制氢装置低负荷运行时的操作优化

李 凯（陕西延长石油（集团）有限责任公司永坪炼油厂联合三车间，陕西延安 717208）

摘 要：介绍了永坪炼油厂联合三车间20000m³/h干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。低负荷运行最突出的问题就是容易导致转化炉管内介质分布不均匀，形成偏流。须采取降低加氢反应器空速和入口温度，提高转化炉水碳比，加大配氢量等措施，以增加转化炉管内介质流量，带走炉管内过多的热量。另外，还应有效控制变压吸附（PSA）解吸气中的氢气含量，适时对中变气进行切水操作，保持生产负荷提降量平稳。

关键词：干气；制氢；蒸汽转化；低负荷；操作优化；加氢反应器；转化炉；水碳比。

      永坪炼油厂联合三车间2 万标立/时制氢装置于2014 年4 月11日开工，至12 月底累计产氢5317吨，产氢纯度均在指标范围（>99.91），PSA氢气回收率90.31%，各项指标均满足设计要求，装置负荷为60%-70%且运行良好。而装置于2015年8 月份受140万吨/年柴油加氢装置加工量降低影响，产氢量降低且2016年装置一直处于低负荷生产状态，长期在45%-57%的生产负荷下运行，当制氢装置处于低负荷运行时，其操作方式、操作参数等与设计指标（满负荷）存在一定的区别。现结合装置实际运行情况，通过对低负荷运行参数与设计指标进行比较分析，提出一些制氢装置长周期低负荷运转的优化操作措施。

1、装置简介

     20000Nm3 /h制氢装置，年操作时数8000h，操作弹性为50-100%，氢气回收率90%，氢纯度99.9mol%。产品工业氢气供140 万吨/年柴油加氢装置和90万吨/年汽油加氢装置使用，同时副产中压蒸汽送至系统管网。制氢装置以催化干气为主原料，加氢干气为辅原料，石脑油为备用原料，根据原料中烯烃含量大的特点，原料精制采用变温反应加绝热加氢工艺，变温反应完成原料中绝大部分烯烃饱和，绝热加氢进一步将剩余的烯烃转化为烷烃，同时将原料中的有机硫转化为无机硫。原料转化采用蒸汽转化法工艺，合成气净化工艺选用成熟的变压吸附净化法（PSA 净化法）。

2 、装置低负荷运行时的操作优化

2.1 操作参数

      装置于2014年4月11日开工，至12月底累计产氢5317吨，产氢纯度均在指标范围（>99.91），PSA 氢气回收率90.31%，各项指标均满足设计要求，装置负荷为60%-70% 且运行良好。而装置于2015年8月份受140万吨/年柴油加氢装置加工量降低影响，产氢量降低且2016年装置一直处于低负荷生产状态，长期在45%-57% 的生产负荷下运行，2016年制氢装置运行负荷较低，面对这种工况装置如何长周期运行，就必须采取各种优化的操作手段，保证装置低负荷运行时平稳、安全。

2.2 加氢反应器操作优化

      装置低负荷运行时，控制好变温反应器入口温度 (230- 250℃ )、加氢反应器入口温度（加氢反应器的入口温度比设计指标低80-90℃）。原料烯烃含量每增加 1%（体积分数）时，可导致床层温升达23℃。当原料中烯烃含量增加过多，导致床层温升过大时，会损坏催化剂和反应器。因此应密切关注原料组分特别是其中烯烃含量的变化情况( 永坪炼油厂催化干气烯烃含量为8-20％ )，当烯烃含量增加时，需相应降低反应器入口温度。反应器入口温度的控制将影响催化剂及设备的使用寿命，在低负荷操作时：①时刻注意原料气组成的变化，发现波动及时调整、反馈；②认真执行反应器操作指标。

