天然气制氢装置低负荷运行时的操作优化

黄熙

摘 要：本文介绍了某石化责任有限公司4000m3/h天然气制氢装置低负荷运行的生产情况，并从操作参数、操作方式等方面提出了一些优化措施。低负荷运行期间最主要的问题是转化炉管内原料气分布不均，引起偏流。应采取提高水碳比并提高返氢配氢量等措施，以达到转化炉管内原料气流量提升的目标，从而将转化炉炉管内多余的热量降低。同时，还要通过控制变压吸附（PSA）解吸气中的氢气含量，保持生产负荷提降量平稳。

关键词：天然气;制氢;蒸汽转化;低负荷;操作优化;转化炉;水碳比

0 引言

随着装置产品结构的调整，外供氢气量逐步增加，导致天然气制氢装置燃料消耗量呈逐年上升趋势，装置生产成本增加，一定程度上影响了装置整体竞争力。系统分析装置各燃料气用户，针对性地提出了优化控制措施，彻底解决了装置燃料消耗高的问题，提高了装置经济性，提升了产品竞争力。

1 装置简介

某石化公司天然气制氢装置，本装置设计造气部分产氢为产纯氢4000Nm3/h，操作弹性50～120%;PSA单元产氢8000Nm3/h，操作弹性30～110%。年运行时间8760h。本装置以天然气为原料，采用烃类水蒸汽转化法造气、

PSA法提纯氢气的工艺路线，分为原料气加氢、原料气脱毒、原料气蒸汽转化、转化气的中温变换及PSA氢气提纯五部分。PSA单元以中变气和乙苯--苯乙烯装置脱氢尾气为原料，解吸气做为转化炉燃料。

2 装置在低负载运行时的操作优化

2.1 调整转化反应的水碳比

水碳比是转化炉内催化剂最敏感的工艺参数。以符合工艺控制指标要求为前提，装置在正常生产负载时，降低转化反应的水碳比会对整体的节能降耗有显著的效果。而在低负载生产状况下，因为原料气的量过低，会使得原料气在每根转化炉管内的分布不均匀，从而产生偏流，而且原料气因为空速小，流速低，还将造成转化炉中的热量不能平稳地带走，在严重的情况下，可能还会导致转化炉管中催化剂的表面积炭，从而导致催化剂失去活性，转化炉炉管外壁的局部温度过高，可能会在转换管上造成斑点，从而影响催化剂及炉管的使用寿。因此，在低负载生产条件下，可以提高水碳比來增加原料气的总流量，从而使原料气更均匀地分布在炉管中，进而增加原料气的流量和空速，有利于及时除热。由此，可以有效地延长催化剂和炉管的使用寿命。满负载时水碳比的设计指数为3.50。当负载低时，水碳比可以相应地增加。在40%的负载下，水碳比可以控制在4.50左右，从而可以有效地保护催化剂。在低负载状态下，使用大的水碳比，转化炉需要很大的蒸汽量，此时可以通过提高自产3.5MPa中压过热蒸汽，来增加蒸汽用量。这可能会导致能源消耗增加，但是可以提高转化效率，从而使因水碳比不匹配以及转化炉原料气不均匀的情况得到有效的避免，防止催化剂积炭。

2.2 转化炉优化

转化炉是整个天然气制氢装置的核心部位，调整好转化炉的运行状态关系到整个制氢装置的节能降耗和安全平稳的长期生产。目前转化炉炉运行良好，装置转化炉运行效率与加热炉负荷有关，负荷越高，炉膛氧含量和排烟温度更容易控制在较低数值。

目前存在问题：

①燃料气氢气组份含量（50%）高造成转化炉火焰过长，使得平时对于火焰燃烧状态不易控制，经常需要调节才能保证火焰垂直燃烧;

②目前制氢装置负荷有时变化比较大，不能长时间稳定在一个固定的处理量，这样会造成转化炉负荷会随之波动，对于稳定操作增加了很大难度;

③由于脱氢尾气带液非常严重，对PSA吸附剂等造成很不好的影响。

由于目前燃料气组成中有50%左右的氢气，使得燃料气热值偏低如果要提高转化炉出口温度就会需要较大燃料气量，燃料气用量大使得火焰很长极易造成火焰软弱无力出现火焰扑炉管现象。

