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        制氫裝置低負(fù)荷運(yùn)行的操作分析

        2019-05-13 09:44:20劉曉麗
        山東化工 2019年8期
        關(guān)鍵詞:空速反應(yīng)器能耗

        劉曉麗

        (中海油石化工程有限公司,山東 青島 266101)

        某廠50000Nm3/h制氫裝置采用烴類水蒸汽轉(zhuǎn)化與PSA凈化提純的工藝生產(chǎn)氫氣。受全廠氫氣平衡的影響,目前裝置長(zhǎng)期處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài),產(chǎn)氫負(fù)荷僅為設(shè)計(jì)值的50%左右,低于設(shè)計(jì)操作彈性的下限值(60%設(shè)計(jì)負(fù)荷)。

        基于裝置目前的生產(chǎn)和操作狀況,通過(guò)對(duì)低負(fù)荷運(yùn)行參數(shù)與設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行比較,評(píng)價(jià)裝置的操作運(yùn)行情況,為進(jìn)一步優(yōu)化操作提供依據(jù)。

        1 流程簡(jiǎn)介

        1.1 工藝流程

        制氫裝置生產(chǎn)純度為99.9%(mol)的氫氣,裝置主要由原料氣壓縮、原料氣精制、轉(zhuǎn)化及余熱回收、變換及變換氣換熱冷卻、變壓吸附氫提純、鍋爐給水及蒸汽發(fā)生等部分組成。工藝原則流程圖見圖1。

        圖1 制氫裝置工藝原則流程圖

        1.2 原料

        制氫裝置設(shè)計(jì)原料為天然氣,實(shí)際加工原料采用重整氫提濃PSA解析氣為主,補(bǔ)充了少量天然氣。原料中要求含氫2%~5%(mol),重整PSA解析氣氫氣含量58.57%(mol),重整PSA尾氣和天然氣混合進(jìn)料中氫含量遠(yuǎn)高于要求的指標(biāo),故不需要再配入氫氣,原料組成見表1。

        表1 原料組成

        表1(續(xù))

        2 工藝操作參數(shù)分析

        2.1 主要工藝操作參數(shù)分析

        表2列出主要工藝操作參數(shù),并與設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比。重整PSA解析氣中含有烯烴,故加氫反應(yīng)器的操作溫度略低于設(shè)計(jì)值,以保證烯烴飽和放熱升溫不會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)器溫度超出催化劑熱點(diǎn)溫度;裝置處于低負(fù)荷狀態(tài),裝置壓降小且氫產(chǎn)品壓力低于設(shè)計(jì)值,相應(yīng)的各個(gè)反應(yīng)器的壓力均低于設(shè)計(jì)值。

        表2 工藝操作參數(shù)

        表2(續(xù))

        2.2 反應(yīng)器參數(shù)分析

        2.2.1 加氫反應(yīng)器

        2.2.1.1 操作條件

        鈷鉬催化劑在進(jìn)行加氫脫硫時(shí),操作溫度通??刂圃?50~380℃范圍內(nèi),壓力通??刂圃?.0~4.0MPa(g)。當(dāng)溫度低于320℃,催化劑活性較低,加氫效果下降;溫度超過(guò)400℃時(shí),催化劑表面會(huì)出現(xiàn)聚合和結(jié)碳。加氫反應(yīng)器實(shí)際操作溫度337℃,操作壓力2.28MPa(g)。

        2.2.1.2 空速

        空速對(duì)加氫反應(yīng)有較大影響,空速增大,原料在催化劑床層中停留時(shí)間縮短,反應(yīng)不完全,故欲使原料中有機(jī)硫達(dá)到一定加氫程度,最好在較低空速下進(jìn)行[1]。但為了提高生產(chǎn)能力,在保證出口硫含量滿足要求的前提下,通常采用盡可能高的空速,一般氣體空速范圍為500~1000 h-1。

