫裝置中具備的消碳功能較強，進而削弱了結碳風險。為了確保制氫裝置能在低負荷狀態下達到最優化制氫效果，需適當增加水碳比，并對反應器以及轉化爐管內部空速予以保證，否則將引發偏流狀況，一旦空速過低，將導致轉化管等設備發生超溫的風險增加，從而不利于設備的安全長周期運行。通常情況下，在合理范圍內增加水碳比可以保證進入轉化爐的物料不低于設計的最低流量，促使轉化管內部氣體實現均勻分布，最終可在有效防護下保護設備和催化劑，以此為制氫裝置低負荷生產操作提供重要保障，既能保障設備的使用年限，又能促使制氫裝置提供適量的氫氣。

2.2.2 控制好轉化爐溫度

轉化爐溫度也是烴類--水蒸氣轉化法制氫的重要參數，制氫裝置屬于強吸熱轉化反應，升高轉化爐的反應溫度，能夠促進轉化率的提高，從而有效降低轉化的氣體中甲烷的含量。轉化爐爐管材質為HP40Nb，屬于高溫合金材質，其設計使用壽命為10萬h，爐管管壁溫度設計為916℃，控制爐膛溫度應小于1000℃，爐膛同一水平面的溫差應≤100℃，各爐管溫差≤30℃。本裝置轉化爐為頂燒爐結構，爐膛內有105支火嘴呈7排分列，爐內爐管共288根，呈6排分列，每排48根，其中頂燒爐嘴下方1-3m

處溫度最高。制氫裝置低負荷運行時，原料使用量較少，導致爐管內上下溫度差過大，影響爐管的使用年限。因此，在生產過程中，燃料氣以變壓吸附（PSA）系統副產品解吸氣為主，再進行少量管網瓦斯的補充，同時對火嘴、風門、煙道擋板進行調節，將爐前瓦斯的閥門關小，控制爐內的氧氣、負壓含量，使火嘴完全燃燒，控制爐內火焰，防止出現爐管局部過熱現象。對火嘴進行調整，保證爐內各溫度均勻分布，在制氫裝置生產負荷在30%時，加氫反應入口溫度調整為345℃，轉化爐爐膛溫度控制在890℃，轉化爐入口溫度調整為485℃。由于在運行過程中，爐管內物料的空速低，以此需要降低爐口溫度，保證轉化氣甲烷含量符合規定，與此同時降低爐管的外壁溫度，避免出現紅管花斑現象的發生。

2.2.3 增加轉化爐監控設備

轉化爐爐膛的設計溫度測點有16個，因此在平時的工作中，無法對這些測點進行全方面監控，對爐膛內的溫度進行掌控。基于此，2014年12月中國石化海南煉油化工有限公司在爐膛內安裝了紅外在線溫度場檢測與爐管安全報警系統，方便對爐膛內溫度的監控，并增加工業電視監控系統，能夠對爐管裂開時及時采取補救措施，保證制氫裝置的穩定運行。

3 結論

綜上所述，制氫裝置長期低負荷運行給制氫工作帶來很大的負面影響，因此在操作過程中，應對轉化爐的進料、溫度、均勻分布進行控制，防止甲烷含量超標，降低裝置的能源消耗，使催化劑發揮最大作用，最大程度保證設備的正常運行。

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