趙洋，方安

（蘭州石化公司煉油廠，甘肅蘭州730060）

優(yōu)化生產(chǎn)管控保證全系制氫催化劑延期使用

趙洋，方安

（蘭州石化公司煉油廠，甘肅蘭州730060）

介紹了蘭州石化公司50 000 m3/h制氫裝置全系催化劑的延期使用情況，通過對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過程存在的問題進(jìn)行優(yōu)化管控，保證了催化劑延期運(yùn)行情況穩(wěn)定，為公司創(chuàng)造了巨大經(jīng)濟(jì)效益。

制氫；催化劑延期；轉(zhuǎn)化反應(yīng)；水碳比

隨著國家環(huán)境保護(hù)法規(guī)日益嚴(yán)格和原油重質(zhì)化、劣質(zhì)化趨勢(shì)，石油煉制過程中對(duì)氫氣的需求量越來越大，制氫裝置的長周期平穩(wěn)運(yùn)行直接影響到下游加氫裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，是影響企業(yè)效益的關(guān)鍵裝置。烴類蒸汽轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)由于建設(shè)規(guī)模靈活、產(chǎn)氫量大，主要運(yùn)用于大型石化行業(yè)，其生產(chǎn)能耗高低、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、能否長周期運(yùn)行與催化劑的選擇和使用方法密切相關(guān)［1］。本裝置采用進(jìn)口的全系制氫催化劑具備低能耗、長周期穩(wěn)定運(yùn)行的條件，如何優(yōu)化生產(chǎn)管控，找出催化劑最佳操作條件是延長催化劑使用周期、降低裝置生產(chǎn)成本的關(guān)鍵措施。

圖1　裝置造氣系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

1　裝置現(xiàn)狀

蘭州石化公司煉油廠50 000 m3/h制氫裝置由中石化洛陽石油化工工程公司設(shè)計(jì)，采用烴類蒸汽轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)和PSA提純技術(shù)，生產(chǎn)純度≥99.9%（體積）的高純氫氣，產(chǎn)品供應(yīng)至煉油廠2.4 MPa和1.3 MPa氫氣管網(wǎng)［2］，自2012年4月5日首次開車成功以來，裝置運(yùn)行平穩(wěn)，供氫能力滿足生產(chǎn)需要。裝置造氣工藝流程簡(jiǎn)圖（見圖1）。

根據(jù)工藝設(shè)計(jì)，裝置造氣部分共使用6種催化劑，其中加氫、預(yù)轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)化及中變等4種催化劑設(shè)計(jì)壽命為36個(gè)月，脫硫劑、脫氯劑（前置時(shí)）設(shè)計(jì)壽命為12個(gè)月。裝置首次開工時(shí)，選用英國莊信萬豐上市公司生產(chǎn)的全系制氫催化劑，截止2016年3月，全部催化劑已運(yùn)行47個(gè)月，加氫、預(yù)轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)化及中變催化劑比設(shè)計(jì)壽命延長使用11個(gè)月，脫硫劑、脫氯劑已延長使用35個(gè)月。催化劑延期期間各反應(yīng)器出口組分質(zhì)量100%合格，裝置生產(chǎn)運(yùn)行平穩(wěn)。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況和廠家的催化劑性能評(píng)價(jià)報(bào)告來看，現(xiàn)全部催化劑運(yùn)行情況良好，催化劑床層溫度分布和產(chǎn)品質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求。根據(jù)估算，催化劑延期使用期間僅催化劑費(fèi)用就可以節(jié)約38.8萬元/月，通過延長催化劑的使用周期顯著的降低了裝置生產(chǎn)成本，產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)效益。

2　延長催化劑使用周期主要措施

從2014年底，車間就開始積極準(zhǔn)備催化劑延期使用相關(guān)事宜，經(jīng)過與催化劑廠家和設(shè)計(jì)單位進(jìn)行溝通討論，依據(jù)莊信萬豐公司出具的催化劑性能評(píng)價(jià)報(bào)告，經(jīng)洛陽院同意后上報(bào)上級(jí)部門確定全部催化劑延期使用。催化劑延期使用裝置采取的主要工作有：

