制氢装置配氢线改造解决转化催化剂结焦方案

杨文杰

摘 要：本文针对某公司制氢装置配氢线进行技术改进和优化后，运行过程中出现的转化催化剂结焦问题进行分析，通过加装除油设施，进一步流程优化，实现配氢原料的清洁，在降低装置生产成本同时，增加经济效益，解决因配氢带油使转化催化剂结焦问题。

关键词：配氢;除油设施;花斑;红管

1 前言

该公司制氢装置原料气加氢部分，原设计有一条由外公司的配氢线，向原料气中配置3-5%（V）以上的氢气。为增加经济效益，通过流程优化和改造，配氢在正常生产过程由柴油加氢装置联合机组一级新氢出口氢气进行供应，但是改造后因联合机组新氢机活塞及活塞环在实际运行过程中磨损严重，需加大机组注油量，造成新氢压缩机一级出口氢气携带润滑油和重质烃，夹带至制氢装置使制氢装置加氢催化剂、脱硫催化剂造成一定程度结碳并使转化催化剂结焦失活，造成转化炉炉管出现大面积花斑与红管，导致制氢停工并更换转化催化剂，经济损失巨大。经调整配氢线引出位置，增加除油装置，确保制氢装置转化部分稳定。

2 装置配氢管线优化及改造方案

2.1 配氢管线改造原因

装置外购氢气每月花费15.6万元，自产氢气每月成本6.3万元，用自产氢每月可节省9.3万元，每年可节省111.6万元，能够产生较大的经济效益。装置试运行生产后，将配氢由外购改至裂解柴油加氢装置联合机组一级出口引出。

2.2 改造投入运行后出现的问题

装置于2015年1月31日投入生产。2月2日由1300 Nm3/h提至1810 Nm3/h满负荷时，发现转化炉出口甲烷含量异常升高，检查转化炉炉管发现有8根炉管出现不同程度花斑与红管，状态已经非常严重。

2.3 对出现炉管出现的花斑和红管进行原因分析

转化反应就是在不断的发生结碳、消碳的反应，当结碳速度快，转化催化剂就会形成积碳。积碳的形成会造成炉管出现花斑、红管、出口芳烃和甲烷含量增高等。我们根据下列原因造成对结碳的原因进行分析：

2.3.1 原料性质变化及催化剂中毒

原料中C5以上组分和烯烃的含量过高时，容易在转化炉内高温部位发生反应，导致在催化剂表面积碳，文献[1]要求原料组成中C5<0.5%;原料中的硫化物、氮化物以及烯烃的含量对转化催化剂具有毒害作用，甚至会导致转化催化剂的失活，因此原料气在进入转化炉之前必须进行加氢、脱毒使进入转化炉的原料气达到硫、氯含量<0.2μL/L，砷含量 <5 μg/g。开工以来原料气化验分析显示，原料气中C5< 0.5%、烯烃为0，转化原料中硫、氯<0.5ppm，不会造成结焦。

2.3.2 负荷及水碳比变化

负荷波动大，会导致气体在转化炉管内发生偏流，甚至造成个别炉管干烧，影响催化剂的使用寿命，装置标准负荷1929 Nm3/h，操作弹性50-120%，水碳比3.0-4.5，查看DCS有关天然气负荷和水碳比变化趋势，均在设计范围内。

2.3.3 反应及3.5MPa蒸汽温度和压力大幅波动

由于工艺的需要转化炉床层温度为480～850℃，而3.5MPa蒸汽的温度为240℃左右，如果反应或蒸汽温度大幅波动将会导致催化剂床层温度的巨大波动，如果温度下降将会导致烯烃穿透整个转化床层，最终导致炉出口甲烷含量上升，很容易导致转化催化剂下部催化剂积炭，而转化温度升高会导致催化剂的烧结，进而导致催化剂孔结构发生改变，活性中心发生变化，最终导致催化劑失活，因此蒸汽温度是保证催化剂稳定和炉管无异常的保证;配汽压力的波动最直接的表现为水碳比的变化，如果反应及3.5MPa蒸汽压力大幅波动很可能会导致转化系统的偏流，严重情况下发生催化剂失活，查看DCS历史趋势，排除温度及压力大幅波动造成结焦。

