天然氣制氫裝置停工操作風險及有效措施

崔占磊

摘 要：制氫裝置停工過程是一項複雜的系統工程，操作不當容易造成催化劑結碳、中毒或粉碎，也容易造成設備損壞或使用壽命下降，甚至産生嚴重的安全環保事故，總結惠州石化曆次停工經驗，從保護催化劑、保護設備、消除安全風險等方面出發，系統分析停工過程中的操作風險和注意事項，並針對性地採取有效的控制措施，對於制氫裝置安全停工和長周期穩定運行來說至關重要，對於所有烴類蒸汽轉化制氫裝置停工操作具有一定的借鑒和參考意義。

關鍵詞：天然氣制氫；操作風險；有效措施

引言

         中海油惠州石化有限公司兩套 10 萬标立方米 / 小時天然氣制氫裝置，採(cǎi)用德國伍德公司的工藝技術，烴類蒸汽轉化法造氣、PSA 法提純氫氣的工藝路線，生産符合高壓加氫裂化裝置新氫要求的高純氫氣，同時副産 9.8 MPa 高壓過熱蒸汽。兩套制氫裝置於(yú) 2009 年 4 月一次投産成功，設計裝置操作彈性 60%～110%，其中 PSA 單元的操作彈性爲 30%～110%；本裝置除總的公用工程系統配置外，由兩個獨立的系列構成，每個系列由原料氣精制、轉化及餘熱回收、變換及變換氣冷卻、鍋爐給水及蒸汽發生、變壓吸附氫提純等部分組成。

1 停工步驟簡介

         在裝置十幾年運行過程中經曆瞭幾十次停開工，停工主要步驟包括：降溫降量、切除預轉化反應器，裝置聯鎖停爐，切斷進料和配氫，燃料氣系統隔離洩壓，轉化系統停止配汽和注水，轉化系統洩壓並氮氣置換，脫硫系統洩壓並氮氣置換，高壓汽包産汽控制，停運機泵，PSA 操作等。停工過程中将會面臨很多操作風險，針對風險如何採取有效的防範措施，對於保護裝 置的長周期安全穩定至關重要^[1]。

2 催化劑的保護

         無論是生産過程中還是停工過程中，都必須保護催化劑避免結碳、中毒或泡水的風險，那麽在停工過程中有毒介質及液态水 (或蒸汽) 的有效隔離尤爲重要^[2]。

         (1) 避免催化劑結碳。制氫轉化催化劑操作溫度約 800 ℃，若停工操作不當(dāng)，造成蒸汽中斷(duàn)或過少等情況極易造成轉化催化劑結碳。避免結碳的措施包括：

         第一，設計上在裝置觸(chù)發(fā)停止進料聯鎖後，強制保持最小配汽流量 15 min，避免烴類原料裂解結碳；

         第二，轉化系統停止配汽後(hòu)需立即充入氮氣進行置換(huàn)。

         (2) 在停工過程中除瞭(le)對裝置進出界區的原料氣、産品氣、 燃料氣及配氫流程隔離以外，爲保護催化劑避免中毒風險通常 採取以下兩項措施：首先，對脫硫系統去轉化系統流程進行徹底隔離，如圖中的①處；其次，各系統洩壓及保壓過程中控制脫硫系統壓力始終低於(yú)轉化系統壓力。

         (3) 爲保護催化劑避免水泡風(fēng)險通常採(cǎi)取以下措施：

         第一，系統停工後務必確(què)保在溫度降至露點溫度之前對預轉化、轉化系統進行徹(chè)底氮氣置換；

         第二，對轉化配汽流程進行徹(chè)底隔離，如圖 1 中的②、⑥處(chù)；

         第三，對預轉化、轉化入口預熱器前的噴水減溫器進行徹(chè)底隔離，如圖 1 中的③、④處(chù)；

         第四，對餘熱鍋爐溫度控制器的降溫蒸汽流程進行徹(chè)底隔離，如圖 1 中的⑤處。注意：文中表述的徹(chè)底隔離标識至少做到 三閥組隔離，即雙閥關閉(bì)、中間放空打開。