2.1催化劑到設(shè)計(jì)壽命后，通過標(biāo)定和催化劑廠家性能評(píng)價(jià)評(píng)定其運(yùn)行狀況

（1）與國產(chǎn)制氫催化劑相比，裝置目前采用的進(jìn)口催化劑具有裝填體積小、活性好、反應(yīng)溫度低、抗積碳鈍化能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，采用優(yōu)質(zhì)催化劑為延長使用周期奠定了基礎(chǔ)條件。國產(chǎn)制氫催化劑與進(jìn)口制氫催化劑主要性能對(duì)比（見表1）。

表1　國產(chǎn)劑與進(jìn)口劑主要性能對(duì)比表［3］

表1　國產(chǎn)劑與進(jìn)口劑主要性能對(duì)比表（續(xù)表）［3］

（2）2015年11月底，裝置進(jìn)行催化劑延期標(biāo)定，標(biāo)定期間控制天然氣進(jìn)料量為14 500 m3/h、水碳比控制為3.2、轉(zhuǎn)化爐出口溫度800℃，裝置產(chǎn)氫量約為35 000 m3/h（70%負(fù)荷）。通過標(biāo)定檢測(cè)，各反應(yīng)器出口氣體質(zhì)量分析合格，反應(yīng)器溫度、壓差等參數(shù)正常，滿足生產(chǎn)要求。

（3）2015年8月27日及2015年11月24日，裝置將生產(chǎn)數(shù)據(jù)收集并通過莊信萬豐數(shù)據(jù)庫進(jìn)行模擬對(duì)催化劑進(jìn)行了性能評(píng)價(jià)，若按照廠家的建議進(jìn)行操作，各催化劑可延期使用的具體時(shí)間（見表2）。

表2　各催化劑預(yù)期壽命

2.2分析運(yùn)行中存在的問題并制定管控措施，為催化劑長周期運(yùn)行提供保障

（1）2015年10月23日，裝置轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器控制閥（特閥）發(fā)生故障（流程圖見圖1），導(dǎo)致中變反應(yīng)器入口溫度無法進(jìn)行調(diào)節(jié)，中變反應(yīng)器入口溫度升高，勢(shì)必會(huì)對(duì)催化劑的長周期運(yùn)行造成影響，為保證安全平穩(wěn)運(yùn)行，裝置通過對(duì)操作數(shù)據(jù)的分析和計(jì)算，采用調(diào)整轉(zhuǎn)化爐出口溫度和水碳比的方法，控制中變床層溫度盡可能的接近催化劑廠家推薦指標(biāo)。經(jīng)過優(yōu)化轉(zhuǎn)化氣質(zhì)量控制，降低轉(zhuǎn)化爐出口溫度和嚴(yán)格控制水碳比等措施，現(xiàn)中變反應(yīng)器運(yùn)行平穩(wěn)。

（2）裝置催化劑現(xiàn)已超出設(shè)計(jì)使用壽命，為延長催化劑使用周期，經(jīng)過與分廠協(xié)商，裝置將加氫干氣改入燃料管網(wǎng)，現(xiàn)只采用硫含量較低的天然氣作為制氫生產(chǎn)原料。同時(shí)為保證加氫催化劑硫化態(tài)活性組分不被氫氣還原，經(jīng)過與催化劑廠家和設(shè)計(jì)院協(xié)商，在生產(chǎn)中嚴(yán)格控制反應(yīng)配氫量在500 m3/h～800 m3/h。

（3）裝置轉(zhuǎn)化氣在線甲烷分析儀表故障，操作中無法根據(jù)在線儀表數(shù)據(jù)對(duì)轉(zhuǎn)化爐進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)，不利于裝置節(jié)能降耗。車間已積極聯(lián)系維修單位加快修復(fù)儀表，在此期間車間定期將生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理下發(fā)，給轉(zhuǎn)化爐調(diào)節(jié)操作提供參考，保證質(zhì)量前提下降低裝置能耗。

