制氢装置长期低负荷生产操作要点及运行优化

钱长炜 李鹏 李卫春

（中国石油大港石化公司，天津300280）

氢气已成为石油化工业中不可缺少的重要原料之一。可靠的高纯度氢气供应，有助于把原料转化为低硫的汽油、柴油、航煤及聚烯烃等产品。由于本公司新建连续重整装置投用后，副产品氢气经净化后供应氢气管网，以及下游用氢装置用氢量有限等因素，制氢装置长期处于60%左右负荷运行，低负荷运行对装置关键运行参数及能耗影响较大。

1 装置简介

某石化公司制氢装置，由中石化洛阳石化工程公司设计，中油六建公司承建。于2008 年8 月一次开车成功。装置规模为4×104Nm3·h-1，操作弹性60%～120%，年运行时间8400 小时。采用轻烃与水蒸汽转化和PSA净化的制氢工艺，原料为天然气、脱硫干气等，产品纯度99.9%。本装置由原料增压、预热、加氢脱硫、水蒸气转化、变换反应和PSA净化组成。

2 装置运行现状分析及对策

2.1低负荷运行下主要操作参数调整

装置低负荷运行对转化炉炉管、PSA等设备影响较大。转化炉炉管数量达176根之多，低负荷运行时最突出的问题就是管内物料分布不均，易产生偏流。如物料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。还会导致催化剂表面结碳、烧结破碎，严重影响炉管及催化剂寿命。因此，对相关操作参数进行调整对保护炉管和催化剂有重要意义。

为保护炉管及催化剂，必须调整水碳比，增大转化炉蒸汽配入量，保证物料在炉管中均匀分布。自装置低负荷生产以来，水碳比调整至3.5~4.5之间，远高于设计值3.2。

2.2 低负荷运行下PSA优化调整

PSA作为制氢装置的重要组成部分，它的运行状态直接影响氢气的质量和收率。PSA由10座吸附塔、2台顺放气罐、1台解吸气缓冲罐、1台解吸气混合罐等构成。运行程序为“10-2-4”模式，即10 台吸附塔中始终有2 台处于吸附状态，再生时经过4次均压以提高氢气回收率。PSA的运行由编写好的程序自动进行，程序运行步骤如表2。PSA运行过程中，吸附时间是最主要参数，其设定值直接决定产品氢的纯度和收率，吸附时间越长，氢气收率越高，但吸附时间过长，吸附前沿会过于靠前，产品质量反会下降。

装置低负荷运行期间，脱附气中氢含量高于25%。降低PSA系统脱附气中氢气含量，提高氢气收率，成为PSA系统优化调整的关键点。

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由表1可知，当T1或T2改变后，吸附、顺放、逆放、冲洗等时间都随之改变。就时间设定原则进行分析，可知：（1）T1 时间设定：T1含三均时间（T3）和顺放时间，T1的最小值必须同时保证三均降塔与三均升塔压力均等及顺放完全（即顺放压力≤0.2 MPa），同时T1 最小值还必须保证一均时间足够（即T1 须≥T3）（2）T2 时间设定：T2 含二均时间，T2 的最小值必须保证两塔二均均等。通过对T1、T2、T3、T4 时间设定原则综合考虑，确定PSA优化调整原则为：只增加T1或T2时间，T3、T4保持不变。

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调整T1 逐渐由43 秒增加至53 秒，T2 逐渐由116 秒增加至134秒；在保证产品氢质量的前提下，单塔吸附时间2×（T1+T2）共增加56 秒。如表2 所示，经调整后，在处理量基本相同的情况下，产品氢流量呈上升趋势，脱附气流量呈下降趋势。通过取样分析，解析气中氢含量下降，氢收率上升。

2.3低负荷运行下关键设备设施能耗优化

装置动设备耗电量、蒸汽自用量等是控制装置能耗的几项重要指标。因水碳比高控在4.2左右，导致自用蒸汽量升高，能耗大幅上升。为降低装置能耗，主要考虑从降低装置电耗入手。

实现了HydroCOM 无级调节系统在原料气压缩机上的应用，大幅降低了压缩机的实际功率。按照当前生产负荷，压缩机在60%负荷即可满足工况。按照：节省的压缩机功率＝压缩机额定功率×（1－压缩机负荷），节省的压缩机功率＝2300kw×（1－0.6）＝920kw，月节省电量＝920kw×720h＝662400kw·h，通过换算，仅此一项，装置能耗降低约62.5kgEO/t，节能效果显著。同时，鼓风机电机由工频改造为变频，节省功率96 KW，并计划于下一检修期将引风机也改造为变频运行，预计可节省功率160 KW。通过降低装置能耗，大幅度减少了水碳比高控导致的能耗损失。

2.4 转化炉换热流程优化改造计划

装置投产后，转化炉烟气换热系统运行较差，表现为排烟温度持续偏高、热效率降低、能耗增加。根据DCS 所反映的数据，低温段空气预热器的空气温升为256℃，烟气温降为116℃，温差比约为2.2；高温段预热器的空气温升为135℃，烟气温降为118℃，温差比约为1.14。高温段预热器与低温段预热器的温差比差别很大，而正常情况下，对于同一种换热介质，根据能量守恒，其换热温差比应该是接近的，根据对目前燃料燃烧的模拟，温差比应该在1.4 左右。基于以上情况分析，可能存在以下问题：（1）空气旁路挡板没有完全关闭或存在泄漏情况，导致一部分冷空气走了旁路。（2）低温预热器前的蒸发段有泄漏，有部分高温蒸汽进入烟气。（3）预热器存在泄漏情况。计划检修时对以上三个可能存在的问题进行逐一检查。

同时，针对转化炉原料预热段出口温度较低，排烟温度较高的问题，做出两个改造方案。（1）：优化加氢反应器前原料预热流程，提高原料预热段入口温度。（2）：现有加氢反应器前换热流程不变，在方案一基础上核算转化炉对流段各段换热面积，对对流段进行更换。

3 结语

制氢装置长期处于低负荷运行时，关键参数需进行较大调整。转化炉的结构及运行原理不同于一般加热炉，长期低负荷运行，需重点关注转化炉的运行状况，保证较高的水碳比，防止原料气在转化炉管内偏流，保证炉管及催化剂的寿命。同时，低负荷运行造成了装置能耗大幅增加，通过对PSA 运行的优化、关键动设备运行的优化及烟气流程优化改造计划等一系列措施，最大限度降低了装置能耗，使装置在长期低负荷下实现了安全平稳高效生产。