2.3.4 局部过热

局部过热将会使转化催化剂的烧结进而导致催化剂的孔结构发生变化，活性中心迁移，最终使催化剂失去活性导致催化剂表面积炭，为了排除这种情况的发生，将转化炉各炉管同一水平面的温度计进行比较，并在现场使用测温枪进行测量和记录，并进行对比，炉管不存在局部过热的现象。

2.3.5 原料气的带液量

对装置各个可能带油的管线进行低点排液，检查是否因为带油引起的花斑和红管的问题，在配氢调节阀前导淋放出带雾状的润滑油，估算含量约为0.3-0.8g/min，根据文献[2]配氢携带润滑油<0.1g/天的标准，润滑油的进入导致转化入口水碳比严重失调，进而引发催化剂发生积炭现象，导致转化炉管出现花斑现象。

3 解决转化催化剂结焦的方案

通过技术交流，确定造成转化炉炉管出现花斑及红管的原因是因为联合机组新氢机活塞及活塞环在实际运行过程中磨损严重后需加大机组注油量，造成新氢压缩机一级出口氢气携带润滑油和重质烃，而制氢的配氢线由加氢装置联合机组级间分液罐前管线引出未进行及时脱液，新氢压缩机一级出氢气携带润滑油和重质烃夹带至制氢装置使制氢装置加氢催化剂、脱硫催化剂造成一定程度结碳，经过转化炉对流段（原料预热段）预热至480-520℃，在高温的作用下润滑油携带的润滑油和重质烃使转化催化剂结焦失活，造成转化炉炉管出现大面积花斑与红管。对联合机组注油器的注油量进行分析，冷却分液后氢气中夹带雾状润滑油和重质烃含量约0.3-0.8g/min，按0.5g/min量计算每小时夹带量为30g左右，而每天的夹带量为720g，而根据计算只需要10kg的润滑油就可以导致转化炉出现花斑及红管从而停工。对此为了及时有效的脱除配氢中夹杂的润滑油保证配氢的清洁实施了技术改造。

通过与制氢配氢原来的流程图（1）对比改造后的配氢流程如图（2）引出线在加氢联合机组新氢一级压缩出口缓冲罐后路引出，与图（1）相比较可以利用压缩机一级出口缓冲罐对配氢进行脱液工作大大降低了配氢的携油量。另一方面在配氢管线上增设了一个除油过滤器和两个高效净化器，净化器内填充的氢气净化分子筛可以有效的将氢气中夹杂的润滑油和重质烃脱离出去，两个高效净化器可以串联在一起，可以并联在一起，也可以单独运行，即使在生产正在运行过程中，只要做好有效隔离就可以实现在线换剂，保障了制氢装置配氢的清洁，从而实现了制氢装置长周期良好的运行。

通过表格数据的对比：氢气纯度有较大幅度的提高，C5以上组分大幅降低，C2以上组分也有较大幅度的降低，一氧化碳含量、二氧化碳含量以及氧含量氮含量都有小幅度降低，由此可见此次技术改造解决了由于配氢携带润滑油和重质烃导致转化炉炉管的问题，大大提高了转化催化剂的使用寿命确保了制氢装置一个开工周期的平稳运行。

4 结论

通过此次配氢线的技术改造与优化，实现了配氢的自给自足，不需要依托其他公司提供配氢的要求，并且解决了配氢带油给转化催化剂带来的结焦、积炭的问题，大大延长了催化剂的使用寿命，也为三套加氢装置提供了稳定的氢气来源加以保障，确保制氢装置一个开工周期的平稳运行。

参考文献：

[1]东方石化30万吨/年柴油加氢装置操作规程[Z].东方石化，2016.

[2]东方石化4000Nm3/h制氢装置操作规程[Z].东方石化，2016.