（4）裝置空冷發(fā)生故障頻率較高，進(jìn)行檢維修過程時(shí)中變冷卻系統(tǒng)換熱流程須調(diào)整，容易導(dǎo)致加氫反應(yīng)器超溫。車間經(jīng)過摸索計(jì)算，總結(jié)出停運(yùn)空冷操作法，經(jīng)過優(yōu)化調(diào)節(jié)，保證了加氫催化劑的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3總結(jié)低負(fù)荷生產(chǎn)下的最優(yōu)控制參數(shù)，延長催化劑使用壽命，降低生產(chǎn)成本

（1）轉(zhuǎn)化反應(yīng)是制氫裝置的核心部分，其主要為甲烷與水蒸氣在鎳基催化劑作用下生成氫氣和一氧化碳、二氧化碳的強(qiáng)吸熱反應(yīng)，因此控制好爐膛溫度是保證轉(zhuǎn)化反應(yīng)深度、降低裝置能耗和保護(hù)催化劑長周期運(yùn)行的關(guān)鍵措施。本裝置轉(zhuǎn)化爐有176根爐管和70個(gè)火嘴，燃料主要為高壓瓦斯和裝置PSA單元產(chǎn)生的低壓解吸氣，因解吸氣受PSA程序特性的影響，壓力及組分均較大幅度波動(dòng)，所以轉(zhuǎn)化爐溫度控制難度很大。但為保證轉(zhuǎn)化催化劑能順利延長使用壽命，車間將爐膛內(nèi)橫面溫差控制指標(biāo)由≤50℃調(diào)整為≤30℃，8個(gè)支路出口溫差控制指標(biāo)由≤20℃調(diào)整為≤10℃。經(jīng)過優(yōu)化后，雖然增加了操作難度，但有效的降低了爐出口溫度和燃料氣用量，使?fàn)t管和催化劑的受熱強(qiáng)度下降，有利于長周期運(yùn)行。

（2）水碳比的控制是影響制氫裝置安全長周期運(yùn)行的重要因素，水碳比過低會(huì)降低反應(yīng)深度，同時(shí)催化劑床層容易析碳、超溫，影響催化劑使用壽命；水碳比過高會(huì)大量增加燃料和中壓蒸汽消耗，提高了裝置生產(chǎn)成本，影響經(jīng)濟(jì)效益，水碳比過高還容易導(dǎo)致催化劑鈍化和中變反應(yīng)器超溫；同時(shí)，在低負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)水碳比的選擇是保證176根爐管內(nèi)介質(zhì)分布均勻的唯一方法，經(jīng)過查詢計(jì)算，轉(zhuǎn)化爐入口介質(zhì)流量須控制≥37 400 m3/h。因此，控制合理的水碳比是優(yōu)化裝置運(yùn)行，保護(hù)設(shè)備及催化劑長周期運(yùn)行的重要措施。由于受2.4 MPa和1.3 MPa管網(wǎng)氫氣壓力影響，制氫裝置生產(chǎn)負(fù)荷調(diào)整較為頻繁，車間對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理計(jì)算后下發(fā)水碳比控制表（見表3），要求班組在生產(chǎn)過程中嚴(yán)格執(zhí)行，從而保證催化劑和設(shè)備的安全運(yùn)行。

表3　裝置水碳比控制表

2.4開展生產(chǎn)競(jìng)賽，提高操作水平

在催化劑延期使用期間，車間開展了轉(zhuǎn)化率、氫氣收率小指標(biāo)競(jìng)賽，通過獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制調(diào)動(dòng)班組員工精心操作、細(xì)化指標(biāo)的積極性。車間還定期將優(yōu)秀操作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行收集整理，組織員工認(rèn)真學(xué)習(xí)，從而使制氫全員的操作水平得到提升，并積極的落實(shí)了公司“挖潛增效、節(jié)能降耗”主題活動(dòng)。

表3　裝置水碳比控制表（續(xù)表）

3　實(shí)施效果及主要經(jīng)濟(jì)效益

3.1延期使用期間各催化劑運(yùn)行狀況

延期使用期間各催化劑主要運(yùn)行參數(shù)統(tǒng)計(jì)（見表4）。通過對(duì)比可以看出，各催化劑反應(yīng)溫度在指標(biāo)范圍內(nèi)，且低于設(shè)計(jì)上限值，說明催化劑運(yùn)行穩(wěn)定。催化劑延期使用期間，各反應(yīng)器出口組分分析數(shù)據(jù)（見表5）。

