浅谈天然气制氢装置运行中的安全操作技术

谢先锋

摘 要：天然气制氢属危险化学品生产行业，其生产安全尤为重要。本文以金钼业集团公司800Nm3/h天然气转化制氢装置为例，着重介绍了天然气转化制氢装置在生产运行中各个阶段的一些安全操作技术及安全注意事项，以确保天然气制氢装置长周期安全、稳定地运行。

关键词：天然气制氢;安全;操作;技术

0  前言

金钼集团相继建成投产2套800Nm3/h天然气转化制氢装置，制氢岗位人员大多是转岗而来，初次接触制氢专业，因此需进行全面的岗位安全技能培训，才能确保制氢站安全、稳定、高效运行。

1、天然气转化制氢装置简介

天然气制氢，首先自外界来的0.2MPa天然气经压缩机加压至1.2MPa、预热至350～400℃，然后脱硫至总硫含量小于0.2PPm，再与装置余热自产的1.2MPa蒸汽混合、加热至500～600℃，进入装有镍催化剂的转化管内在980～1050℃的环境下进行反应，制得720～860℃富含H2、少量CO、CO2的转化气，转化气经余热回收至常温后，最后经变压吸附提取H2，杂质解吸气返回转化炉燃烧为反应提供热量。其原料、中间产品和产品大多属于易燃、易爆、有害介质，生产过程高温高压;其主要生产装置火险类别为甲类，爆炸危险区域划分为2区，是企业和地方政府的重点防火、防爆单位。

2、天然气制氢装置安全生产技术要点

2.1  装置开车

整个开车过程包含系统氮气循环升温、脱硫剂天然气加氢升温还原及转化催化剂蒸汽升温、转化催化剂加氢还原及投料轻负荷生产等三大阶段。

2.1.1  防置换不合格：装置开车前必须用氮气（N2≥99.9%）对整个装置工艺气系统的设备、管道进行彻底置换，直到在装置内多点取样分析氧含量≤0.5%方为合格，否则有发生燃烧或爆炸的危险。

2.1.2 防气体泄漏：氮气置换合格后，充氮升压，按气密实验技术要求进行系统气密试验，彻底消除所有漏点。

2.1.3防点火爆炸事故：转化炉烧嘴点火操作，必须按规程先放入火源后缓开燃气阀门。如第一次點火不成功，禁止马上进行第二次点火;需待入炉膛的天然气被置换并分析合格后，才能进行第二次点火。否则极易发生炉膛燃气爆炸事故。

2.1.4 防温度骤变：点火升温初期时，温升速率控制在10～20℃/h为宜，超过30℃/h则有产生热应力而至变形的危险;升温阶段后期温升速率也须控制在50℃/h以内。

2.1.5  防蒸汽管道水击现象：转化催化剂从氮气循环系统升温切换为蒸汽升温时，导入蒸汽前一定要先进行暖管操作，即缓慢引入少量蒸汽进入将要投用的工艺蒸汽管道，进行管道预热，然后通过导淋阀排净冷凝水。否则易发生水击现象，发生损伤损坏管道及设备的危险。

2.1.6  防转化气余热锅炉管壳层间压差温差太大：转化炉蒸汽升温阶段，其蒸汽介质需在转化气余热锅炉后放空，如放空阀全开，则其前端压力接近为零，于是造成转化气余热锅炉管壳层间压差温差过大，易损伤余热锅炉。因此升温蒸汽介质放空时，在保证工艺蒸汽流量的前提下，维持放空前端设备的压力越高越好，即余热锅炉管壳层间压差越小越好。

2.1.7  防脱硫系统温度飞升：MF-2脱硫剂中的MnO2和Fe2O3等使用前需用H2还原，由于还原反应放出大量热，如果控制不当，则可能发生脱硫剂床层温度“飞升”现象，损坏脱硫剂和设备，所以脱硫剂的升温还原应严格按规定程序进行。如出现30s内升高50℃的温度飞升现象，应采取停止加热和配氢，加大气量带走床层反应热，以迅速控制床层温度不超过500℃，整个床层飞温消除后，方可继续正常升温。

2.1.8  防一次投料过多

转化催化剂加氢还原阶段的工艺介质为脱硫合格后的天然气、蒸汽及少量氢气，此时的催化剂活性低，如投入天然气过多，则极易发生结碳损伤催化剂的危险;因此操作时，投料量一般控制在设计负荷的10%左右。

2.1.9  防下段工序影响上段工序

轻负荷生产阶段，合格的转化气需进入下段变压吸附（PSA）工序进行氢气提纯，而此时的PSA压力往往较低，且各吸附塔间压力高低不同，此时如全开转化气出口阀，将造成转化工序压力、流量、温度的大幅波动，甚至发生事故。因此导转化气操作，应缓慢开启出口阀，阀门开度以维持转化工序设计压力为准，当PSA工序正常后，再全开转化气出口阀，以避免转化工序的大幅波动。

