天然氣制氫裝置停工操作風險及有效措施

崔占磊(中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086)

0 引言

中海油惠州石化有限公司兩套10萬標立方米/小時天然氣制氫裝置，采用德國伍德公司的工藝技術(shù)，烴類蒸汽轉(zhuǎn)化法造氣、PSA法提純氫氣的工藝路線，生產(chǎn)符合高壓加氫裂化裝置新氫要求的高純氫氣，同時副產(chǎn)9.8 MPa高壓過熱蒸汽。兩套制氫裝置于2009年4月一次投產(chǎn)成功，設(shè)計裝置操作彈性60%～110%，其中PSA單元的操作彈性為30%～110%；本裝置除總的公用工程系統(tǒng)配置外，由兩個獨立的系列構(gòu)成，每個系列由原料氣精制、轉(zhuǎn)化及余熱回收、變換及變換氣冷卻、鍋爐給水及蒸汽發(fā)生、變壓吸附氫提純等部分組成。

1 停工步驟簡介

在裝置十幾年運行過程中經(jīng)歷了幾十次停開工，停工主要步驟包括：降溫降量、切除預轉(zhuǎn)化反應器，裝置聯(lián)鎖停爐，切斷進料和配氫，燃料氣系統(tǒng)隔離泄壓，轉(zhuǎn)化系統(tǒng)停止配汽和注水，轉(zhuǎn)化系統(tǒng)泄壓并氮氣置換，脫硫系統(tǒng)泄壓并氮氣置換，高壓汽包產(chǎn)汽控制，停運機泵，PSA操作等。停工過程中將會面臨很多操作風險，針對風險如何采取有效的防范措施，對于保護裝置的長周期安全穩(wěn)定至關(guān)重要[1]。

2 催化劑的保護

無論是生產(chǎn)過程中還是停工過程中，都必須保護催化劑避免結(jié)碳、中毒或泡水的風險，那么在停工過程中有毒介質(zhì)及液態(tài)水(或蒸汽)的有效隔離尤為重要[2]。

(1)避免催化劑結(jié)碳。制氫轉(zhuǎn)化催化劑操作溫度約800 ℃，若停工操作不當，造成蒸汽中斷或過少等情況極易造成轉(zhuǎn)化催化劑結(jié)碳。避免結(jié)碳的措施包括：

第一，設(shè)計上在裝置觸發(fā)停止進料聯(lián)鎖后，強制保持最小配汽流量15 min，避免烴類原料裂解結(jié)碳；

第二，轉(zhuǎn)化系統(tǒng)停止配汽后需立即充入氮氣進行置換。

(2)在停工過程中除了對裝置進出界區(qū)的原料氣、產(chǎn)品氣、燃料氣及配氫流程隔離以外，為保護催化劑避免中毒風險通常采取以下兩項措施：首先，對脫硫系統(tǒng)去轉(zhuǎn)化系統(tǒng)流程進行徹底隔離，如圖中的①處；其次，各系統(tǒng)泄壓及保壓過程中控制脫硫系統(tǒng)壓力始終低于轉(zhuǎn)化系統(tǒng)壓力。

(3)為保護催化劑避免水泡風險通常采取以下措施：

第一，系統(tǒng)停工后務(wù)必確保在溫度降至露點溫度之前對預轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)化系統(tǒng)進行徹底氮氣置換；

第二，對轉(zhuǎn)化配汽流程進行徹底隔離，如圖1中的②、⑥處；

第三，對預轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)化入口預熱器前的噴水減溫器進行徹底隔離，如圖1中的③、④處；

第四，對余熱鍋爐溫度控制器的降溫蒸汽流程進行徹底隔離，如圖1中的⑤處。注意：文中表述的徹底隔離標識至少做到三閥組隔離，即雙閥關(guān)閉、中間放空打開。

圖1 轉(zhuǎn)化系統(tǒng)隔離圖

3 設(shè)備的保護

裝置停工過程中設(shè)備運行參數(shù)均會發(fā)生較大變化，保護設(shè)備安全對于能否順利恢復生產(chǎn)具有重要意義[3]。停工過程中針對設(shè)備的保護措施包括：

