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      轉(zhuǎn)化氣殘余甲烷的控制優(yōu)化

      2019-07-10 01:28:12超,趙
      石油化工應(yīng)用 2019年6期
      關(guān)鍵詞:氫氣甲烷天然氣

      左 超,趙 洋

      (中國石油蘭州石化公司煉油廠,甘肅蘭州 730060)

      1 轉(zhuǎn)化氣殘余甲烷含量的意義及影響

      1.1 轉(zhuǎn)化氣殘余甲烷含量的意義

      烴類蒸汽轉(zhuǎn)化的目的是最大限度地提取水和烴類原料中所含的氫,其核心反應(yīng)是轉(zhuǎn)化反應(yīng),主要反應(yīng)方程式為:

      根據(jù)反應(yīng)公式可以看出,烴類蒸汽轉(zhuǎn)化為強(qiáng)吸熱反應(yīng)過程,溫度越高,發(fā)生反應(yīng)的甲烷越多,生成的一氧化碳、二氧化碳及氫氣量越大,轉(zhuǎn)化就越完全。

      轉(zhuǎn)化率公式如下:

      式中:CO2、CO及CH4均為轉(zhuǎn)化爐出口轉(zhuǎn)化氣分析。

      從公式中可以看出,通過溫度調(diào)整,可以改變轉(zhuǎn)化率的大小,進(jìn)而影響轉(zhuǎn)化氣殘余甲烷含量的高低。據(jù)相關(guān)資料記載,轉(zhuǎn)化爐出口每提高10℃,轉(zhuǎn)化氣殘余甲烷含量降低0.8%。由于轉(zhuǎn)化反應(yīng)為可逆反應(yīng)[1],受動(dòng)力學(xué)及熱力學(xué)限制,轉(zhuǎn)化率有一個(gè)極值,當(dāng)達(dá)到平衡后,繼續(xù)提高溫度則對(duì)轉(zhuǎn)化反應(yīng)沒有任何影響。

      1.2 轉(zhuǎn)化氣殘余甲烷含量的影響[2]

      1.2.1 轉(zhuǎn)化氣殘余甲烷含量控制過高的影響

      (1)轉(zhuǎn)化氣中甲烷含量控制越高,參與轉(zhuǎn)化反應(yīng)的天然氣量就會(huì)越少,在產(chǎn)氫量不變的情況原料消耗增加,導(dǎo)致原料的浪費(fèi);

      (2)轉(zhuǎn)化氣中甲烷含量控制過高,需要降低反應(yīng)溫度來實(shí)現(xiàn),由于裝置轉(zhuǎn)化爐設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)限制,就會(huì)增加轉(zhuǎn)化爐操作難度,容易造成爐膛溫度分布不均,影響設(shè)備和催化劑的長周期運(yùn)行;

      (3)產(chǎn)品氫中對(duì)甲烷含量有限制值,轉(zhuǎn)化氣中甲烷含量高會(huì)降低PSA收率,造成氫氣浪費(fèi)。

      1.2.2 轉(zhuǎn)化氣殘余甲烷含量控制過低的影響

      (1)轉(zhuǎn)化氣甲烷含量控制過低,需要提高轉(zhuǎn)化反應(yīng)溫度,導(dǎo)致燃料消耗增加,裝置能耗升高;

      (2)轉(zhuǎn)化氣甲烷含量控制過低,需要反應(yīng)的溫度越高,容易造成催化劑及爐管超溫,對(duì)裝置安全平穩(wěn)運(yùn)行產(chǎn)生不利影響;

      (3)受PSA吸附劑裝填量的限制,過低的轉(zhuǎn)化氣甲烷含量會(huì)造成氫氣收率降低,不利于提高裝置經(jīng)濟(jì)效益。

      2 裝置現(xiàn)狀

      2.1 工藝說明

      煉油廠50 000 m3/h制氫裝置由中石化洛陽工程公司設(shè)計(jì),以天然氣為原料,采用烴類蒸汽轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)及沖洗再生式變壓吸附(PSA)提純氫氣的工藝路線,生產(chǎn)純度≥99.9%(V)的氫氣。其中造氣單元催化劑采用莊信萬豐公司生產(chǎn)的全系列制氫催化劑;PSA單元采用成都華西化工科技股份有限公司的全套工藝包[3]。

