制氢装置长期低负荷生产操作要点及运行

徐沛元

摘 要：现阶段，石油化工企业在生产过程中，制氢装置在长期低负荷运行的状态下，使得能源消耗量增加，因此应对其进行优化处理，降低装置能源消耗。基于此，本文结合装置的运行参数、制氢原料以及装置低负荷运行操作的调整进行细致分析，以此为关注这一话题的人士提供参考。

关键词：制氢装置;低负荷生产;操作要点

氢气作为石油化工企业中重要的原料之一，在企业的发展中发挥着重要的作用。氢气的高纯度供应，为原料转化成低硫的汽油、柴油等起到一定的推动作用。由于在运行的过程中，制氢装置长期处于低负荷的运行状态，造成能源消耗增大，因此需要提高水碳比、增加配氢量等对全厂氢气管网的平衡进行维持。

1 装置简介

1.1 工艺原则流程

中国石化海南炼油化工有限公司制氢装置由原料加氢脱硫、原料蒸汽转化、转化气的中温变换以及中变气的变压吸附氢气提纯以及余热回收系统组成。烃类水蒸气转化法造气和变压吸附氢气提纯的工艺，生产工业氢气，其纯度高达99.9%以上。产量为6×104Nm3/h，为全厂提供2.0MPa的氢气管网，另外的少量纯度达99.99%的氢气将送到聚丙烯装置，副产品为吸附尾气，作为转化炉的燃料进行使用。

1.2 制氢原料

制氢装置的原料为渣油加氢装置提供的（RDS-PSA）变压吸附尾气、天然气、液化气和石脑油。变压吸附（RDS-PSA）尾气供应量不足时，先以天然气作为主要的补充原料，天然气不足时，需要对罐区提供的液化气和石脑油作为补充原料，进行氢气的生产。

1.3 运行参数

制氢装置在低负荷运行过程中，应优先保护设备和催化剂，对水碳比的参数进行相对调整，从而对催化剂、转化炉等设备进行保护，在这基础之上，对节能进行优化处理，主要操作参数与正常生产的参数对比差异较大。生产负荷在30%时，加氢反应入口温度为345℃，转化炉炉膛温度为890℃，转化炉入口温度为485℃，转化反应水碳比为5-6，转化气体残余甲烷体积分数为1.5%左右，产氢量为20000Nm3/h，当生产负荷在100%时，加氢反应入口温度为365℃，转化炉炉膛温度为960℃，转化炉入口温度为480℃，转化反应水碳比为3.8-4.2，转化气体残余甲烷体积分数为4.5%，产氢量为6×104Nm3/h。

2 装置低负荷运行操作调整

2.1 加氢反应器操作

2.1.1 实施预处理

在制氢装置中需要根据原料类型规范预处理流程，以便在长期低负荷生产中依旧具备良好的制氢功能。其温度应低于430℃且高于350℃，促使预处理环节原料质量有所上调。在预处理环节主要涉及到加氢与脱硫脱氯反应。在应用石脑油以及天然气作为制氢原料时，为了确保原料供应的稳定性，需要利用精准把控天然气供应量的形式调节制氢产量，以免影响制氢效率。同时，还需在控制脱硫反应器内对出口硫含量予以检测，便于控制转化催化剂中毒现象的出现，从而在低负荷下生产出适量氢气。

2.1.2 实施配氢操作

之所以需在制氢装置低负荷生产状态下增加配氢环节，主要源于以下三种原因：一为保证原料进入到转化炉后能够始终呈现热平衡趋势，以免炉膛内温度下降，增加转化炉损坏率;二为针对制氢原料中含有的有害硫成分，配氢可对其脱硫效率起到促进作用，从而确保转化催化剂性能不受影响;三为在制氢装置中，适当增加配氢量，以达到装置处于部分循环的目的，保证转化炉入口的原料气不低于最低流量。

2.1.3 边循环边进料

制氢装置在运行的过程中，当进料少或者停止进料时，能够使全厂的氢气管网维持一定的平衡。因此，需要将该部分的中变气回压缩机循环运行，切记在循环之前应将加氢反应器切除，使原料中的气体改变流程。一般而言，在低负荷下实施制氢操作，中变气所含的一氧化碳、二氧化碳，在其进入加氢反应器中，会与氢气发生化学反应生成甲烷，甲烷化反应是体积缩小的强放热可逆反应，会导致床层出现温度升高的现象，严重时会出现飞温。