        由表2可知,進(jìn)入加氫反應(yīng)器的原料為10133.5Nm3/h,催化劑選用西北化工研究院開發(fā)并生產(chǎn)的T201型鈷鉬加氫催化劑,一次裝入量為19.17 m3。

        空速=10133.5/19.17=528.6 h-1

        加氫反應(yīng)器空速的設(shè)計(jì)指標(biāo)為805 h-1,實(shí)際空速滿足設(shè)計(jì)要求。

        2.2.2 脫硫、脫氯反應(yīng)器

        2.2.2.1 操作條件

        中溫型脫硫劑要求操作溫度為200~380℃,最高活性溫度要求大于350℃,特別是在催化劑使用末期,提高一點(diǎn)反應(yīng)溫度,對(duì)提高硫容量,延長(zhǎng)更換周期都有利,但不能超過(guò)400℃,以防止烴類熱裂解而造成結(jié)碳;提高壓力對(duì)提高反應(yīng)速度有利,一般在常壓~4MPa(g)范圍內(nèi)使用。

        脫硫、脫氯反應(yīng)器操作溫度為320℃,操作壓力為2.28MPa(g);操作溫度和壓力的設(shè)計(jì)指標(biāo)分別為370℃、3.2MPa(g),操作溫度和壓力低于設(shè)計(jì)指標(biāo)。

        2.2.2.2 硫容

        脫硫反應(yīng)器入口H2S的平均濃度C為6ppm,氣體流量V氣為931.9 m3/h,有效運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間t為3年,年操作時(shí)間8400h,脫硫劑選用T305型,一次裝入量為34.56 m3,堆密度為1.1~1.3kg/L, 則脫硫劑裝填重量G為41472kg。

        硫容=(C×10-6×32/22.4×V氣×t)/G×100%=0.48%

        實(shí)際硫容遠(yuǎn)低于350℃時(shí)T305脫硫劑36%的飽和硫容,大大延長(zhǎng)了脫硫催化劑的使用壽命。

        2.2.3 中變反應(yīng)器

        2.2.3.1 操作條件

        中溫變換的作用就是將轉(zhuǎn)化工藝氣中大量的CO轉(zhuǎn)換成CO2以便盡可能多產(chǎn)H2,并使氣體容易凈化得到較純氫氣。為了提高CO轉(zhuǎn)化率,宜采用較低的反應(yīng)溫度,中變操作溫度一般采用330~380℃;反應(yīng)平衡不受壓力的影響,但增加壓力能加快反應(yīng)速度,當(dāng)壓力高于2.0 MPa(g),變換率提高就不明顯了。

        中變反應(yīng)器操作溫度為330~376℃,操作壓力為2.16 MPa(g);操作溫度和壓力的設(shè)計(jì)指標(biāo)分別為340~408℃、2.6MPa(g),操作溫度和壓力雖然略低于設(shè)計(jì)指標(biāo),但在設(shè)計(jì)推薦值范圍內(nèi)。

        2.2.3.2 中變變換率

        轉(zhuǎn)化氣進(jìn)中變反應(yīng)器組成的CO濃度設(shè)計(jì)值為13.03%(mol),實(shí)測(cè)值為9.95%(mol);分液罐出口中變氣組成中CO濃度設(shè)計(jì)值為2.79%(mol),實(shí)測(cè)值為1.60%(mol),通過(guò)計(jì)算,中變變換率設(shè)計(jì)值為76.45%,實(shí)測(cè)值為82.6%。實(shí)測(cè)的中變變換率高于設(shè)計(jì)值,說(shuō)明CO的轉(zhuǎn)化率比設(shè)計(jì)值高,反應(yīng)更完全。

        2.3 轉(zhuǎn)化反應(yīng)參數(shù)分析

        2.3.1 水碳比

        裝置低負(fù)荷運(yùn)行時(shí),物料在轉(zhuǎn)化爐管內(nèi)難以均勻分布,容易產(chǎn)生偏流,使?fàn)t管局部受熱不均,嚴(yán)重時(shí)爐管會(huì)出現(xiàn)紅管、花斑現(xiàn)象,同時(shí)由于低流速,低空速,熱量不能及時(shí)帶出,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成某些催化劑失活,影響催化劑和爐管的使用壽命[2-3]。