解决办法：平时提降量幅度要小要慢，对于火焰要勤调节，发现问题立即现场调整火焰燃烧状态;制氢转化炉控制好炉膛氧含量（3-7%），控制排烟温度不高于150℃，提高加热炉效率;优化操作，使热量尽最大化利用;转化气蒸汽发生器尽可能多产蒸汽外送降低装置能耗;尽可能多的引进三部脱氢尾气，PSA解析气不排火炬，全部并入转化炉充当燃料，调节好转化炉同时使用两种燃料的燃烧状况，提高转化炉效率;针对脱氢尾气带液严重的问题，要求外操人员加强对PSA入口分液罐、预处理器、1号线低点脱液，内操紧盯产品氢质量，尽量降低PSA的吸附时间，加轻吸附剂的解吸，为防止PSA脱氢尾气带液严重的问题导致催化剂受损从而影响装置长期平稳生产，应该在三部脱氢尾气管线上增加一个脱液罐来避免带液严重的问题。

2.3 转化反应温度

转化反应温度也是烃类蒸汽转化制氢的一个重要影响因素。转化反应是强吸热反应，升高反应温度有利于转化率的提高，降低转化气中残余甲烷含量。但反应温度高会缩短转化炉炉管的使用寿命，还会加速转化催化剂失活，因此生产中在满足转化气质量要求（残余甲烷体积分数3.5%～4.5%）的前提下，尽量采用较低的转化反应温度。控制较低转化反应温度的关键在于调整火嘴，使炉膛温度及炉出口温度均匀分布。制氢装置转化炉炉膛内20支火嘴呈2排、每排10支分布。正常生产时，转化炉燃料采用管网高压瓦斯和PSA系统副产的低压解吸气。因为解吸气受PSA程序特性的影响，其压力及组成均随吸附时间t1，t2（分别为PSA运行时的奇数与偶数步序）的交替呈现较大幅度的波动，所以导致转化炉温度难以控制。针对该装置转化炉火嘴多、分布分散、燃料气组分复杂的情况，日常操作中通过优化PSA操作，将解吸气压力控制指标由0.01～0.03MPa减小至0.01～0.02MPa，同时将高压瓦斯压力控制指标由0.12～0.15MPa减小至0.10～0.12MPa，从而达到火嘴全部投用。另外，对转化炉炉膛横面温差和出口支路温差进行严格管控，将前者的控制指标由不高于50℃减小至不高于30℃，后者的控制指标由不高于20℃减小至不高于10℃，保证转化炉内温度的均匀分布，尽量降低转化反应温度。

2.4 配氢量的优化操作

为使原料进行有效的脱硫，有必要维持合适的氢气对原料的比率。开车时氢气来自于界区外，正常生产则采用本装置产品氢，以适当的流速将氢气注入原料管线，维持理想的氢气与原料的比率，原压机出口配氢量以实际原料天然气量为依据，为原料天然气量的2%～5%。在低负载生产的情况下，如果增加氢气的量，则可以在一定程度上避免由于原料气在转化炉管中分布不均而引起的偏流，并且可以及时吸收转化炉管中的热量。因此，为了确保转化炉管中不偏流，在低负载条件下应采取增加氢分布的措施。

3 结语

对于这套制氢设备，在低负载状态下最突出的问题是转化炉管中的介质分布不均匀，并且形成了偏流，这将影响转化炉管和转化催化剂的寿命。在负载低运行时，应采取提高转化水碳比，调整转化反应温度、火嘴，并加大配氢量等措施，可以提高转化炉管内物质流量以从炉管中去除多余的热量。另外，还应通过调整操作系数，控制PSA解吸气中的氢气含量，提高产品氢气的采收率。尽管这些措施可能会增加能源消耗，但它们可以充分保证转化炉管和催化剂的长期平稳运行，生产的负载波动也会随之减小。

参考文献：

[1]郭利昌.干气制氢工艺的优化[D].天津：天津大学，2005.

[2]王辉，常永胜.干气制氢装置低负荷运行时的操作优化[J].石化技术与应用，2012，30（2）：156-159.