許小云（中國(guó)石油天然氣股份有限公司廣西石化分公司）

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14×104m3/h制氫裝置節(jié)能優(yōu)化分析

許小云（中國(guó)石油天然氣股份有限公司廣西石化分公司）

討論了廣西石化分公司14×104m3/h制氫裝置生產(chǎn)操作過(guò)程中的節(jié)能優(yōu)化措施。在實(shí)際生產(chǎn)中，合理選擇裝置原料可以有效降低原料成本；提高轉(zhuǎn)化爐熱效率，盡量降低轉(zhuǎn)化水碳比，控制轉(zhuǎn)化爐出口甲烷含量，可以降低綜合能耗；優(yōu)化PSA操作參數(shù)可以提高原料產(chǎn)氫率。實(shí)踐證明，2015年1—3月裝置綜合能耗明顯小于2014年的綜合能耗，節(jié)能優(yōu)化效果顯著。

制氫裝置綜合能耗優(yōu)化措施

廣西石化分公司14×104m3/h制氫裝置采用烴類水蒸氣轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)，為目前我國(guó)同類裝置單系列最大規(guī)模，裝置主要由原料精制部分、原料預(yù)轉(zhuǎn)化部分、水蒸氣轉(zhuǎn)化部分、高溫變換反應(yīng)和工藝氣熱回收部分、PSA凈化部分、轉(zhuǎn)化爐熱量供應(yīng)和煙氣余熱回收部分以及雙產(chǎn)汽系統(tǒng)等7個(gè)部分組成。裝置原料為天然氣、煉廠氣、液化氣和輕石腦油，采用單獨(dú)或混合進(jìn)料，主要產(chǎn)品是純度99.9%以上、壓力2.3MPa的工業(yè)氫氣。從裝置實(shí)際運(yùn)行工況出發(fā)，分析降低裝置綜合能耗的規(guī)律，探索如何進(jìn)一步優(yōu)化裝置能耗，使裝置的綜合能耗達(dá)到一個(gè)更高水平，從而降低裝置的生產(chǎn)成本及煉油企業(yè)的加工成本。

1　裝置綜合能耗

烴類水蒸氣轉(zhuǎn)化制氫裝置的能耗構(gòu)成中，原料、燃料氣和外輸蒸汽所占比重較大，約占95%以上［1］。廣西石化分公司14×104m3/h制氫裝置設(shè)計(jì)綜合能耗及2014年10月、11月、12月實(shí)際綜合能耗見(jiàn)表1。從表中數(shù)據(jù)可以看出裝置實(shí)際綜合能耗小于設(shè)計(jì)值，其中3.5MPa中壓蒸汽和燃料氣的單耗低于設(shè)計(jì)值，原料氣、循環(huán)水、除鹽水、儀表風(fēng)和電的單耗均高于設(shè)計(jì)值。

1.1制氫原料

制氫原料在裝置綜合能耗中占90%以上，生產(chǎn)單位氫氣中原料消耗越小，裝置能耗越低。烴類蒸汽轉(zhuǎn)化制氫原料中，主要有天然氣、煉廠干氣、液化氣和輕石腦油等，氫碳比依次降低，而氫碳比越大產(chǎn)氫率越高［2］，因此天然氣產(chǎn)氫率最高，綜合能耗最低，輕石腦油則綜合能耗最高。另外，裝置綜合能耗最終反映氫氣的生產(chǎn)成本，原料的價(jià)格也影響裝置原料的選擇，需要通過(guò)計(jì)算生產(chǎn)單位氫氣所消耗的原料成本，確定選擇原料的種類。

表1　2014年制氫裝置綜合能耗

1.2轉(zhuǎn)化爐燃料氣

轉(zhuǎn)化爐燃料氣的消耗是影響制氫裝置綜合能耗的另一個(gè)主要因素。當(dāng)采用價(jià)格較高的原料時(shí)，通過(guò)提高轉(zhuǎn)化爐出口溫度提高原料產(chǎn)氫率，以降低裝置綜合能耗；在使用價(jià)格較低的原料時(shí)，適當(dāng)降低轉(zhuǎn)化爐出口溫度減小原料產(chǎn)氫率，此時(shí)PSA解吸氣熱值因殘余甲烷含量增加而升高，轉(zhuǎn)化爐燃料氣的消耗量相應(yīng)減少。同時(shí)，通過(guò)降低轉(zhuǎn)化爐排煙溫度和過(guò)?？諝庀禂?shù)以提高轉(zhuǎn)化爐熱效率，可以進(jìn)一步降低燃料氣的消耗。

1.3外輸蒸汽

在裝置的能耗構(gòu)成中，外輸3.5MPa中壓蒸汽的產(chǎn)量所占綜合能耗的比重僅小于原料、燃料氣的消耗量，對(duì)裝置綜合能耗產(chǎn)生較大的影響，提高蒸汽外輸量將減少裝置綜合能耗。提高中壓蒸汽外輸量可以通過(guò)提高裝置蒸汽自產(chǎn)量和減少轉(zhuǎn)化配汽量來(lái)實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)實(shí)操作中通過(guò)提高裝置自產(chǎn)蒸汽量來(lái)提高蒸汽外輸量并不可取［3］，控制較小的轉(zhuǎn)化水碳比可以減少裝置配汽量，從而增加外輸蒸汽量。

