制氢装置低负荷运行时的操作优化

安兴旺 邹志恒

摘要：近年来，科技进步和时代发展，为我国炼油领域创新改革带来重大机遇，为了更好降低柴油比，提升企业经济效益，则需要从装置状态运行方面入手，注重设备的优化和完善，降低制氢装置负荷的同时，不断提升氢气的回收和利用率。鉴于此， 本文将注重分析制氢装置低负荷运行时操作方式方法，并进行质量控制，旨在促进制氢装置低负荷优化。

关键词：制氢装置;低负荷;操作优化

前言：制氢装置低负荷运行过程中需要严格控制其水碳比例，尽量降低转化反应的温度，还要注重控制转化炉炉膛的横面温度控制在30摄氏度，确保炉膛温度适宜，并且合理利用变化的余热避免出现设备温度过高。否则，当制氢装置低负荷运行，其操作方式和设计指标存在的差异较大时，往往会造成转化炉内的物料出现偏离的情况，严重影响炉管以及转化催化剂的使用年限[1]。

一、制氢装置工艺流程介绍

某炼化企业内部制氢装置设计生产的纯度需要控制在99.9%以上的氢气，而且所生产出的产品需要供煉油厂2.0MPa的氢气管网，用于柴油加氢、加氢裂化、渣油加氢装置的补充氢气存在。造气单元催化剂采用的是某发达国家生产的一种全系列的催化剂。工艺流程如图1所示：

氢气装置的设计以天然气加炼厂气作为原材料，实际生产加工过程中若是仅采用含硫量较低的天然气作为制氢原料，其中甲烷、氮气摩尔分数分别为95.53%、0.47%。

二、制氢装置低负荷运行操作优化

首先是调整转化反应的水碳比。由于水碳比作为转化炉内催化剂中十分敏感的工艺参数之一，已符合工艺控制指标要求为前提装置，在正常生产复杂的过程中降低转化反应的水碳比往往会对整体的节能降耗有着十分理想的效果。而在低负载生产的情况下，当原料气的量相对较低时，会造成原料气在每根转化炉管内分布不够均匀出现偏流等情况，再加上原料主要是因为空速小流速低所造成的，无法处于平稳的状态，特别是在严重的情况下往往会导致转化炉内催化剂的表面积碳，从而导致催化剂出现活性。而转化炉炉管的外壁局部温度过高时，也会造成转换管上出现斑点影响催化器使用寿命，因此在低负载的生产条件下，可以不断的提高其水碳比来增加原料的总体流量，特别是在低负载状态下使用更大的水碳比转化率往往也需要较大的蒸汽量。而通过提高自产3.5mpa中压过热蒸汽来增加蒸汽用量是虽然往往会造成能源消耗的增加，但是却可以有效提高其转化率，从而使水碳比不匹配以及转化炉原料气不均匀，这些情况得到有效的缓解。

其次是调整火嘴。在处于低负荷的状态下，由于原料气流速相对较低，因此无需转化反应温度过高，但是仅通过点燃转化炉的一部分火嘴来保持低温时，往往会造成炉管局部过热或是偏烧的状态，甚至会造成管路加速蠕变以及强度的明显降低，甚至会出现红管弯曲等现象。因此，为了更好地满足转化反应所需要的温度，可以将转化炉中所有的火嘴点燃，减少进入火嘴的燃气量，适当的调低每个火嘴的火焰。这过程中要严格监控转化炉内的温度，并且及时控制炉内出口以及管壁之间的温度差。在正常生产操作的过程中也需要定期对于炉管加以测试确保每个炉管壁的温度差小于三十摄氏度。一旦温差过大时要及时调整温度。确保炉内温度分布更加均匀。

再次是配氢量的优化操作。为促使原料能够有效的脱硫作物必要维持恰当的情绪对于原料的比例。确保以更加适当的流速将氢气注入到原料管线中，维持理想的氢气与原料的比率，将原压机入口配清亮，以实际的原料天然气量为依据。特别是在低负载生产情况下，若是想进一步增加前期含量，也可以在某种程度上避免原料气再转化炉内分布不均匀所造成的偏流，因此可以及时吸收转化炉管中存在的热量，避免出现偏流的情况。

最后是操作优化措施清晰，装置中PSA所产生的解吸气体在进入转化炉，能够为转化炉提供更加丰富的燃料，而解吸的气体中往往包括更加高浓度的氢气，若是使用大量氢气作为燃料时，产品中的氢气回收率较明显较低。再加上含量高的燃料气体，在转化炉内燃烧时，一旦火焰温度超过3000摄氏度时，火嘴调整不够理想时，甚至会出现红管。催化剂积碳就是长时间高温火焰接触炉管，甚至可能导致炉管温度过高而造成破坏，因此在不同的生产负载条件下，保证产品的清纯度至关重要，并且还要确定其在合理的控制范围内，并在这一过程中尽可能的提高操作参数，延长吸附的时间。

三、制氢装置低负荷运行质量控制

对于氢气装置而言，氢气的质量会直接影响甚至决定装置的整体使用寿命和运行周期，因此，高质量的氢气来源于制氢装置或氢平衡提纯单元，如何在更好地保证产品质量的同时，提高氢气的回收效率，需要从以下几方面入手，首先要结合化验分析成绩，遵循因地制宜的原则，结合客观情况，及时对吸附的时间加以调整和优化，确保产品质量的同时减少解吸气中氢气的含量，并提升氢气的整体回收效率。其次，在检修期间，需要适当的对于程控阀进行返场和维修，及时更换密封面中可能出现老化的零部件，减少不必要的故障和内漏情况出现，最后当吸附塔程控阀内出现泄漏，使需要及时切除该塔，减少因程控阀内漏而造成的其他吸附塔中的吸附剂出现污染。

结论：总而言之，制氢装置低负荷运行的过程中，很容易造成转化炉管内部的物料偏流，从而影响整体炉管和转化剂的使用寿命，因此通过合理控制其水碳比，能够保证内部的每根炉管介质分布均匀，在更好地满足转化率的基础上，严格控制其出口温度的分布，并逐步降低反应的苛刻度，能够有效延长催化剂以及炉管的整体使用寿命。在今后施工和生产过程中，要适当的提高转化的水碳比，并及时调节其反映的温度，适当的加大配氢量等多种措施，或是调整操作的系数，控制PSA解吸气中的含氢气含量，才能够不断提高产品氢气的回收率促使转化炉管或催化剂长期平稳运行。

参考文献

[1] 王辉， 常永胜. 干气制氢装置低负荷运行时的操作优化. 中国化工学会， 2013（06）：187+191.

中国石油天然气股份有限公司华北石化分公司