      2.2 轉(zhuǎn)化催化劑說明

      裝置轉(zhuǎn)化催化劑采用英國莊信萬豐上市公司開發(fā)的KATALCOJMTM25-4Q和KATALCOJMTM57-4Q催化劑,兩種催化劑的主要差別在于上層催化劑25-4Q含有抗積碳功能的鉀堿組分,催化劑的主要性質(zhì)(見表1)。

      表1 催化劑理化性質(zhì)

      2.3 轉(zhuǎn)化氣殘余甲烷控制現(xiàn)狀

      烴類蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝根據(jù)原料性質(zhì)、裝置設(shè)計(jì)參數(shù)的不同,目前轉(zhuǎn)化氣殘余甲烷沒有最佳控制范圍,綜合PSA的實(shí)際收率和系統(tǒng)的氫損失考慮,實(shí)際生產(chǎn)中各裝置轉(zhuǎn)化氣甲烷含量都會(huì)采取低于設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行操作。本裝置轉(zhuǎn)化氣殘余甲烷設(shè)計(jì)為6.3%,催化劑技術(shù)協(xié)議為6.27%,前期生產(chǎn)中裝置按廠家建議的4±0.5%進(jìn)行控制。

      3 優(yōu)化過程

      本裝置的設(shè)計(jì)產(chǎn)氫能力為50 000 m3/h,設(shè)計(jì)操作彈性為50%~110%,實(shí)際生產(chǎn)過程中,根據(jù)系統(tǒng)氫氣消耗能力需求,裝置最低負(fù)荷控制在30%,同時(shí)裝置受轉(zhuǎn)化爐負(fù)壓的限制,裝置的最高負(fù)荷僅能達(dá)到75%,因此,根據(jù)實(shí)際情況,主要分正常負(fù)荷和低負(fù)荷兩個(gè)方面采取措施進(jìn)行優(yōu)化。

      3.1 設(shè)計(jì)負(fù)荷范圍內(nèi)的優(yōu)化

      在設(shè)計(jì)負(fù)荷范圍內(nèi)生產(chǎn)時(shí),通過在典型負(fù)荷下進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試,找出最優(yōu)轉(zhuǎn)化氣殘余甲烷含量控制范圍,使裝置的天然氣和燃料氣消耗更為合理。由于制氫工藝的特殊性,其系統(tǒng)熱平衡關(guān)聯(lián)復(fù)雜,當(dāng)一個(gè)參數(shù)發(fā)生變化時(shí),整個(gè)系統(tǒng)的熱平衡就會(huì)重新建立,因此試驗(yàn)過程中要重點(diǎn)控制好以下參數(shù),確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確:相同負(fù)荷內(nèi),水碳比維持恒定;通過調(diào)節(jié)減溫減壓器DT-101,維持自產(chǎn)中壓蒸汽溫度恒定;調(diào)節(jié)火嘴時(shí),內(nèi)外操做好配合,確保爐膛溫度分布均勻。

      測(cè)試均從6.3%開始,然后按6℃/h的幅度逐步提高轉(zhuǎn)化爐出口溫度,利用在線儀表對(duì)轉(zhuǎn)化氣殘余甲烷含量進(jìn)行測(cè)定,直至轉(zhuǎn)化系統(tǒng)能承受的上限范圍,然后依據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析。測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)(見表2~表 4,圖1~圖 3)。

      表2 反應(yīng)溫度與轉(zhuǎn)化氣殘余甲烷控制關(guān)系表(天然氣量10 400 m3/h)

      表3 反應(yīng)溫度與轉(zhuǎn)化氣殘余甲烷控制關(guān)系表(天然氣量13 800 m3/h)

      表3 反應(yīng)溫度與轉(zhuǎn)化氣殘余甲烷控制關(guān)系表(天然氣量13 800 m3/h)(續(xù)表)