1.4PSA產(chǎn)品氫氣收率

PSA產(chǎn)品氫氣收率通過(guò)原料產(chǎn)氫率影響裝置綜合能耗。PSA產(chǎn)品氫氣收率高，則原料產(chǎn)氫率高，裝置綜合能耗降低。原料氣中氫氣含量越高（即雜質(zhì)含量低）、原料氣壓力越高，吸附效果越好，PSA產(chǎn)品氫氣收率越高。產(chǎn)品氫氣純度要求高、氫氣中微量雜質(zhì)含量低，則需要控制較短的吸附時(shí)間，導(dǎo)致解吸氣中氫氣含量增大，PSA產(chǎn)品氫氣收率降低。解吸氣壓力越低，吸附劑再生越徹底，通過(guò)適當(dāng)增加吸附時(shí)間提高PSA產(chǎn)品氫氣收率。吸附劑性能越好，PSA產(chǎn)品氫氣收率越高，吸附劑壽命越長(zhǎng)。

2　節(jié)能優(yōu)化措施

2.1合理選擇裝置原料

目前制氫裝置可以選擇的原料有天然氣、催化干氣、液化氣和輕石腦油。由于催化干氣中烯烴含量較大，且流量不夠穩(wěn)定，容易導(dǎo)致加氫反應(yīng)器床層超溫，給裝置安全平穩(wěn)運(yùn)行帶來(lái)較大隱患，故不宜作為裝置的理想原料。受國(guó)際原油價(jià)格持續(xù)走低的影響，目前天然氣價(jià)格高于液化氣及輕石腦油的價(jià)格，但天然氣的產(chǎn)氫率最高，3種原料單位氫氣生產(chǎn)成本見(jiàn)表2。從表中數(shù)據(jù)可以看出，液化氣作為裝置原料時(shí)單位氫氣原料成本最低，由于氫氣生產(chǎn)成本中原料成本占93%以上比例，故選擇液化氣作制氫原料時(shí)氫氣總成本最低。因此，選擇液化氣作為制氫原料，可以降低裝置綜合能耗和氫氣生產(chǎn)成本。

表2　原料生產(chǎn)成本對(duì)比

2.2降低轉(zhuǎn)化水碳比

制氫裝置由于增設(shè)了預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)器使裝置設(shè)計(jì)總水碳比降為2.95，為實(shí)際運(yùn)行時(shí)降低水碳比創(chuàng)造了條件。表3列出了不同水碳比下裝置綜合能耗數(shù)據(jù)，此時(shí)以天然氣為原料，裝置負(fù)荷62%，轉(zhuǎn)化爐出口甲烷含量保持6.6%（干基）不變。表3中數(shù)據(jù)表明，為了確保轉(zhuǎn)化爐出口甲烷含量基本不變，保持一定的原料產(chǎn)氫率，需要適當(dāng)提高轉(zhuǎn)化爐出口溫度進(jìn)行補(bǔ)償，但由于降低了水碳比，轉(zhuǎn)化爐燃料氣消耗量隨之降低，蒸汽外送量增大，裝置綜合能耗得到了降低。因此，裝置生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)在保證安全平穩(wěn)的基礎(chǔ)上盡量控制較低的水碳比，以降低裝置綜合能耗。

表3　不同水碳比對(duì)綜合能耗的影響

2.3控制轉(zhuǎn)化出口甲烷含量

增大轉(zhuǎn)化水碳比或提高轉(zhuǎn)化爐出口溫度可以降低轉(zhuǎn)化爐出口甲烷含量，提高原料產(chǎn)氫率，但裝置的動(dòng)力、燃料消耗隨之增加。因此，需要控制一個(gè)最優(yōu)的轉(zhuǎn)化爐出口甲烷含量，使裝置綜合能耗最低。圖1給出了在一定氫氣產(chǎn)量及保持低水碳比3.0不變的條件下，不同轉(zhuǎn)化爐出口殘余甲烷含量所對(duì)應(yīng)的裝置綜合能耗。從圖1可以看出，對(duì)于不同的氫氣產(chǎn)量均存在一個(gè)最優(yōu)的轉(zhuǎn)化爐出口殘余甲烷含量，使得裝置綜合能耗最低。由此可見(jiàn)，裝置實(shí)際生產(chǎn)中，需要根據(jù)當(dāng)前產(chǎn)氫量通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化爐出口溫度，控制殘余甲烷含量在最優(yōu)點(diǎn)附近，以使裝置綜合能耗接近最低值。