2.3 转化炉操作优化

2.3.1 转化反应水碳比

      转化反应水碳比是转化炉内转化催化剂最敏感的工艺 参数。正常生产负荷下，在满足工艺控制指标要求的条件下，尽可能的降低水碳比，对节能降耗有着非常显著的作用。但在低负荷生产时，过低的处理量容易导致物料在每根转化炉管内的分布不均衡，产生偏流，同时物料的流速低，空速小，还会导致热量不能及时带出，严重时甚至会造成某些炉管内催化剂表面积炭，催化剂失活，炉管外壁局部温度偏高，造成炉管发生红管、花斑现象，影响催化剂和炉管的使用寿命。因此在低负荷生产时，要采用较高的水碳比，提高物料总流量，使物料在炉管内分布更均匀，增大物料的流速和空速，将热量及时带走，以有效延长炉管和催化剂的使用寿命。较高的水碳比虽然能耗增加，但提高了转化率，避免了水碳比失调以及转化炉脉冲进料等不利因素，可防止催化剂积炭。

2.3.2 转化炉火嘴的操作

      低负荷生产时，由于空速低，因此只需较低的转化反应温度，这就有可能会导致炉管偏烧及炉管局部过热，甚至有可能引起蠕变加速和持久强度的急剧下降而导致炉管弯曲、红管等蠕变现象。因此通过降低进火嘴的燃料气量，将每个火嘴的火焰调小，以满足转化所需温度即可。同时，要密切监控转化炉管，严格控制炉管管壁温差和炉管出口温差。所以操作中：①在生产运行过程中，除仪表在线控制外，定期对炉管进行检测，确保各个炉管管壁的温差不大于30℃ -50℃。监测到如果管壁温差偏大，要及时调整火嘴的燃烧状态，特别是要防止炉火扑管，消除炉管局部过热，使管壁温差回落到正常范围内，保证转化炉炉管受热均匀；②通过监控炉管火焰燃烧情况，及时调整火嘴操作，使炉膛温度分布均匀，保证各个转化炉管出口的温度也分布均匀。

2.3.3 转化反应温度

      提高转化反应温度，可以降低转化气中残余甲烷的含量。常规制氢转化反应温度约为750℃，采用 PSA 提纯的制氢装置，为了抵消压力提高对转化反应的不利影响，转化反应温度可以提高至820℃。实际上，转化反应温度与空速、水碳比是互相关联的。在转化气残余甲烷含量符合工艺要求的前提下，可根据具体的情况进行温度调节，尤其在低负荷生产时，由于空速低，又采用了较大的水碳比，转化反应温度低于750℃时，同样也能保证转化气中残余甲烷含量低于控制指标。

2.4 配氢量的优化

      装置满负荷生产时，完全可以停止循环配氢，仅用原料自带氢气即可。但在低负荷生产时，则需要加大配氢量，这样能在一定程度上避免物料在转化炉管内因分布不均而造成的偏流，避免转化炉管内的热量不能被及时带走的问题。为保证转化炉不偏流，装置低负荷时采用全量循环配氢的措施。

2.5 PSA 的操作优化

      PSA 产出的解吸气进入转化炉，与炼厂瓦斯气共同为转化炉提供燃料。解吸气中含有相当高程度的氢气，过多的氢气被当作燃料使用显然不利于节能降耗，而且高含氢的燃料气在转化炉内燃烧时，其火焰前锋温度会超过3000℃，如果火嘴调节不当，出现火焰过大过长，产生偏烧、扑炉管现象，就有可能导致红管、积炭的事故，如果出现高温火焰长期接触炉管的情况甚至会导致炉管超温损坏。因此在不同生产负荷下，在保证产品氢纯度和其中（CO+CO2）含量均在指标控制范围的前提下，要尽量增大操作系数，使吸附时间尽可能延长，以有效降低解吸气中氢气含量，同时提高氢气的回收率。

3、结束语

      对于制氢装置而言，低负荷运行最突出的问题就是容易导致转化炉管内介质分布不均匀，形成偏流，进而影响炉管及转化催化剂的寿命。当生产负荷低时，须采取降低加氢反应器空速和入口温度，提高转化炉水碳比，加大配氢量等措施，以增加转化炉管内介质流量，带走炉管内过多的热量。另外，还应有效控制 PSA 解吸气中的氢气含量，适时对中变气进行切水操作，尽可能保持生产负荷提降量

      平稳等。这些措施虽然会增大装置的能耗，但却能充分保证转化炉管和催化剂的稳定运行。

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