制氢装置低负荷运行的操作分析

刘晓丽

(中海油石化工程有限公司，山东 青岛 266101)

某厂50000Nm3/h制氢装置采用烃类水蒸汽转化与PSA净化提纯的工艺生产氢气。受全厂氢气平衡的影响，目前装置长期处于低负荷运行状态，产氢负荷仅为设计值的50%左右，低于设计操作弹性的下限值(60%设计负荷)。

基于装置目前的生产和操作状况，通过对低负荷运行参数与设计指标进行比较，评价装置的操作运行情况，为进一步优化操作提供依据。

1 流程简介

1.1 工艺流程

制氢装置生产纯度为99.9%(mol)的氢气，装置主要由原料气压缩、原料气精制、转化及余热回收、变换及变换气换热冷却、变压吸附氢提纯、锅炉给水及蒸汽发生等部分组成。工艺原则流程图见图1。

图1 制氢装置工艺原则流程图

1.2 原料

制氢装置设计原料为天然气，实际加工原料采用重整氢提浓PSA解析气为主，补充了少量天然气。原料中要求含氢2%～5%(mol)，重整PSA解析气氢气含量58.57%(mol)，重整PSA尾气和天然气混合进料中氢含量远高于要求的指标，故不需要再配入氢气，原料组成见表1。

表1 原料组成

表1(续)

2 工艺操作参数分析

2.1 主要工艺操作参数分析

表2列出主要工艺操作参数，并与设计值进行对比。重整PSA解析气中含有烯烃，故加氢反应器的操作温度略低于设计值，以保证烯烃饱和放热升温不会导致反应器温度超出催化剂热点温度；装置处于低负荷状态，装置压降小且氢产品压力低于设计值，相应的各个反应器的压力均低于设计值。

表2 工艺操作参数

表2(续)

2.2 反应器参数分析

2.2.1 加氢反应器

2.2.1.1 操作条件

钴钼催化剂在进行加氢脱硫时，操作温度通常控制在350～380℃范围内，压力通常控制在3.0～4.0MPa(g)。当温度低于320℃，催化剂活性较低，加氢效果下降；温度超过400℃时，催化剂表面会出现聚合和结碳。加氢反应器实际操作温度337℃，操作压力2.28MPa(g)。

2.2.1.2 空速

空速对加氢反应有较大影响，空速增大，原料在催化剂床层中停留时间缩短，反应不完全，故欲使原料中有机硫达到一定加氢程度，最好在较低空速下进行[1]。但为了提高生产能力，在保证出口硫含量满足要求的前提下，通常采用尽可能高的空速，一般气体空速范围为500～1000 h-1。

由表2可知，进入加氢反应器的原料为10133.5Nm3/h，催化剂选用西北化工研究院开发并生产的T201型钴钼加氢催化剂，一次装入量为19.17 m3。

空速=10133.5/19.17=528.6 h-1

加氢反应器空速的设计指标为805 h-1，实际空速满足设计要求。

2.2.2 脱硫、脱氯反应器

2.2.2.1 操作条件

中温型脱硫剂要求操作温度为200～380℃，最高活性温度要求大于350℃，特别是在催化剂使用末期，提高一点反应温度，对提高硫容量，延长更换周期都有利，但不能超过400℃，以防止烃类热裂解而造成结碳；提高压力对提高反应速度有利，一般在常压～4MPa(g)范围内使用。

脱硫、脱氯反应器操作温度为320℃，操作压力为2.28MPa(g)；操作温度和压力的设计指标分别为370℃、3.2MPa(g)，操作温度和压力低于设计指标。

2.2.2.2 硫容

脱硫反应器入口H2S的平均浓度C为6ppm，气体流量V气为931.9 m3/h，有效运转时间t为3年，年操作时间8400h，脱硫剂选用T305型，一次装入量为34.56 m3，堆密度为1.1～1.3kg/L， 则脱硫剂装填重量G为41472kg。