        因此在低負(fù)荷生產(chǎn)時(shí),要采用較高的水碳比,提高物料總流量,使物料在爐管內(nèi)分布更均勻,減少催化劑結(jié)炭,延長(zhǎng)催化劑和爐管的使用壽命。但是提高水碳比相應(yīng)的也增加了能耗,本裝置水碳比的設(shè)計(jì)指標(biāo)為3.2。

        由表2可知,3.5MPa蒸汽配氣量為32600kg/h,進(jìn)入加氫反應(yīng)器的流量10133.5Nm3/h,實(shí)際碳流量為10095Nm3/h,故

        實(shí)際水碳比=32600×22.4/(18×10095)=4.02

        2.3.2 碳空速

        碳空速越大,原料在轉(zhuǎn)化催化劑床層停留時(shí)間越短,反應(yīng)不完全,使轉(zhuǎn)化爐出口殘余甲烷升高,轉(zhuǎn)化催化劑結(jié)炭增加,Z417/Z418碳空速一般為1000~2000 h-1。

        進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐碳流量為10095Nm3/h,轉(zhuǎn)化催化劑選用Z417/Z418,一次裝入量為12.8/17.27m3。故:

        碳空速=10095/(12.8+17.27)=335.7 h-1

        轉(zhuǎn)化反應(yīng)碳空速的設(shè)計(jì)指標(biāo)為835 h-1,實(shí)際碳空速遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)指標(biāo)。

        3 能耗分析

        裝置設(shè)計(jì)產(chǎn)氫量為5.44t/h,標(biāo)定期間實(shí)際產(chǎn)氫量為2.87t/h,能耗分析見表3。

        表3 能耗分析

        表3(續(xù))

        由表3可知,本裝置原設(shè)計(jì)能耗為1286.8Kg標(biāo)油/t純氫,標(biāo)定期間實(shí)際能耗為1435.21 Kg標(biāo)油/t純氫,高出設(shè)計(jì)值12%,原因分析如下:

        (1)裝置低負(fù)荷運(yùn)行時(shí),機(jī)泵等動(dòng)力設(shè)備效率降低,耗電量比較大,電耗較高;裝置調(diào)整負(fù)荷后,循環(huán)水冷器沒(méi)有進(jìn)行調(diào)整,因此循環(huán)水消耗總量變化不大,但是單耗明顯上升[4]。

        (2)由于標(biāo)定在低負(fù)荷工況下運(yùn)行,操作水碳比4.0高于設(shè)計(jì)水碳比3.2,導(dǎo)致外送蒸汽量降低,裝置實(shí)際能耗增加。

        (3)凈化風(fēng)設(shè)計(jì)消耗量為700 Nm3/h,而實(shí)際消耗量為11472 Nm3/h,相對(duì)于設(shè)計(jì)能耗,凈化風(fēng)的實(shí)際能耗增加了很多,這是因?yàn)檗D(zhuǎn)化爐工業(yè)電視探頭需要用大量的凈化風(fēng)來(lái)降溫,而設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有考慮這種工況下的用風(fēng)量。非凈化風(fēng)主要用于壓縮機(jī)活塞桿的降溫,所占能耗很小。

        4 結(jié)語(yǔ)

        裝置低負(fù)荷運(yùn)行對(duì)關(guān)鍵設(shè)備操作參數(shù)有較大影響,通過(guò)降低加氫反應(yīng)器入口溫度,增加配汽量,從而增大水碳比等措施,使裝置能夠平穩(wěn)運(yùn)行,建議在保證氫氣平衡的前提下,盡量降低裝置能耗,提高精細(xì)化操作水平,增加節(jié)能設(shè)施,降低裝置電耗,從而使產(chǎn)氫成本降低。

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