      表4 反應(yīng)溫度與轉(zhuǎn)化氣殘余甲烷控制關(guān)系表(天然氣量14 600 m3/h)

      表4 反應(yīng)溫度與轉(zhuǎn)化氣殘余甲烷控制關(guān)系表(天然氣量14 600 m3/h)(續(xù)表)

      通過以上分析可以看出,在設(shè)計(jì)負(fù)荷下,轉(zhuǎn)化氣殘余甲烷含量的最佳控制范圍基本上都在4.9%~6.3%范圍內(nèi)。當(dāng)?shù)陀?.9%以后,隨著反應(yīng)溫度的升高,實(shí)際殘余甲烷含量會(huì)高于理論計(jì)算值,反應(yīng)溫度越高,余差逐漸增大。

      3.2 低負(fù)荷范圍內(nèi)的優(yōu)化

      在低于50%負(fù)荷范圍內(nèi)生產(chǎn)時(shí),由于必須控制過高的水碳比,為控制適當(dāng)?shù)母邏和咚谷紵鹱?,從而確保爐膛溫度分布均勻,同時(shí)降低員工操作難度,此時(shí)一般需控制較低的轉(zhuǎn)化氣殘余甲烷含量,根據(jù)前期生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),在低于設(shè)計(jì)負(fù)荷下轉(zhuǎn)化氣殘余甲烷含量一般控制在4.5%~5.0%范圍。

      4 優(yōu)化前后效果及經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算

      4.1 優(yōu)化效果說明

      優(yōu)化前,轉(zhuǎn)化氣殘余甲烷含量一般控制在4.0±0.5%范圍,按照前面的生產(chǎn)試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果看,實(shí)際與理論余差約為0.5%,投入的燃料量較多,但沒有得到同等的氫氣收率。因此,造成裝置的燃料費(fèi)用較高,同時(shí)還加速了催化劑的老化失活,不利于裝置長周期運(yùn)行。

      圖1 反應(yīng)溫度與轉(zhuǎn)化氣殘余甲烷含量關(guān)系測(cè)試圖(天然氣量10 400 m3/h)

      圖2 反應(yīng)溫度與轉(zhuǎn)化氣殘余甲烷含量關(guān)系測(cè)試圖(天然氣量13 800 m3/h)

      圖3 反應(yīng)溫度與轉(zhuǎn)化氣殘余甲烷含量關(guān)系測(cè)試圖(天然氣量14 600 m3/h)

      優(yōu)化后,對(duì)轉(zhuǎn)化深度合理進(jìn)行管控,確保原料及燃料消耗與產(chǎn)出量呈正比關(guān)系,使裝置達(dá)到生產(chǎn)最優(yōu)。

      表5 10 400 m3/h加工量下主要數(shù)據(jù)對(duì)比表

      4.2 經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算

      經(jīng)過管控以后,裝置的燃料費(fèi)用更為合理,自2017年4月開始進(jìn)行管控后,裝置的燃料同比下降16元/噸,現(xiàn)舉例以10 400 m3/h的天然氣加工量對(duì)管控前后數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比(見表5)。

      通過表5可以看出,優(yōu)化后在加工負(fù)荷穩(wěn)定情況下裝置產(chǎn)氫量雖然減少400 m3/h,但是管網(wǎng)燃料消耗降低680 m3/h,優(yōu)化效果良好。同時(shí)經(jīng)過優(yōu)化,輻射室出口和轉(zhuǎn)化爐出口溫度均降低20℃以上,輻射室頂部溫度降低30℃左右,有利于爐管和催化劑的長周期運(yùn)行。

      5 結(jié)論

      隨著加氫技術(shù)的不斷發(fā)展,氫氣需求越來越旺盛,如何控制氫氣成本是當(dāng)今所有加氫裝置共同面臨的難題。通過對(duì)轉(zhuǎn)化率合理進(jìn)行優(yōu)化,不僅降低了裝置的燃料消耗,同時(shí)還確保了轉(zhuǎn)化爐管和催化劑的長周期運(yùn)行,產(chǎn)生的效益顯著。

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