表4　催化劑主要運(yùn)行參數(shù)

通過對(duì)比可以看出，各餾出口質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求，結(jié)合表4催化劑反應(yīng)溫度參考，現(xiàn)催化劑活性較好，滿足裝置生產(chǎn)要求，轉(zhuǎn)化爐出口平衡溫距僅為2℃。

3.2催化劑延期使用期間，裝置運(yùn)行狀況

（1）截止2016年3月，催化劑共延期使用11個(gè)月，累積生產(chǎn)氫氣16 547 t（折合為23 400 m3/h），延期期間生產(chǎn)穩(wěn)定，質(zhì)量100%合格。

（2）中變反應(yīng)器運(yùn)行平穩(wěn)，催化劑活性、溫度及床層壓差未見明顯變化趨勢(shì)，后期生產(chǎn)中要繼續(xù)嚴(yán)格監(jiān)控，從而確保催化劑壽命順利延期。

（3）空冷發(fā)生故障過程中加氫反應(yīng)器未有超溫現(xiàn)象發(fā)生，2015年12月底空冷皮帶突然斷裂，操作人員很好的完成了應(yīng)急處置，沒有導(dǎo)致裝置催化劑超溫和PSA系統(tǒng)退守。

（4）對(duì)操作進(jìn)行優(yōu)化后裝置生產(chǎn)能耗控制良好，催化劑延期使用期間裝置平均能耗為1 102.67 kg·Eo/t，低于三檔指標(biāo)1 125 kg·Eo/t。

（5）自開展生產(chǎn)競(jìng)賽以來，取得的效果顯著，產(chǎn)品氫氣收率（以甲烷計(jì)）由不足29%上漲至33.53%，最高達(dá)36.03%，在氫氣質(zhì)量（CO+CO2≤0.2 mg/L）遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值（CO+CO2≤20 mg/L）的情況下收率基本達(dá)到初始設(shè)計(jì)值33.89%。

表5　裝置餾出口質(zhì)量統(tǒng)計(jì)

表6　上周期催化劑費(fèi)用攤銷統(tǒng)計(jì)表

3.3催化劑延期產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益

（1）在催化劑設(shè)計(jì)周期內(nèi)，每月催化劑費(fèi)用攤銷（見表6）。

（2）裝置停工換劑及開工產(chǎn)生的燃料及動(dòng)力消耗費(fèi)用（見表7）。

催化劑延期使用，避免了裝置開停工處理，產(chǎn)生效益83萬元。

截止2016年3月，催化劑共延期使用11個(gè)月，在此期間產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益為510.6萬元，且催化劑延期使用還保證了公司汽煤柴油加氫精制裝置生產(chǎn)連續(xù)性，為公司創(chuàng)造了巨大經(jīng)濟(jì)效益。

4　結(jié)論

優(yōu)化操作，合理控制催化劑操作條件是保證制氫催化劑長周期運(yùn)行的關(guān)鍵。延長催化劑的使用壽命，不僅為公司創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且還減少了約140 t固體危險(xiǎn)廢物的排放，保護(hù)了環(huán)境，為企業(yè)樹立良好形象做出貢獻(xiàn)。

表7　制氫裝置開停工發(fā)生費(fèi)用統(tǒng)計(jì)表

［1］郝樹人，董世達(dá).烴類轉(zhuǎn)化制氫工藝技術(shù)（第1版）［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2009.

［2］周景倫，趙洋.蘭州石化公司50 000 m3/h制氫裝置操作規(guī)程［G］.蘭州石化公司，2014.

［3］數(shù)據(jù)庫：莊信萬豐上市公司催化劑運(yùn)行數(shù)據(jù)庫.

［4］莊信萬豐上市公司催化劑評(píng)價(jià)報(bào)告：50 000 m3/h制氫裝置催化劑性能評(píng)價(jià)［G］.莊信萬豐上市公司，2015.

TE624.9

A

1673-5285（2016）09-0125-06

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.09.030

2016－07-05

趙洋，男（1985-），助理工程師，現(xiàn)從事于煉油裝置生產(chǎn)技術(shù)管理工作。