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探讨制氢装置低负荷工况下的整改方案

2020-10-22 413 上传者：管理员

摘要：某炼厂制氢装置长期处于低负荷工况下运行，存在生产隐患。本论文通过对低负荷工况下生产运行分析，提出了整改方案，调整生产过程中的工艺操作，从而实现了制氢装置在低负荷下平稳安全运行。

关键词：
低负荷
制氢装置
工艺操作
无机化工
转化炉
隐患整改
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某炼厂制氢装置原设计规模8万Nm3/h，操作弹性为50%～110%。该装置采用烃类水蒸汽转化法+PSA净化工艺，其中，烃类水蒸汽转化工艺采用Technip公司先进、可靠、节能的制氢技术，PSA采用成都华西化工科技股份有限公司变压吸附技术。

装置开工投产后，由于全厂氢网平衡的需求，长期在50%低负荷下运转，有时最低负荷仅为正常负荷的30%，产氢量仅为2.4万Nm3/h，正常生产安全运行存在问题。业主决定在装置大检修期间，对制氢装置进行改造，降低装置设计负荷，消除安全隐患，改造后，正常产氢规模为6万Nm3/h，允许操作弹性为40%～110%，即产氢规模为2.4～6.6万Nm3/h。

1、装置工艺流程

制氢装置基本工艺路线主要由：原料升压部分、加氢脱硫精制部分、水蒸气转化部分、高温变换和变换气热回收部分以及PSA净化部分等组成。

原料天然气和补充少量的加氢干气经过压缩机升压，送至加氢和脱硫反应器内进行精制，脱硫合格后的原料气与一定比例的水蒸气混合后，在转化炉内经催化剂的作用转化生成H2,CO,CO2,CH4，回收工艺高温余热后，通过变换反应使CO和水蒸气发生反应生成更多的氢气，变换气冷却回收热量后经PSA提纯工艺，最终获得纯度为99.9%(mol）工业氢。

2、低负荷隐患整改

2.1低负荷运行分析

在低负荷改造前，首先组织专利商对制氢装置在原设计30%负荷工况下运行测试。在测试期间，根据专利商提供的运行测试导则，调整关键工艺参数，评估催化剂运行使用状况，测试核心设备转化炉运行，以及检测炉管表面温度。

在运行测试过程中，采用较高水碳比（摩尔比），适当降低转化炉出口温度，从而提高进转化炉物料总流量，增加转化炉管内介质流量，以保证工艺物料在转化炉内均匀分配，保护转化炉管。

通过将近8h低负荷运行测试，主要问题如下：

1）上游加氢脱硫，原料和蒸汽需求的变化，主要流量元件与原设计参数发生了偏离，表现为流量的显示失真，背离了流量显示范围，调节阀的调整范围幅度发生变化。

2）下游变换工艺，变换反应器后面变换气露点前移，低温工艺热量富裕，从而增加下游冷换设备的操作负荷。除盐水预热器除盐水侧出口温度出现操作波动，造成外来除盐水超温汽化，影响热量平衡。

3）转化炉火嘴测试，PSA脱附气压力有一定程度的下降，火嘴操作存在波动。

2.2改造内容

1）原料升压部分

原料气压缩机利旧，通过调节压缩机旁路回流量满足装置低负荷运行。由于原料气压缩机原设计为两开一备，在产氢2.4～4.5万Nm3/h低负荷运行时，可采用1台压缩机操作，降低装置用电消耗。

针对低工况运行测试，原料天然进装置阀门开度过小，循环氢流量计和调节阀，流量失真，阀门开度小，调节不灵敏。本次改造，更换循环氢流量计FE1003；更换循环氢回路的的条件阀FV1003；更换原料气天然气稳压调节阀PV1001。

2）加氢脱硫精制部分

加氢反应器利旧。氧化锌脱硫反应器仍保留2台，采用串联操作，后面第二级反应器起保护作用，可使氧化锌的利用率达到100%，并可实现不停工更换脱硫剂。

催化剂和瓷球的装填量不变，反应器空速降低。表1为改造后不同生产负荷下加氢脱硫反应器操作参数。

表1改造后不同生产负荷下加氢脱硫反应器操作参数

从表1中可以看出，改造后加氢脱硫反应器入口温度均有所降低，40%负荷下运行时，脱硫反应器（10214-R-102A/B）入口温度与原设计值相比，降低了约50℃左右。调整后的参数，脱硫反应器出口总硫质量浓度扔可以可满足转化催化剂的使用要求。