圖1 轉化系統隔離圖

3 設備的保護

         裝置停工過程中設備運行參數均會發生較大變化，保護設備安全對於能否順利恢複生産具有重要意義^[3]。停工過程中針對設備的保護措施包括：

         (1) 制氫轉化爐及爐管的保護。制氫轉化爐操作溫度約 850～1 000 ℃，爐管壓力約 3.0 MPa，停工過程中轉化爐爐膛、爐管降溫過快，會大幅降低轉化爐管使用壽命並(bìng)對(duì)催化劑造成損壞，因此每次停工過程嚴格控制降溫降量速度，即降量速度 ≤3 000 Nm³/h，降溫速度≤30 ℃ /h

         (2) 蒸汽發(fā)生設備(bèi)的保護。本裝置包括高壓 (9.8 MPa) 蒸汽發(fā)生器和中壓 (3.8 MPa) 蒸汽發(fā)生器，停工過程中維持汽包較高液位，避免幹燒。

         (3) 換熱設備(bèi)的保護。制氫裝置停工過程中，随轉化溫度的降低，冷換系統的介質蒸汽含量大幅增加，冷換系統熱量會大幅增加。與此同時随轉化溫度降低，高、中壓汽包産汽減少，上水量減少造成汽包上水換熱器冷介質量降低，更進一步增加瞭(le)變換氣冷卻系統各換熱器的負擔。因此每次停工過程非常容易造成變換氣冷卻系統各換熱器溫度大幅波動、除氧器壓力波動、換熱器洩漏等現象。

         如圖 2 所示：停工過(guò)程中除氧器壓力、液位、上水溫度、上水量的波動(dòng)趨勢。

圖2 除氧器壓力、溫度、上水量趨(qū)勢(shì)圖

         從上圖可見，停工過程中各參數波動較大，與其相關聯的換熱系統均會出現溫度大幅波動，出現除氧器頂部噴水或換熱器洩漏等現象，爲盡可能避免停工過程影響，採(cǎi)取瞭(le)如下措施：

         (1) 降溫降量過程中，控制轉化進料水碳比≤3.0(正常生産(chǎn)控制 2.7～2.9)，減少變(biàn)換氣中過剩蒸汽量；

         (2) 提前打開高壓汽包排污閥(fá)和除氧器排水閥(fá)，增大汽包和除氧器上水量，增加各冷換設備(bèi)冷流介質流量；

         (3) 提前關閉(bì)除氧槽除氧蒸汽，打開除氧器頂(dǐng)部放空，降低除氧槽壓力，避免除氧器上水流量波動造成換熱器溫度波動。

4 其他風險控制

         (1) 降溫降量過程中若需關(guān)閉(bì)轉化爐燃燒器，需注意熄火順序及燃燒火嘴分布，保證爐膛溫度均勻分布，建議制作轉化爐熄滅火嘴順序表。

         (2) 降溫降量過程務必分多次進行，每 3～5 min 調整一次，觀察爐膛和爐出口溫度下降趨勢。降溫過程爲：降燃料→爐膛 降溫→轉化吸熱反應趨弱→降溫遲(chí)滞→降大量燃料→爐膛繼續降溫；若降溫速度過快時，可通過稍提點(diǎn)燃料和稍加快降量速度來控制。

         (3) 随爐膛溫度降低，需要持續關注加氫脫硫反應器入口溫度，關注加氫脫硫效果，防止催化劑中毒，尤其在原料性質發生變(biàn)化時。通常應保證 R101 床層 300 ℃以上 (天然氣進料)， 降溫過程如果出現 R101 床層溫度低於(yú) 300 ℃，應及時加樣分析淨化原料氣組成。

         (4) 裝置停工過程中應盡量避免壓力劇烈波動(dòng)，壓力劇烈波動(dòng)容易造成催化劑破碎，催化劑一旦發(fā)生破碎會引起轉化阻力升高和不均勻，進而造成轉化爐爐管出現亮斑或紅管。

5 結語

         制氫裝置涉及的反應過程較多，因此制氫裝置停工過程是一項複雜的系統工程，本文針對停工過程中的一些操作風險進行瞭(le)簡要分析，實際操作過程中須精心組織和精細認真的操作，採取有效的風險防範措施才能把裝置安全平穩的停下來。另外停工分爲計劃停工和緊急停工，情況各不相同，需要我們根據具體情況對裝置進行正確(què)的處理。

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