崔占磊

摘 要：制氫裝置停工過程是一項復雜的系統工程，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，甚至產生嚴重的安全環保事故，總結惠州石化歷次停工經驗，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，并針對性地采取有效的控制措施，對于制氫裝置安全停工和長周期穩定運行來說至關重要，對于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(hua)有限公司兩(liang)(liang)(liang)套 10 萬標立方米(mi) / 小時天(tian)然(ran)氣(qi)(qi)制(zhi)氫裝(zhuang)置(zhi)，采(cai)用德國(guo)伍德公司的(de)工(gong)藝技(ji)術，烴類(lei)蒸(zheng)汽轉(zhuan)化(hua)法(fa)(fa)造氣(qi)(qi)、PSA 法(fa)(fa)提純氫氣(qi)(qi)的(de)工(gong)藝路線，生產(chan)符合高壓加氫裂化(hua)裝(zhuang)置(zhi)新氫要求的(de)高純氫氣(qi)(qi)，同時副產(chan) 9.8 MPa 高壓過熱蒸(zheng)汽。兩(liang)(liang)(liang)套制(zhi)氫裝(zhuang)置(zhi)于(yu) 2009 年 4 月一次投產(chan)成功，設計裝(zhuang)置(zhi)操作(zuo)彈性 60%～110%，其中 PSA 單元的(de)操作(zuo)彈性為 30%～110%；本裝(zhuang)置(zhi)除總的(de)公用工(gong)程系統配置(zhi)外，由兩(liang)(liang)(liang)個(ge)獨立的(de)系列(lie)構成，每個(ge)系列(lie)由原料氣(qi)(qi)精制(zhi)、轉(zhuan)化(hua)及(ji)余熱回收(shou)、變(bian)換(huan)及(ji)變(bian)換(huan)氣(qi)(qi)冷卻、鍋(guo)爐給水及(ji)蒸(zheng)汽發生、變(bian)壓吸(xi)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歷了幾十次停開工，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，燃料氣系統隔離泄壓，轉化系統停止配汽和注水，轉化系統泄壓并氮氣置換，脫硫系統泄壓并氮氣置換，高壓汽包產汽控制，停運機泵，PSA 操作等。停工過程中將會面臨很多操作風險，針對風險如何采取有效的防范措施，對于保護裝 置的長周期安全穩定至關重要^[1]。

2 催化劑的保護

         無論是生產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，那么在停工過程中有毒介質及液態水 (或蒸汽) 的有效隔離尤為重要^[2]。

         (1) 避免催(cui)(cui)化劑結碳。制氫(qing)轉化催(cui)(cui)化劑操(cao)作(zuo)溫度約(yue) 800 ℃，若停工操(cao)作(zuo)不當，造成蒸汽中斷(duan)或(huo)過少等情況(kuang)極易造成轉化催(cui)(cui)化劑結碳。避免結碳的措施包(bao)括：

         第一，設計上在裝置(zhi)觸發停止進料聯鎖后，強制保(bao)持最小配汽流量 15 min，避免烴類原料裂(lie)解(jie)結碳；

         第二，轉化系統停止配汽(qi)后需立即充(chong)入氮(dan)氣進行置換。

         (2) 在停工(gong)過(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)除了對裝置(zhi)進出界(jie)區(qu)的(de)原料(liao)氣(qi)、產(chan)品(pin)氣(qi)、 燃料(liao)氣(qi)及配氫(qing)流程(cheng)(cheng)(cheng)隔離(li)以外，為保護(hu)催化劑避免中(zhong)(zhong)毒風險通(tong)常 采取以下(xia)兩項措施：首(shou)先(xian)，對脫(tuo)硫系統去(qu)轉化系統流程(cheng)(cheng)(cheng)進行徹(che)底隔離(li)，如圖中(zhong)(zhong)的(de)①處；其(qi)次，各系統泄壓(ya)及保壓(ya)過(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)控制脫(tuo)硫系統壓(ya)力始終低于轉化系統壓(ya)力。

         (3) 為保護催化劑避(bi)免水泡風(feng)險通常采取以下措施(shi)：

         第一，系(xi)統(tong)停工(gong)后務(wu)必確保在(zai)溫(wen)度降至(zhi)露點(dian)溫(wen)度之前對預轉化、轉化系(xi)統(tong)進行(xing)徹底氮(dan)氣置換；

         第(di)二，對轉(zhuan)化(hua)配汽流程進行徹底隔離，如圖 1 中的②、⑥處；

       ;  第(di)三，對預(yu)轉化、轉化入口預(yu)熱(re)器(qi)前的噴水(shui)減溫(wen)器(qi)進行徹底(di)隔(ge)離，如(ru)圖 1 中的③、④處；

