摘要：本文以某1.5×104m3/h干气制氢装置为例，介绍了在低负荷运行状态下的生产状况，并围绕操作关键点及运行展开分析。当制氢装置持续在低负荷下运行时，转化炉管内介质分布的不均匀性成为了一个主要问题，这可能导致偏流现象的产生。降低加氢反应器的空速和入口温度，提高转化炉的水碳比，以及增加配氢量等措施可以解决这一问题。这些措施都是为了增加介质在炉管中的转化流量，以便有效地将多余的热量从炉管中去除。此外，还需变压吸附（PSA）解吸气中的氢气含量进行有效的管理，以确保生产负荷的平稳升降。

关键词：制氢装置；低负荷运行；PSA运行优化；转化炉；低负荷运行；水碳比

氢气是石油化工业必不可少的关键原料之一。高纯度的稳定氢气的供应对于将原料转化为低硫汽油、航空燃料、柴油及聚烯烃等产品至关重要。某干气制氢装置于2010年3月投产，应用了烃类蒸气转化制氢技术和PSA（冲洗再生式变压吸附）提纯氢气的工艺路线。该制氢装置由于受下游用氢装置能力的限制，一直以27%～54%的生产负荷运行，长期处于低负荷运行会对关键运行技术参数造成不良影响，并且其操作方式也于与满负荷存在显著差异。为确保制氢装置的长期平稳运行针对装置的实际情况，通过对比分析低负荷运行参数与设计指标，提出了一系列优化操作措施。

1制氢装置基本情况概述

该装置以焦化装置脱硫后的焦化干气、液化天然气、天然气及丙烷为原料，采用烃类水蒸汽转化及PSA提纯的工艺技术，生产纯度为99.9%的氢气，生产出的工业氢并入氢气管网。装置由五个部分组成，包括原料升压及预处理、转化及中温变换、中变气换热及冷却、PSA氢气提纯、工艺冷凝水回收及蒸汽发生系统。

2制氢装置低负荷运行时的优化措施

2.1调整加氢反应配氢量

氢气生产过程中，原料内的硫和氯等有害杂质可能导致转化催化剂中毒，从而丧失活性。原料中的烯烃在高温下容易裂解和缩合，导致催化剂积炭失活。所以在原料进入转化过程之前，必须将其去。原料中的硫和氯大多以有机硫和氯的形式存在，要将其去除必须通过加氢处理，将其转化为易于去除的H2S、HCI。同时，原料中的烯烃也需要通过加氢饱和，以满足转化过程的要求。

在较低的空速条件下，加氢反应程度加深，原料在催化剂床层的停留时间过长，容易导致催化剂积炭。在低负载生产的情况下，增加氢气的量可以在一定程度上防止由于转化炉管中原料气分布不均而造成的偏流，并且可以及时吸收转化炉管中的热量。因此，可以适当增加配氢量，提高氢油比，以带走反应热，抑制催化剂积炭。

2.2控制转化反应温度

烃类的蒸汽转化是以烃类为原料，使烃类和水蒸汽在一定的温度和催化剂的作用下，经过一系列的分解、裂化、脱氢、结碳、消碳、氧化、变换、甲烷化等反应，最终转化为H2、CO、CO2和少量残余的CH4。

烃类的蒸汽转化反应如下：

CnHm+nH2O（蒸汽）→nCO+（n+m/2）H2-Q （1）

CH4+H2O（蒸汽）→CO+3H2-206kJ/mol （2）

CO+H2O（蒸汽）→CO2+H2+41.2kJ/mol （3）

转化反应温度在烃类蒸汽转化制氢的过程中扮演着至关重要的角色。由于转化反应本质上是一个强吸热过程，所以提高反应温度能够显著提升反应的转化率。

但提高温度带来几方面问题，一是加快了催化剂结碳速度，促进转化催化剂的失活，影响催化剂使用效果和寿命；二是炉管、集合管等相关设备在高温的状态下运行，会加速转化老化过程，提高温度对设备安全影响很大，对设备使用寿命也有较大影响；三是增加了装置能耗。因此，在实际生产过程中，在满足转化气质量要求的前提下，通过降低进火嘴的燃料气量，将每个火嘴的火焰调小的方式，来维持转化炉的低温。

2.3调整转化反应水碳比

在烃类蒸汽转化反应中，催化剂的结碳现象是无法避免的。当催化剂的分解速率超过碳的去除速率时，会发生积炭现象，进而导致催化剂活性下降乃至失活。因此，在正常生产过程中，持续向炉中添加适量的蒸汽，并维持适宜的水碳比，是确保催化剂活性得以良好维持的关键。改善水碳比不仅可以降低炉出口处的甲烷含量，还可以减少催化剂上的碳沉积，这有利于转化反应。但在生产过程中，提高水碳比对于节能降耗又是十分不利的。所以水碳比应该保持在一个合适的区间。

过低的处理量可能会在低负荷生产期间，导致物料在转化炉管中的分布不均匀，从而产生偏流现象。同时，物料流速的降低、空速的降低，会使得热量无法及时传递。因此，在低负荷生产时，应加大水碳比，以增加物料的总流量，确保炉管内进料均匀分布，提高物料流速和空速，从而有效带走热量，保证装置安全平稳运行。

2.4控制PSA解吸气中的氢含量

从中变气第三分液罐出来的气体大部分为氢气，氢气纯度约74％，另外还含有近5%的CH4，3%的CO和18%的CO2，其中CH4和CO都含有很高的热值，而且CO和CO2是加氢装置的毒物，PSA单元的任务就是把这些毒物除去，得到99.9%以上的高纯氢，而CH4、CO和CO2这些杂质气体就当作燃料送到转化炉。

由于解吸气中含有较高浓度的氢气，大量使用解吸气作为原料并不利于节能降耗。此外，当过多的氢气被用作燃料时，火焰的前锋温度可能超过3000℃。如果火嘴调节不当，导致火焰过大或过长，可能会引起偏烧或火焰扑向炉管，从而引发红管或积炭问题。在极端情况下，高温火焰长时间接触炉管甚至可能导致炉管超温损坏。

因此，在不同的生产负荷下，为了确保产品氢的纯度以及其中CO+CO2的含量控制在指标范围内，应尽可能增加操作系数，延长吸附时间，有效降低解吸气中的氢气含量，从而提升氢气的回收率。

3结束语

在制氢装置的低负荷运行中，最显著的问题是转化炉管内介质分布的不均匀性，这可能导致偏流现象，从而影响炉管和转化催化剂的使用寿命。在生产负荷较低的情况下，必须采取增大配氢量，降低转化反应温度，提高转化炉的水碳比，有效控制PSA解吸气中的氢气含量等措施，以保持生产负荷的平稳升降。尽管这些措施可能会增加装置的能耗，但它们对于确保转化炉管和催化剂的稳定运行至关重要。

参考文献：

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