2.2 转化部分的操作

2.2.1 提高水碳比

水碳比作为烃类--水蒸气转化法制氢的重要参数，在制氢装置低负荷运行的状态下，需要调整水碳比，增加转化炉炉管内的介质流量，使物料均匀分布在288根炉管内，预防偏流现象的发生。在水碳比控制的过程中，容易出现控制过高的现象，会使燃料的蒸汽的消耗过量，影响节能降耗;过多的水蒸气会使催化剂活性降低，影响催化效果。由于在该制氢装置中所采用的转化催化剂成分为氧化镍，故而应根据制氢量的要求确定水蒸气转化气的含量，以免催化剂不能发挥其作用，失去活性;中变气中水蒸气含量不断升高，致使换热设备温度过高。

一般而言，虽然制氢装置水碳比偏低状况下将引发催化剂结碳现象，但由于制氢装置中具备的消碳功能较强，进而削弱了结碳风险。为了确保制氢装置能在低負荷状态下达到最优化制氢效果，需适当增加水碳比，并对反应器以及转化炉管内部空速予以保证，否则将引发偏流状况，一旦空速过低，将导致转化管等设备发生超温的风险增加，从而不利于设备的安全长周期运行。通常情况下，在合理范围内增加水碳比可以保证进入转化炉的物料不低于设计的最低流量，促使转化管内部气体实现均匀分布，最终可在有效防护下保护设备和催化剂，以此为制氢装置低负荷生产操作提供重要保障，既能保障设备的使用年限，又能促使制氢装置提供适量的氢气。

2.2.2 控制好转化炉温度

转化炉温度也是烃类--水蒸气转化法制氢的重要参数，制氢装置属于强吸热转化反应，升高转化炉的反应温度，能够促进转化率的提高，从而有效降低转化的气体中甲烷的含量。转化炉炉管材质为HP40Nb，属于高温合金材质，其设计使用寿命为10万h，炉管管壁温度设计为916℃，控制炉膛温度应小于1000℃，炉膛同一水平面的温差应≤100℃，各炉管温差≤30℃。本装置转化炉为顶烧炉结构，炉膛内有105支火嘴呈7排分列，炉内炉管共288根，呈6排分列，每排48根，其中顶烧炉嘴下方1-3m

处温度最高。制氢装置低负荷运行时，原料使用量较少，导致炉管内上下温度差过大，影响炉管的使用年限。因此，在生产过程中，燃料气以变压吸附（PSA）系统副产品解吸气为主，再进行少量管网瓦斯的补充，同时对火嘴、风门、烟道挡板进行调节，将炉前瓦斯的阀门关小，控制炉内的氧气、负压含量，使火嘴完全燃烧，控制炉内火焰，防止出现炉管局部过热现象。对火嘴进行调整，保证炉内各温度均匀分布，在制氢装置生产负荷在30%时，加氢反应入口温度调整为345℃，转化炉炉膛温度控制在890℃，转化炉入口温度调整为485℃。由于在运行过程中，炉管内物料的空速低，以此需要降低炉口温度，保证转化气甲烷含量符合规定，与此同时降低炉管的外壁温度，避免出现红管花斑现象的发生。

2.2.3 增加转化炉监控设备

转化炉炉膛的设计温度测点有16个，因此在平时的工作中，无法对这些测点进行全方面监控，对炉膛内的温度进行掌控。基于此，2014年12月中国石化海南炼油化工有限公司在炉膛内安装了红外在线温度场检测与炉管安全报警系统，方便对炉膛内温度的监控，并增加工业电视监控系统，能够对炉管裂开时及时采取补救措施，保证制氢装置的稳定运行。

3 结论

综上所述，制氢装置长期低负荷运行给制氢工作带来很大的负面影响，因此在操作过程中，应对转化炉的进料、温度、均匀分布进行控制，防止甲烷含量超标，降低装置的能源消耗，使催化剂发挥最大作用，最大程度保证设备的正常运行。

参考文献：

[1]陈红亮.制氢装置长期低负荷生产操作要点及运行[J].化工设计通讯，2020，46（06）：179+183.

[2]钱长炜，李鹏，李卫春.制氢装置长期低负荷生产操作要点及运行优化[J].化工管理，2020（09）：130-131.

[3]曾森.制氢装置低负荷运行时的应对措施[J].中国石油和化工标准与质量，2018，38（19）：133-134.