         第四(si)，對(dui)余熱(re)鍋爐溫(wen)度(du)控(kong)制器的降溫(wen)蒸汽流(liu)程進行徹底隔離，如(ru)圖 1 中的⑤處。注(zhu)意：文中表述的徹底隔離標(biao)識至(zhi)少做到 三閥(fa)組隔離，即(ji)雙閥(fa)關閉、中間放(fang)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，保護設備安全對于能否順利恢復生產具有重要意義^[3]。停工過程中針對設備的保護措施包括：

         (1) 制氫轉(zhuan)化(hua)(hua)(hua)爐(lu)及爐(lu)管(guan)的保護。制氫轉(zhuan)化(hua)(hua)(hua)爐(lu)操作(zuo)溫(wen)度約 850～1 000 ℃，爐(lu)管(guan)壓(ya)力約 3.0 MPa，停(ting)工過(guo)程中轉(zhuan)化(hua)(hua)(hua)爐(lu)爐(lu)膛、爐(lu)管(guan)降(jiang)(jiang)溫(wen)過(guo)快，會(hui)大幅降(jiang)(jiang)低轉(zhuan)化(hua)(hua)(hua)爐(lu)管(guan)使用(yong)壽(shou)命并對催化(hua)(hua)(hua)劑造成(cheng)損壞(huai)，因此每次停(ting)工過(guo)程嚴格控制降(jiang)(jiang)溫(wen)降(jiang)(jiang)量(liang)速度，即(ji)降(jiang)(jiang)量(liang)速度 ≤3 000 Nm3/h，降(jiang)(jiang)溫(wen)速度≤30 ℃ /h

         (2) 蒸(zheng)汽發生(sheng)設備(bei)的(de)保護。本裝置(zhi)包括高壓 (9.8 MPa) 蒸(zheng)汽發生(sheng)器和中壓 (3.8 MPa) 蒸(zheng)汽發生(sheng)器，停工過程中維持汽包較高液位，避免干(gan)燒(shao)。

         (3) 換(huan)(huan)(huan)(huan)熱設備的保護。制氫裝(zhuang)置停工過程(cheng)中，隨轉化溫(wen)(wen)度(du)的降低(di)，冷換(huan)(huan)(huan)(huan)系統(tong)(tong)的介質蒸汽含(han)量(liang)大(da)幅(fu)增(zeng)加，冷換(huan)(huan)(huan)(huan)系統(tong)(tong)熱量(liang)會大(da)幅(fu)增(zeng)加。與此(ci)同(tong)時隨轉化溫(wen)(wen)度(du)降低(di)，高、中壓汽包(bao)產汽減少，上(shang)水(shui)量(liang)減少造(zao)(zao)成汽包(bao)上(shang)水(shui)換(huan)(huan)(huan)(huan)熱器冷介質量(liang)降低(di)，更進(jin)一步(bu)增(zeng)加了(le)變換(huan)(huan)(huan)(huan)氣冷卻(que)系統(tong)(tong)各換(huan)(huan)(huan)(huan)熱器的負擔。因(yin)此(ci)每次(ci)停工過程(cheng)非(fei)常容(rong)易(yi)造(zao)(zao)成變換(huan)(huan)(huan)(huan)氣冷卻(que)系統(tong)(tong)各換(huan)(huan)(huan)(huan)熱器溫(wen)(wen)度(du)大(da)幅(fu)波(bo)動(dong)(dong)、除(chu)氧器壓力(li)波(bo)動(dong)(dong)、換(huan)(huan)(huan)(huan)熱器泄漏等現象(xiang)。

         如圖 2 所示(shi)：停工過(guo)程(cheng)中除氧器壓力、液位、上水溫度、上水量的(de)波動趨勢。

圖2 除氧器壓力、溫度(du)、上水(shui)量(liang)趨勢圖

         從上圖可見，停工(gong)過程(cheng)中(zhong)各參數波動較(jiao)大(da)(da)，與其相關聯的換熱(re)系統(tong)均會出(chu)現溫度(du)大(da)(da)幅波動，出(chu)現除氧器頂(ding)部噴水或換熱(re)器泄漏等現象，為盡可能避免停工(gong)過程(cheng)影響，采取了如下措施：

         (1) 降(jiang)(jiang)溫降(jiang)(jiang)量(liang)過程中，控(kong)制(zhi)轉化(hua)進料水碳比(bi)≤3.0(正常生(sheng)產控(kong)制(zhi) 2.7～2.9)，減少(shao)變(bian)換氣中過剩蒸汽量(liang)；