2.1.10  防炉膛温度大幅波动

PSA工序运行前，转化炉以天然气燃烧提供热能，当PSA工序运行后即有解吸气产出，需将解吸气导入转化炉燃烧，替代部分燃料天然气。导解吸气操作遵循“先减后导”原则，即每个燃烧器进行先减天然气，后缓慢开启解吸气阀的操作，并观察燃烧情况。解吸气导入燃烧后，对烧嘴燃烧情况、炉膛温度分布情况、炉膛负压、烟气氧含量等的调整十分重要，以防脱火、回火、后烧等异常现象发生和炉膛温度的大幅波动。

3、装置运行

3.1  防岗位人员思想麻痹大意

装置稳定运行时，岗位操作人员安全意识容易淡化，往往注意不到设备、外界条件或系统的细微变化，最终导致系统失衡，甚至造成事故。因此，装置越是正常时越要加强岗位责任建设，及时发现和消除安全事故隐患，确保系统安全稳定运行。

3.2巡检技术要点

巡检时除随身携带微量可燃气体监测仪外，还可通过以下方法检查系统运行状况。听：根据声音判断设备运行状况，有无泄漏声音等;嗅：根据气味判断设备有无烧焦、泄漏等异常情况;摸：根据温感、振感等判断设备的运行状况;看：根据温度、压力、液位、颜色、等判断设备状况;比：通过比较，判断状况;查：检查原因，判断状况。

3.3  加减負荷操作技术要点

缓速：分多次操作逐步达到目标负荷;加负荷操作顺序：燃料气、蒸汽、原料气;减负荷操作顺序：原料气、蒸汽、燃料气。

3.4  防转化催化剂结碳

高水碳比安全但不节能，低水碳比节能但不安全。因此水碳比维持在3.3～3.5间较为安全、经济;尽量避免水碳比在3以下，转化催化剂有结碳风险。

3.5 防汽包干锅

汽包液位的真实、稳定，是防止汽包干锅的有效措施。因此内操人员须重点关注，外操人员须通过现场观察、比较判断液位的真实性，防止汽包干锅造成锅炉爆炸事故。

4、装置紧急停车

当装置出现突然停电、引风机停转、锅炉给水泵无法正常供水、脱盐水中断、循环冷却水中断、天然气中断、仪表空气中断等情况时，天然气转化及PSA需要采取紧急停车措施。

4.1 紧急停车操作原则

不同突发性事故有不同的应急处理重点，但一般原则如下：

4.1.1 断燃料气：消除高温;

4.1.2 断原料气，工艺气和蒸汽泄压：防爆炸;

4.1.3 脱硫系统保温保压、转化催化剂蒸汽钝化、PSA保压：保护脱硫剂、催化剂、吸附剂。

4.1.4 焖炉、运转设备停机完善：保护设备;

4.1.5 安全检查：确保系统安全;

4.1.6 外部联络：确保关联单位安全等。

4.2 装置紧急停车操作一般性步骤

截断燃料气、脱硫系统保温保压、转化催化剂蒸汽钝化、                           PSA保压、泄压、保护盘管、焖炉、运转设备停机完善、外部联系、系统安全检查。

5、装置正常停车

5.1 注意转化气废热锅炉保护

在装置停车过程中，由于原料气的退出，极易造成转化气废热锅炉的管层和壳层间的压差过大而影响废锅安全，因此在进行转化气放空气操作时，一定要关小废锅出口阀，确保其管壳层间压差基本不变。

5.2 防转化催化剂浸泡

转化催化剂蒸汽钝化结束后，由于温度的降低，炉管内残留的蒸汽便有可能结露，附着于催化剂表面而浸泡催化剂。因此一定要用氮气吹扫尽炉管内残留的蒸汽，并用氮气冲压保护。

5.3 防天然气阀门内漏

停车后如天然气阀门关闭不严，天然气漏至较高温度的转化炉膛内，则极易发生爆炸事故。因此停车操作完成后，一定要检查所有天然气阀门是否关严，并打开入炉燃料气放空阀，确保无任何可燃气体漏入炉膛。

6、变压吸附操作注意事项

6.1 在进行程序切换或者检修时要防止高压逆放，如吸附塔需要卸压，可以通过‘均压’方法来降低压力缓慢卸压或者用手动阀门缓慢卸压，防止氢气流速过快造成燃烧。

6.2 如果要更换程序控制阀，一定要用氮气置换吸附塔，通过取样分析吸附塔内的可燃气体已置换干净方可进行阀门更换。

6.3 严格禁止用原料气（转化气）吹扫管道，防止发生燃烧事故。

6.4 在巡检时要留意产品氢气管道的法兰连接点，纯氢气燃烧时是无色的，常见的情况是往往感到管道有灼热点，然后才发现有氢气泄露。扑灭氢气火焰用‘干粉灭火剂’进行扑灭，火势大则立即报警消防部门。

7、结语

综上所述，天然气制氢虽然属于危险化学品生产，但只要我们加强岗位安全技术学习，切实掌握安全操作技能，并严格按照安全操作规程作业，就能确保天然气转化制氢装置安全运行，金钼集团公司先后3套天然气制氢装置连续生产近20年来，从未发生安全事故就是证明。

参考文献

[1]四川天一科技股份有限公司.金堆城钼业集团有限公司二期800Nm3/h天然气转化制氢施工图设计（工程号：0956）工艺操作原则 图号：0956-30-02-1，2009年4月