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    制氫裝置低負荷運行時的操作優化

    發布時間:2020-08-27 09:59

    李 凱(陜西延長石油(集團)有限責任公司永坪煉油廠聯合三車間,陜西延安 717208)

    摘 要:介紹了永坪煉油廠聯合三車間20000m3/h干氣制氫裝置低負荷運行的生產情況,并從操作參數、操作方式等方面提出了一些優化措施。低負荷運行最突出的問題就是容易導致轉化爐管內介質分布不均勻,形成偏流。須采取降低加氫反應器空速和入口溫度,提高轉化爐水碳比,加大配氫量等措施,以增加轉化爐管內介質流量,帶走爐管內過多的熱量。另外,還應有效控制變壓吸附(PSA)解吸氣中的氫氣含量,適時對中變氣進行切水操作,保持生產負荷提降量平穩。

    關鍵詞:干氣;制氫;蒸汽轉化;低負荷;操作優化;加氫反應器;轉化爐;水碳比。

    永坪煉油廠聯合三車間2 萬標立/時制氫裝置于2014 年4 月11日開工,至12 月底累計產氫5317噸,產氫純度均在指標范圍(>99.91),PSA氫氣回收率90.31%,各項指標均滿足設計要求,裝置負荷為60%-70%且運行良好。而裝置于2015年8 月份受140萬噸/年柴油加氫裝置加工量降低影響,產氫量降低且2016年裝置一直處于低負荷生產狀態,長期在45%-57%的生產負荷下運行,當制氫裝置處于低負荷運行時,其操作方式、操作參數等與設計指標(滿負荷)存在一定的區別?,F結合裝置實際運行情況,通過對低負荷運行參數與設計指標進行比較分析,提出一些制氫裝置長周期低負荷運轉的優化操作措施。

    1、裝置簡介

    20000Nm3 /h制氫裝置,年操作時數8000h,操作彈性為50-100%,氫氣回收率90%,氫純度99.9mol%。產品工業氫氣供140 萬噸/年柴油加氫裝置和90萬噸/年汽油加氫裝置使用,同時副產中壓蒸汽送至系統管網。制氫裝置以催化干氣為主原料,加氫干氣為輔原料,石腦油為備用原料,根據原料中烯烴含量大的特點,原料精制采用變溫反應加絕熱加氫工藝,變溫反應完成原料中絕大部分烯烴飽和,絕熱加氫進一步將剩余的烯烴轉化為烷烴,同時將原料中的有機硫轉化為無機硫。原料轉化采用蒸汽轉化法工藝,合成氣凈化工藝選用成熟的變壓吸附凈化法(PSA 凈化法)。

    2 、裝置低負荷運行時的操作優化

    2.1 操作參數

    裝置于2014年4月11日開工,至12月底累計產氫5317噸,產氫純度均在指標范圍(>99.91),PSA 氫氣回收率90.31%,各項指標均滿足設計要求,裝置負荷為60%-70% 且運行良好。而裝置于2015年8月份受140萬噸/年柴油加氫裝置加工量降低影響,產氫量降低且2016年裝置一直處于低負荷生產狀態,長期在45%-57% 的生產負荷下運行,2016年制氫裝置運行負荷較低,面對這種工況裝置如何長周期運行,就必須采取各種優化的操作手段,保證裝置低負荷運行時平穩、安全。

    2.2 加氫反應器操作優化

    裝置低負荷運行時,控制好變溫反應器入口溫度 (230- 250℃ )、加氫反應器入口溫度(加氫反應器的入口溫度比設計指標低80-90℃)。原料烯烴含量每增加 1%(體積分數)時,可導致床層溫升達23℃。當原料中烯烴含量增加過多,導致床層溫升過大時,會損壞催化劑和反應器。因此應密切關注原料組分特別是其中烯烴含量的變化情況( 永坪煉油廠催化干氣烯烴含量為8-20% ),當烯烴含量增加時,需相應降低反應器入口溫度。反應器入口溫度的控制將影響催化劑及設備的使用壽命,在低負荷操作時:①時刻注意原料氣組成的變化,發現波動及時調整、反饋;②認真執行反應器操作指標。

    2.3 轉化爐操作優化

    2.3.1 轉化反應水碳比

    轉化反應水碳比是轉化爐內轉化催化劑最敏感的工藝 參數。正常生產負荷下,在滿足工藝控制指標要求的條件下,盡可能的降低水碳比,對節能降耗有著非常顯著的作用。但在低負荷生產時,過低的處理量容易導致物料在每根轉化爐管內的分布不均衡,產生偏流,同時物料的流速低,空速小,還會導致熱量不能及時帶出,嚴重時甚至會造成某些爐管內催化劑表面積炭,催化劑失活,爐管外壁