         (2) 提前打(da)開高壓汽(qi)包排污閥和(he)除(chu)氧(yang)器排水(shui)閥，增大(da)汽(qi)包和(he)除(chu)氧(yang)器上水(shui)量，增加(jia)各冷換設備冷流介質流量；

 ;        (3) 提(ti)前關閉除氧(yang)(yang)槽(cao)除氧(yang)(yang)蒸(zheng)汽，打開(kai)除氧(yang)(yang)器頂部(bu)放空(kong)，降低除氧(yang)(yang)槽(cao)壓力，避(bi)免除氧(yang)(yang)器上水(shui)流量波動(dong)造成換熱(re)器溫度(du)波動(dong)。

4 其他風險控制

         (1) 降(jiang)溫(wen)降(jiang)量(liang)過程(cheng)中若(ruo)需關閉轉化爐燃(ran)燒器(qi)，需注意(yi)熄(xi)火順序及(ji)燃(ran)燒火嘴(zui)分布，保證(zheng)爐膛(tang)溫(wen)度(du)均(jun)勻分布，建議制作轉化爐熄(xi)滅火嘴(zui)順序表。

         (2) 降(jiang)溫降(jiang)量(liang)過程(cheng)務必分多次進行，每 3～5 min 調整(zheng)一次，觀察爐膛和(he)爐出口溫度下降(jiang)趨勢。降(jiang)溫過程(cheng)為：降(jiang)燃(ran)料(liao)(liao)→爐膛 降(jiang)溫→轉化(hua)吸熱反(fan)應趨弱(ruo)→降(jiang)溫遲(chi)滯→降(jiang)大(da)量(liang)燃(ran)料(liao)(liao)→爐膛繼續(xu)降(jiang)溫；若降(jiang)溫速度過快(kuai)(kuai)時，可通(tong)過稍(shao)(shao)提點(dian)燃(ran)料(liao)(liao)和(he)稍(shao)(shao)加(jia)快(kuai)(kuai)降(jiang)量(liang)速度來控制(zhi)。

         (3) 隨爐膛溫度降(jiang)低(di)，需要持續關注加(jia)(jia)氫脫硫反(fan)應器入口(kou)溫度，關注加(jia)(jia)氫脫硫效(xiao)果，防止(zhi)催化(hua)劑中毒，尤其(qi)在原(yuan)料性質(zhi)發(fa)生變(bian)化(hua)時。通常應保證 R101 床(chuang)層 300 ℃以上 (天然氣進料)， 降(jiang)溫過程如果出現 R101 床(chuang)層溫度低(di)于 300 ℃，應及時加(jia)(jia)樣分析(xi)凈化(hua)原(yuan)料氣組成(cheng)。

         (4) 裝置停工過(guo)程(cheng)中應(ying)盡量避(bi)免壓力劇烈波動，壓力劇烈波動容易造成催(cui)(cui)化劑破碎(sui)，催(cui)(cui)化劑一旦(dan)發生破碎(sui)會(hui)引起轉化阻(zu)力升高和不均勻(yun)，進而造成轉化爐爐管(guan)出現亮斑或紅管(guan)。

5 結語

         制(zhi)氫(qing)裝置(zhi)(zhi)涉及的(de)反(fan)應過(guo)程(cheng)較多(duo)，因此制(zhi)氫(qing)裝置(zhi)(zhi)停(ting)(ting)(ting)(ting)工(gong)過(guo)程(cheng)是一項復雜的(de)系(xi)統工(gong)程(cheng)，本文針對(dui)停(ting)(ting)(ting)(ting)工(gong)過(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)一些操作風(feng)險進(jin)行了簡要(yao)分(fen)析，實際(ji)操作過(guo)程(cheng)中(zhong)須(xu)精(jing)心組織和精(jing)細認真(zhen)的(de)操作，采(cai)取有效的(de)風(feng)險防范措施才能把裝置(zhi)(zhi)安全平穩的(de)停(ting)(ting)(ting)(ting)下來。另外(wai)停(ting)(ting)(ting)(ting)工(gong)分(fen)為計劃停(ting)(ting)(ting)(ting)工(gong)和緊急停(ting)(ting)(ting)(ting)工(gong)，情況(kuang)各不相(xiang)同，需(xu)要(yao)我們根據(ju)具體(ti)情況(kuang)對(dui)裝置(zhi)(zhi)進(jin)行正(zheng)確的(de)處理。

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