摘要：随着原油劣质化且环保法规对燃料油品质的要求越来越苛刻，炼油厂对氢气的需求量增加，烃类水蒸汽转化制氢装置在炼油厂的地位也日趋重要。但由于受限于炼油厂加工方案调整及下游用氢装置的需求量变化等因素，制氢装置生产负荷波动较大，甚至有可能长期处于超低负荷运行状态，对装置长周期运行和能耗都有不利影响。本文介绍了某企业烃类水蒸汽转化制氢装置在长期超低负荷状态下的运行情况，从操作调整等方面提出了一系列优化措施，有利于装置长周期运行和降低装置能耗。

关键词：烃类水蒸汽转化；制氢；超低负荷；能耗

1装置基本工艺流程

制氢装置主要由转化造气和PSA提纯两部分组成，基本工艺流程见图1。焦化脱硫干气、或天然气经压缩机升压，丙烷原料经进料泵升压，经两级预热后，进入绝热反应器，将原料中的有机硫转化成无机硫，并使烯烃饱和，再进入两台串联的氧化锌脱硫反应器进行脱氯和脱硫反应，净化后的原料硫质量分数小于0.5mg/kg，烯烃体积分数小于1%，氯质量分数小于0.2mg/kg。净化原料与3.5MPa过热蒸汽混合后，先进入转化炉对流段预热至500℃，再进入辐射段内的转化炉管。转化炉管装填有转化催化剂，在催化剂的作用下，净化原料与水蒸汽发生复杂的转化反应，从而产生氢气、甲烷、一氧化碳、二氧化碳等混合物质。从转化炉出来的转化气体，经取热降温后进入中温变换反应器，在催化剂的作用下发生变换反应，降低转化气中的一氧化碳，并继续生产氢气。中温变换后的气体经过三级取热降温并分离冷凝液体后，进入变压吸附（PSA）部分，在多种吸附剂的依次选择吸附下，一次性除去氢以外的几乎所有杂质，获得纯度大于99.9%的产品氢气。

2制氢装置低负荷运行情况

2.1主要操作数据

制氢装置超低负荷运行下的主要操作数据见表1。当前装置处于24%（以产氢量计算）的超低负荷运行状态，此时装置转化水碳比为10.3，远高于设计值（3.2）。这是因为在超低负荷生产时原料气流量过低，会使得原料气在每根转化炉管内的分布不均匀，从而产生偏流，而且原料气因为空速低，流速低，还将造成转化炉中的热量不能平稳地带走。因此必须采用较高的转化水碳比，通过大量配汽提高物料总流量，使物料在转化炉管内分布更均匀，减少偏流，并提高了物料的流速，将热量及时带走，可以有效的延长炉管和催化剂的使用寿命。

但转化水碳比提高，将直接导致装置能耗大幅上升。

2.2装置能耗情况

制氢装置综合能耗构成见表2，作为制氢装置原料的焦化干气消耗列入能耗的计算。在超低负荷运行状态下，单位综合能耗为2360.12×104KJ/1000m3纯氢，较设计数据高出59.7%。

造成能耗升高主要是由三方面原因造成的。一是由于高转化水碳比，造成除氧水单耗增加，增加能耗，同时造成转化炉热负荷增加，从而增加燃料气单耗。二是由于转化炉热效率下降，进一步加大了燃料气消耗。三是在设计负荷下装置可以大量生产3.5MPa过热蒸汽，除转化配汽外还可大量外送，装置外送能源从而降低了装置自身能耗；但由于装置生产负荷过低，过热蒸汽产量大幅下降，不仅无法外送，甚至还要从系统管网补充部分3.5MPa过热蒸汽，造成装置能耗上升。

焦化干气对能耗的影响占比最大，其对能耗的影响主要在于组成，氢碳比越大，即甲烷含量越高，产氢率越高，生产单位氢气消耗的原料越小，装置综合能耗降低。但由于焦化干气为上游装置来料，本装置无法调整，因此不做详细分析。

2.2.1瓦斯气

超低负荷情况下，瓦斯气在能耗占比中达到38.81%，比设计值高25.58个百分点。影响瓦斯气消耗的主要因素则是转化炉操作，即转化炉热效率，而热效率主要因素有：过剩空气系数、排烟温度和转化炉的炉膛负压等。

氧含量和排烟温度是与转化炉热效率密切相关的两个指标。氧含量表示转化炉空气过剩情况，是转化炉热效率的一项重要指标。氧含量过大会导致炉膛温度降低，传热效果变差；同时烟气量增大，导致热损失增加，热效率下降；烟气中过多的氧会加剧炉管表面氧化，缩短炉管寿命。排烟温度过高，表明烟气带走的热量过多，增加了热量的损失。

2.2.2外送3.5MPa过热蒸汽

从设计能耗所占比例可以看出，装置的外送3.5MPa过热蒸汽的产量在综合能耗中所占比重仅次于燃料气消耗，而且外送量越大，装置能耗越小。但在超低负荷情况下，由于转化水碳比大幅提升，不仅无法外送3.5MPa过热蒸汽，还需要从系统管网外补，从而进一步增加了装置能耗。

2.3转化炉管运行情况

制氢转化炉是制氢装置中不可忽略的核心设备，是一种极为特殊的外热式列管反应器，是发生烃类水蒸汽转化的重要部位，是制氢工艺中的重要设备，其能否安稳运行直接关系到装置的安全生产和经济效益。在超低负荷运行状态下，物料量的减少容易导致在转化炉管内发生偏流，因此需要提高转化水碳比，通过大量配汽提高物料总流量，降低物料在转化炉管内发生偏流的程度。即使如此，转化炉管偏流现象仍然存在，装置在长期超低负荷运行后部分炉管仍不可避免的出现了“红斑亮管”情况。

2.4PSA部分运行情况

本装置采用变压吸附（PSA）方式对中温变换后的含氢气体进行分离和氢气提纯。PSA部分由8台吸附塔、1台顺放气罐、1台解吸气缓冲罐、1台解吸气混合罐构成，采用8-1-4运行模式（8塔运行、1塔吸附、4塔均压）。PSA单元除送出产品氢气外，还产生解吸气，送至转化炉作为辅助燃料。

PSA设计操作弹性为30%-130%，能满足制氢装置低负荷生产的要求，但是当处于超低负荷（＜30%）时，PSA解吸气的氢气含量会大幅提高。

3结论

对于超低负荷状态下的烃类转化制氢装置，会出现以下变化：

（1）能耗大幅提升，而且能耗结构也有明显变化。

（2）转化炉操作难度加大，转化炉管运行问题突出，易出现“红斑亮管”，影响装置长周期运行。

参考文献：

[1]钱长炜，李鹏，李卫春.制氢装置长期低负荷生产操作要点及运行优化[J].化工管理，2020（9）：130-131.