    局部溫度偏高,造成爐管發生紅管、花斑現象,影響催化劑和爐管的使用壽命。因此在低負荷生產時,要采用較高的水碳比,提高物料總流量,使物料在爐管內分布更均勻,增大物料的流速和空速,將熱量及時帶走,以有效延長爐管和催化劑的使用壽命。較高的水碳比雖然能耗增加,但提高了轉化率,避免了水碳比失調以及轉化爐脈沖進料等不利因素,可防止催化劑積炭。

    2.3.2 轉化爐火嘴的操作

    低負荷生產時,由于空速低,因此只需較低的轉化反應溫度,這就有可能會導致爐管偏燒及爐管局部過熱,甚至有可能引起蠕變加速和持久強度的急劇下降而導致爐管彎曲、紅管等蠕變現象。因此通過降低進火嘴的燃料氣量,將每個火嘴的火焰調小,以滿足轉化所需溫度即可。同時,要密切監控轉化爐管,嚴格控制爐管管壁溫差和爐管出口溫差。所以操作中:①在生產運行過程中,除儀表在線控制外,定期對爐管進行檢測,確保各個爐管管壁的溫差不大于30℃ -50℃。監測到如果管壁溫差偏大,要及時調整火嘴的燃燒狀態,特別是要防止爐火撲管,消除爐管局部過熱,使管壁溫差回落到正常范圍內,保證轉化爐爐管受熱均勻;

    ②通過監控爐管火焰燃燒情況,及時調整火嘴操作,使爐膛溫度分布均勻,保證各個轉化爐管出口的溫度也分布均勻。

    2.3.3 轉化反應溫度

    提高轉化反應溫度,可以降低轉化氣中殘余甲烷的含量。常規制氫轉化反應溫度約為750℃,采用 PSA 提純的制氫裝置,為了抵消壓力提高對轉化反應的不利影響,轉化反應溫度可以提高至820℃。實際上,轉化反應溫度與空速、水碳比是互相關聯的。在轉化氣殘余甲烷含量符合工藝要求的前提下,可根據具體的情況進行溫度調節,尤其在低負荷生產時,由于空速低,又采用了較大的水碳比,轉化反應溫度低于750℃時,同樣也能保證轉化氣中殘余甲烷含量低于控制指標。

    2.4 配氫量的優化

    裝置滿負荷生產時,完全可以停止循環配氫,僅用原料自帶氫氣即可。但在低負荷生產時,則需要加大配氫量,這樣能在一定程度上避免物料在轉化爐管內因分布不均而造成的偏流,避免轉化爐管內的熱量不能被及時帶走的問題。為保證轉化爐不偏流,裝置低負荷時采用全量循環配氫的措施。

    2.5 PSA 的操作優化

    PSA 產出的解吸氣進入轉化爐,與煉廠瓦斯氣共同為轉化爐提供燃料。解吸氣中含有相當高程度的氫氣,過多的氫氣被當作燃料使用顯然不利于節能降耗,而且高含氫的燃料氣在轉化爐內燃燒時,其火焰前鋒溫度會超過3000℃,如果火嘴調節不當,出現火焰過大過長,產生偏燒、撲爐管現象,就有可能導致紅管、積炭的事故,如果出現高溫火焰長期接觸爐管的情況甚至會導致爐管超溫損壞。因此在不同生產負荷下,在保證產品氫純度和其中(CO+CO2)含量均在指標控制范圍的前提下,要盡量增大操作系數,使吸附時間盡可能延長,以有效降低解吸氣中氫氣含量,同時提高氫氣的回收率。

    3、結束語

    對于制氫裝置而言,低負荷運行最突出的問題就是容易導致轉化爐管內介質分布不均勻,形成偏流,進而影響爐管及轉化催化劑的壽命。當生產負荷低時,須采取降低加氫反應器空速和入口溫度,提高轉化爐水碳比,加大配氫量等措施,以增加轉化爐管內介質流量,帶走爐管內過多的熱量。另外,還應有效控制 PSA 解吸氣中的氫氣含量,適時對中變氣進行切水操作,盡可能保持生產負荷提降量

    平穩等。這些措施雖然會增大裝置的能耗,但卻能充分保證轉化爐管和催化劑的穩定運行。


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