硫容=(C×10-6×32/22.4×V气×t)/G×100%=0.48%

实际硫容远低于350℃时T305脱硫剂36%的饱和硫容，大大延长了脱硫催化剂的使用寿命。

2.2.3 中变反应器

2.2.3.1 操作条件

中温变换的作用就是将转化工艺气中大量的CO转换成CO2以便尽可能多产H2，并使气体容易净化得到较纯氢气。为了提高CO转化率，宜采用较低的反应温度，中变操作温度一般采用330～380℃；反应平衡不受压力的影响，但增加压力能加快反应速度，当压力高于2.0 MPa(g)，变换率提高就不明显了。

中变反应器操作温度为330～376℃，操作压力为2.16 MPa(g)；操作温度和压力的设计指标分别为340～408℃、2.6MPa(g)，操作温度和压力虽然略低于设计指标，但在设计推荐值范围内。

2.2.3.2 中变变换率

转化气进中变反应器组成的CO浓度设计值为13.03%(mol)，实测值为9.95%(mol)；分液罐出口中变气组成中CO浓度设计值为2.79%(mol)，实测值为1.60%(mol)，通过计算，中变变换率设计值为76.45%，实测值为82.6%。实测的中变变换率高于设计值，说明CO的转化率比设计值高，反应更完全。

2.3 转化反应参数分析

2.3.1 水碳比

装置低负荷运行时，物料在转化炉管内难以均匀分布，容易产生偏流，使炉管局部受热不均，严重时炉管会出现红管、花斑现象，同时由于低流速，低空速，热量不能及时带出，严重时会造成某些催化剂失活，影响催化剂和炉管的使用寿命[2-3]。

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，减少催化剂结炭，延长催化剂和炉管的使用寿命。但是提高水碳比相应的也增加了能耗，本装置水碳比的设计指标为3.2。

由表2可知，3.5MPa蒸汽配气量为32600kg/h，进入加氢反应器的流量10133.5Nm3/h，实际碳流量为10095Nm3/h，故

实际水碳比=32600×22.4/(18×10095)=4.02

2.3.2 碳空速

碳空速越大，原料在转化催化剂床层停留时间越短，反应不完全，使转化炉出口残余甲烷升高，转化催化剂结炭增加，Z417/Z418碳空速一般为1000～2000 h-1。

进入转化炉碳流量为10095Nm3/h，转化催化剂选用Z417/Z418,一次装入量为12.8/17.27m3。故：

碳空速=10095/(12.8+17.27)=335.7 h-1

转化反应碳空速的设计指标为835 h-1，实际碳空速远低于设计指标。

3 能耗分析

装置设计产氢量为5.44t/h，标定期间实际产氢量为2.87t/h，能耗分析见表3。

表3 能耗分析

表3(续)

由表3可知，本装置原设计能耗为1286.8Kg标油/t纯氢，标定期间实际能耗为1435.21 Kg标油/t纯氢，高出设计值12%，原因分析如下：

(1)装置低负荷运行时，机泵等动力设备效率降低，耗电量比较大，电耗较高；装置调整负荷后，循环水冷器没有进行调整，因此循环水消耗总量变化不大，但是单耗明显上升[4]。

(2)由于标定在低负荷工况下运行，操作水碳比4.0高于设计水碳比3.2，导致外送蒸汽量降低，装置实际能耗增加。

(3)净化风设计消耗量为700 Nm3/h，而实际消耗量为11472 Nm3/h，相对于设计能耗，净化风的实际能耗增加了很多，这是因为转化炉工业电视探头需要用大量的净化风来降温，而设计时没有考虑这种工况下的用风量。非净化风主要用于压缩机活塞杆的降温，所占能耗很小。

4 结语

装置低负荷运行对关键设备操作参数有较大影响，通过降低加氢反应器入口温度，增加配汽量，从而增大水碳比等措施，使装置能够平稳运行，建议在保证氢气平衡的前提下，尽量降低装置能耗，提高精细化操作水平，增加节能设施，降低装置电耗，从而使产氢成本降低。