(1)制氫轉(zhuǎn)化爐及爐管的保護。制氫轉(zhuǎn)化爐操作溫度約850～1 000 ℃，爐管壓力約3.0 MPa，停工過程中轉(zhuǎn)化爐爐膛、爐管降溫過快，會大幅降低轉(zhuǎn)化爐管使用壽命并對催化劑造成損壞，因此每次停工過程嚴格控制降溫降量速度，即降量速度≤3 000 Nm3/h，降溫速度≤30 ℃/h。

(2)蒸汽發(fā)生設(shè)備的保護。本裝置包括高壓(9.8 MPa)蒸汽發(fā)生器和中壓(3.8 MPa)蒸汽發(fā)生器，停工過程中維持汽包較高液位，避免干燒。

(3)換熱設(shè)備的保護。制氫裝置停工過程中，隨轉(zhuǎn)化溫度的降低，冷換系統(tǒng)的介質(zhì)蒸汽含量大幅增加，冷換系統(tǒng)熱量會大幅增加。與此同時隨轉(zhuǎn)化溫度降低，高、中壓汽包產(chǎn)汽減少，上水量減少造成汽包上水換熱器冷介質(zhì)量降低，更進一步增加了變換氣冷卻系統(tǒng)各換熱器的負擔。因此每次停工過程非常容易造成變換氣冷卻系統(tǒng)各換熱器溫度大幅波動、除氧器壓力波動、換熱器泄漏等現(xiàn)象。

如圖2所示：停工過程中除氧器壓力、液位、上水溫度、上水量的波動趨勢。

圖2 除氧器壓力、溫度、上水量趨勢圖

從上圖可見，停工過程中各參數(shù)波動較大，與其相關(guān)聯(lián)的換熱系統(tǒng)均會出現(xiàn)溫度大幅波動，出現(xiàn)除氧器頂部噴水或換熱器泄漏等現(xiàn)象，為盡可能避免停工過程影響，采取了如下措施：

(1)降溫降量過程中，控制轉(zhuǎn)化進料水碳比≤3.0(正常生產(chǎn)控制2.7～2.9)，減少變換氣中過剩蒸汽量；

(2)提前打開高壓汽包排污閥和除氧器排水閥，增大汽包和除氧器上水量，增加各冷換設(shè)備冷流介質(zhì)流量；

(3)提前關(guān)閉除氧槽除氧蒸汽，打開除氧器頂部放空，降低除氧槽壓力，避免除氧器上水流量波動造成換熱器溫度波動。

4 其他風險控制

(1)降溫降量過程中若需關(guān)閉轉(zhuǎn)化爐燃燒器，需注意熄火順序及燃燒火嘴分布，保證爐膛溫度均勻分布，建議制作轉(zhuǎn)化爐熄滅火嘴順序表。

(2)降溫降量過程務(wù)必分多次進行，每3～5 min調(diào)整一次，觀察爐膛和爐出口溫度下降趨勢。降溫過程為：降燃料→爐膛降溫→轉(zhuǎn)化吸熱反應趨弱→降溫遲滯→降大量燃料→爐膛繼續(xù)降溫；若降溫速度過快時，可通過稍提點燃料和稍加快降量速度來控制。

(3)隨爐膛溫度降低，需要持續(xù)關(guān)注加氫脫硫反應器入口溫度，關(guān)注加氫脫硫效果，防止催化劑中毒，尤其在原料性質(zhì)發(fā)生變化時。通常應保證R101床層300 ℃以上(天然氣進料)，降溫過程如果出現(xiàn)R101床層溫度低于300 ℃，應及時加樣分析凈化原料氣組成。

(4)裝置停工過程中應盡量避免壓力劇烈波動，壓力劇烈波動容易造成催化劑破碎，催化劑一旦發(fā)生破碎會引起轉(zhuǎn)化阻力升高和不均勻，進而造成轉(zhuǎn)化爐爐管出現(xiàn)亮斑或紅管。

5 結(jié)語

制氫裝置涉及的反應過程較多，因此制氫裝置停工過程是一項復雜的系統(tǒng)工程，本文針對停工過程中的一些操作風險進行了簡要分析，實際操作過程中須精心組織和精細認真的操作，采取有效的風險防范措施才能把裝置安全平穩(wěn)的停下來。另外停工分為計劃停工和緊急停工，情況各不相同，需要我們根據(jù)具體情況對裝置進行正確的處理。