制氢装置低负荷运行问题分析

刘永辉

（中国石油广西石化公司，广西 钦州 535008）

随着对环保要求的逐渐提高以及炼厂原油重质化，加氢工艺成为各炼厂的主要应对措施，因此氢气已经成为各炼厂不可或缺的原料，甚至可作为一种公用工程来管理。14×104Nm3·h-1制氢装置是某石化公司高硫原油加工配套工程中的一套新建装置。由于加工高硫原油，全厂氢气需缺量较大，经物料核算后需建设一套14×104Nm3·h-1制氢装置以满足下游加氢装置的需求。此装置2012年7月28日正式开工建设，于2014年7月29日产出合格产品氢气。受下游用氢装置氢气需求量的减少，装置在某段时间处于低负荷状态，平均负荷在45%左右（设计负荷为40%～110%）。低负荷运行对装置能耗及工艺参数影响较大，通过优化操作，调整工艺运行参数，加强设备管理，保证装置安全平稳运行。

1 装置简介

14×104Nm3·h-1制氢装置为目前国内最大的单系列烃类蒸汽转化制氢装置，造气部分采用TECHNIP公司的低能耗蒸汽转化制氢技术，净化部分采用UOP公司的PSA提纯工艺。装置具有投资省、能耗低、操作可靠性、灵活性高等优点，PSA氢气回收率高达90%，产品氢气纯度高达99%。本装置设计采用天然气、炼厂气、石脑油、液化气4种原料，采用独特的双汽包设计，分别使用烟道气和转化气加热蒸汽。采用预转化工艺，减小了转化炉的尺寸，充分利用高温烟气的热量，减少了燃料气的消耗，提高了转化炉运行的可靠性。一氧化碳变换部分采用高温变换流程，降低了装置投资，简化了制氢流程，缩短了开工时间。

装置采用经典的烃类蒸汽转化工艺，主要有原料预热、由原料精制、预转化、转化、中变冷却、PSA提纯等部分组成。本装置设计以天然气作为主工况，于2014年7月一次开车成功，后一直采用天然气作为原料。

2 低负荷运行问题分析

2.1 装置负荷变化

装置开工后，操作负荷在40%～80%之间频繁调整，天然气进料量在 14～30t，产氢量在 5×104～11×104Nm3·h-1波动。某段时间由于公司产品结构调整，下游装置用氢量减少，制氢装置一直处于低负荷运行，其天然气进料量和产氢量变化如图1所示。从图1中可看出，产氢量在56000～70000Nm3·h-1之间变化，即装置负荷处在40%～50%之间。

图1 装置天然气进料量和产氢量变化趋势图

2.2 操作参数调整

表1 列出了装置低负荷生产时主要的工艺操作参数，与设计值对比可看出有明显的差异。

表1 主要工艺参数

装置低负荷生产对加氢反应器、转化炉、PSA等关键设备操作影响较大,根据生产情况对关键操作参数作出调整对保护催化剂和设备具有重要意义。从表1中可看出，加氢反应的氢油比、转化反应水碳比均高于设计值，转化炉烟气温度、转化炉出入口温度、加氢反应器入口温度、2台汽包压力、产汽量等指标则低于设计值。

装置原料为天然气，含硫量和不饱和烃类均较低，因此只需较低的氢油比就可以使加氢反应彻底。装置低负荷生产时加氢反应空速降低，在催化剂表面的停留时间延长，虽然可以使加氢反应程度加深，但是也提高了催化剂表面结碳的可能性，适当提高氢油比不但能提高反应器的空速，也可使加氢反应更彻底，因此氢油比调整在5.7%～7.4%之间波动，高于设计值5%。由于原料含杂质较低，为了减少催化剂表面结碳的可能性，应适当降低加氢反应器的入口温度，因此加氢反应器的入口温度调整在349～357℃之间波动。