2.4提高轉(zhuǎn)化爐熱效率

通過(guò)降低過(guò)?？諝庀禂?shù)和排煙溫度可以提高轉(zhuǎn)化爐熱效率，達(dá)到降低裝置綜合能耗的目的。日常生產(chǎn)中，需要加強(qiáng)巡回檢查，及時(shí)關(guān)閉已打開(kāi)的點(diǎn)火孔和看火窗，防止空氣漏進(jìn)爐膛。同時(shí)，根據(jù)轉(zhuǎn)化爐負(fù)荷的變化和煙氣中在線氧含量分析數(shù)據(jù)，適當(dāng)調(diào)整鼓風(fēng)進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐的流量，控制煙氣中氧含量在2%～5%，并盡量控制在較低值。另外，通過(guò)調(diào)節(jié)預(yù)熱空氣旁路蝶閥控制轉(zhuǎn)化爐排煙溫度在設(shè)計(jì)值（142℃）附近甚至更低，根據(jù)專業(yè)研究機(jī)構(gòu)檢測(cè)，此轉(zhuǎn)化爐排煙溫度大于110℃仍不會(huì)造成煙氣露點(diǎn)腐蝕。

表4　2015年制氫裝置綜合能耗數(shù)據(jù)

圖1　殘余甲烷含量對(duì)綜合能耗的影響

2.5優(yōu)化PSA操作參數(shù)

PSA原料組成及壓力由造氣部分確定，而吸附劑一旦裝入吸附塔即不再改變，能夠進(jìn)行優(yōu)化操作的只有產(chǎn)品氫氣純度與雜質(zhì)含量以及解吸氣壓力。吸附時(shí)間是PSA最為關(guān)鍵的參數(shù)，其設(shè)定值的大小決定了PSA產(chǎn)品氫純度與雜質(zhì)含量，進(jìn)而決定了產(chǎn)品氫氣收率。在調(diào)節(jié)PSA操作過(guò)程中，根據(jù)原料氣組成和流量的變化及時(shí)調(diào)整吸附時(shí)間，使產(chǎn)品氫氣純度剛好合格、雜質(zhì)含量基本不超標(biāo)，即不使產(chǎn)品質(zhì)量過(guò)剩，從而最大限度地提高產(chǎn)品氫氣收率，這期間也可通過(guò)化驗(yàn)分析解吸氣中氫氣含量對(duì)吸附時(shí)間進(jìn)行修正。另外，生產(chǎn)過(guò)程中通過(guò)開(kāi)大解吸氣去轉(zhuǎn)化爐的控制閥和手閥，盡量降低解吸氣壓力，以提高產(chǎn)品氫氣收率。

3　節(jié)能優(yōu)化結(jié)果

2015年開(kāi)始，通過(guò)對(duì)裝置各關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化操作，綜合能耗得到了大幅度的降低。2015年前3個(gè)月的裝置綜合能耗數(shù)據(jù)見(jiàn)表4，從表中數(shù)據(jù)可以看出，其平均綜合能耗（標(biāo)油）3305kg/t，明顯低于表1中2014年平均能耗（標(biāo)油）3449kg/t，節(jié)能效率為4.15%，節(jié)能優(yōu)化效果突出。

4　結(jié)論

廣西石化分公司14×104m3/h制氫裝置，自2014年7月首次開(kāi)工運(yùn)行以來(lái)各月綜合能耗均低于設(shè)計(jì)值，但仍然有較大的優(yōu)化空間。通過(guò)進(jìn)一步降低轉(zhuǎn)化爐煙氣中氧含量及排煙溫度，提高轉(zhuǎn)化爐熱效率；增加PSA吸附時(shí)間，控制產(chǎn)品氫氣中CO+ CO2微量含量接近設(shè)計(jì)值20×10-6，防止出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量過(guò)剩，以提高PSA產(chǎn)品氫氣收率；降低裝置水碳比至接近設(shè)計(jì)指標(biāo)，從而增加蒸汽外輸量并減少轉(zhuǎn)化爐燃料消耗量；根據(jù)裝置氫氣產(chǎn)量合理調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化爐出口溫度使轉(zhuǎn)化爐出口殘余甲烷含量在曲線最優(yōu)點(diǎn)附近，使裝置綜合能耗降到更低。

［1］郝樹(shù)仁，董世達(dá).烴類轉(zhuǎn)化制氫工藝技術(shù)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2009：68-69.

［2］韓維濤，黃曉暉，曹衛(wèi)波，等.制氫裝置用能分析與節(jié)能措施［J］.煉油技術(shù)與工程，2012，42（8）：53-56.

［3］徐立群.制氫工藝改造的節(jié)能效果［J］.節(jié)能與環(huán)保，2006，10（2）：40-41.

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.09.015

2015-03-30）

許小云，工程師，2006年畢業(yè)于西南石油大學(xué)，從事制氫裝置工藝技術(shù)工作，E-mail：xuxiaoyun2@petrochina.com.cn，地址：廣西欽州市揚(yáng)帆大道石油公寓，535000。