3）转化部分

在低负荷下，流体在炉管内的流速低，传热系数降低，炉管外壁温度偏高，介质在炉管内的停留时间也越长。其结果，介质越容易结焦，炉管出现红管、花斑现象，影响催化剂和炉管的使用寿命，更为最突出的是转化炉管内介质分布不均匀，容易形成偏流[1]，反应不平衡，导致热量不能及时带出，严重时还会造成某些炉管内催化剂表面结炭，催化剂失活，在高温冲击下甚至破碎。为了稳定装置的安全操作，低负荷工况下，与原设计值相比，需提高水碳比，适当降低转化炉出口温度，保证甲烷含量处于较低水平，表2为改造后不同生产负荷下转化炉操作参数。

表2改造后不同生产负荷下转化炉操作参数

从表2中可以看出，改造后转化炉的出入口温度均有所降低，水碳比提高，40%负荷下运行时，转化炉入口温度与原设计值相比，降低了约80℃，出口出残余甲烷%（干基）降低，转化深度提高。

由于水碳比变化幅度比较大，转化炉操作条件的变化，产汽量也发生了变化，更换转化炉配汽流量调节阀FV1007，更换外送4.0MPa高压蒸汽调节阀PV1045。

转化炉辐射室和对流室利旧，转化炉根数保持不变，由于工艺操作条件的变化，PSA尾气和外补高压燃料气的消耗也发生了变化，因此需要更换火嘴见表3。

表3转化炉火嘴改造清单

4）高温变换和变换气热回收部分

变换反应器利旧，扔采用原设计两段变换，中间取热，提高了CO变换率。

催化剂和瓷球的装填量不变，反应器空速降低。表4为改造后不同生产负荷下变换反应器操作参数。

表4改造后不同生产负荷下变换反应器操作参数

从表4中可以看出，在低负荷下运行时，变换反应器的温升降低。

变换气热回收部分由于转化气中蒸汽组成增加，携带热量较多，除盐水预热器E104出口温度波动较大，除盐水出口温度超指标。本次改造，增设一台脱盐水预热器热旁路调节阀，适应上游工艺参数调整的变化，具体改造后工艺流程见图1。

图1改造后变换气冷却流程

高温变换反应器的变换气首先经过蒸汽过热段Ⅰ（10214-E-102）过热饱和蒸汽，温度由360℃降到297℃。变换气然后经锅炉给水预热器（10214-E-103）预热锅炉给水，温度降到154℃。冷却后的变换气分为3路，一路经脱盐水预热器（10214-E-104）预热自边界来的脱盐水；另一路经中变气低压蒸汽发生器（10214-E-108）发生低压蒸汽用于除氧器及水箱（10214-C-101）预热；多余的变换气经新增脱盐水预热器旁路上的调节阀，与另外2路混合，通过脱盐水预热器（10214-E-104）出口脱盐水的温度来控制调节阀流量，控制脱盐水进除氧器及水箱（10214-C-101）的温度在97℃左右。考虑3路并联操作，在脱盐水预热器（10214-E-104）变换气入口增加一个手阀，用于控制3路的流量分配。

3、改造前后物耗和能耗对比

烃类水蒸气转化制氢装置的能耗构成中，原料、燃料气和外输蒸汽所占比重较大，约占95%以上[2]。因此装置能耗仅对这3项进行比较，表5为改造后不同生产负荷条件下装置物料消耗对比，表6为改造后不同生产负荷条件下装置单位能耗对比。

表5改造后不同生产负荷下物料消耗

表6改造后不同生产负荷下单位能耗（kg标油/1000Nm3氢气）

从表5,6中可以看出，装置在低负荷运行时，总能耗均高于设计值，其中在40%负荷下，原料的单耗最低，但燃料气单耗和外输蒸汽的单耗最高，因此总的综合能耗最高。

4、结束语

通过对8万Nm3/h制氢装置低负工况下的运行分析，优化装置操作，通过调整工艺参数，更换和新增部分仪表元件，改造转化火嘴满足低负荷下工艺要求等整改方案，适应了全厂氢气需求，从而保证了装置的长周期平稳运行。

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[J].石化技术与应用,2012,30(2):156-159.

[2]裴增帅.制氢装置综合能耗的影响因素[J].化工技术与开发,2016,45(6):69-72.

刘书朋.制氢装置低负荷工况下运行整改[J].石化技术,2020,27(10):88-90.