转化炉为制氢装置的核心设备，因此装置负荷的变化对转化炉影响最大，由于转化炉管数量较多，装置低负荷生产时容易导致物料在转化炉管中分布不均，产生偏流。由于转化反应为强吸热反应，如果物料在炉管中产生偏流会造成炉管局部受热不均，严重时会出现红管、花斑现象。同时炉管局部受热温度偏高还会导致催化剂表面结碳、烧结破碎，严重影响催化剂寿命。因此装置在低负荷生产时必须提高水碳比，增大转化炉配入的蒸汽量，保证物料在转化炉管中均匀分布。如表1所示装置低负荷生产时，水碳比调整在3.3～3.7之间波动，远远高于设计值2.95。在保证转化炉出口甲烷含量在控制指标范围之内时应尽量降低转化炉出入口温度，转化炉出口温度在803～820℃之间波动，这样既可防止催化剂结碳，又可保护炉管，延长了催化剂和炉管的使用寿命。装置低负荷生产时，操作人员应注意加强对转化炉的巡检和监测，及时调整火嘴燃烧情况，防止火嘴出现偏烧，保证炉管均匀受热。

装置低负荷生产时进入PSA的中变气量较少，应及时调整PSA的各项运行参数。由于本装置采用UOP的12床PSA工艺，其吸附时间为自动控制，在装置负荷变化时，吸附时间会随之自动进行调整，但解吸气组成以及流量会发生较大变化，因此应加强对转化炉的调整及监控。

2.3 能耗分析

表2列出了对装置能耗影响较大的几个因素，与某周66%负荷时相比，除外送中压蒸汽外，其余各项指标均高于66%负荷时的消耗。

装置低负荷生产，鼓引风机、水泵、压缩机等动力设备随之低负荷运行，设备效率大大降低，因此设备耗电量明显上升。除盐水消耗随燃料气消耗变化而变化，燃料气消耗量增大，其对流段烟气量增多，汽包发汽量随之增多，因此除盐水需要量随之增多，外送中压蒸汽量也随之增多。由于装置负荷变化，没有对循环水冷器进行调整，因此循环水消耗总量变化不大，但是单耗明显上升。

表2 主要物料消耗

2.4 设备影响

2.4.1 鼓风机超出最小流量以及引起的连锁反应

鼓风机设计最低流量为85895kg·h-1,受鼓风机入口挡板调节精度影响，转化炉鼓风量并没有随装置负荷变化而做相应的调整，实际配风流量在20～21t之间波动，远远高于燃料气充分燃烧所需的空气量，装置转化炉辐射转对流段氧含量表一直显示10.31，超出仪表量程。转化炉配风量远远过剩，燃料气消耗增大，不仅使装置能耗升高，还会引起系列连锁效应。鼓风量增大造成转化炉烟气量随之增多，大量烟气进入对流段用于预热原料，使原料进入加氢反应器和转化炉入口前温度均较高，且无法做相应的调节。

原料进入加氢反应器前需经过低压蒸汽、中压蒸汽、过热中压蒸汽、转化炉烟气4步预热，由于烟气量增大，原料只需经过过热中压蒸汽和烟气预热即可达到所需温度，导致原料第一预热器、第二预热器均不能投用，不能自动控制加氢反应器入口温度，操作难度较高。

由于装置预转化反应器没有投用，原料进入转化炉前需经烟气两次预热，原料进入转化炉前没有调节手段，烟气量增大使原料经烟气预热后温度必随之升高，这使原料在转化催化剂上部结碳的可能性增高。

针对鼓风量增大所带来的一系列反应，应尽力调节鼓风机入口挡板的开度，使鼓风量调节到可接受的范围，同时应注意炉膛负压、温度等各项参数的变化。

2.4.2 锅炉给水泵上水量偏小

装置低负荷生产，2个锅炉汽包发汽量均随之减少，因此锅炉上水需求量较小，泵出口阀开度较小，导致锅炉给水泵出口长期憋压，泵出口回流阀长期打开，泵出口工作压力在7.8～8.0MPa之间波动，远远高于设计值6.4MPa。这不仅使泵的效率大大降低，同时长期低流量运行会对泵造成较大危害，使泵体温度升高，振动噪声增大等。

针对泵长期低负荷运行的状态，应加强对泵的监护和检测，发现异常情况及时切换备用泵，同时通过增大汽包发汽量使锅炉给水泵流量增加。

3 结论

装置低负荷生产对操作参数及各设备均造成较大影响，通过增大加氢配氢量、转化配汽量，降低加氢入口温度、转化出口温度，及时调整转化炉配风量和火嘴燃烧情况等措施，使装置各项工艺参数均在控制指标范围之内，保证了装置安稳运行，虽然增大了装置能耗，但对于催化剂和设备的保护具有较大的意义。

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