左子民
（宁波中金石化有限公司，浙江 宁波315200）
［摘 要］宁波中金石化有限公司90 000 m3/h煤制氢装置生产工艺为多喷嘴水煤浆气化（2台气化炉，一开一备，设计气化压力1.5 MPa）、耐硫全变换、MDEA脱硫、VPSA脱碳、PSA提氢。实际生产中，气化炉单对烧嘴运行、气化炉倒炉、煤制氢装置跳停后重启等异常工况下会出现变换炉（一变炉）催化剂床层超温、变换气中CO含量超标等问题。经分析与测算，变换系统脱灰槽入口额外配入1条DN150中压蒸汽管线（尚需进一步论证后择机实施）用于提升粗合成气水气比，预期可解决上述异常工况下一变炉催化剂床层超温以及变换系统提负荷过快或负荷较高时一变炉垮温等问题，利于变换系统的操作调控与节能降耗以及整套煤制氢装置的安、稳、长、满、优运行。
［关键词］煤制氢装置；变换系统；异常工况；水气比低；变换催化剂床层超温；水气比计算；优化改进；预期改进效果
［中图分类号］TQ546 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2024）05-0063-04
0 引 言
宁波中金石化有限公司（简称宁波中金）煤制氢装置（粗合成气制氢装置），由中石化宁波工程有限公司设计，中石化第十建设有限公司施工安装，于2018年1月建成中交，2018年12月26日投料试车成功；煤制氢装置设计产能为氢气90 000 m3/h（标态，下同），加氢低分气（宁波中金芳烃部副产粗氢气送至PSA系统提纯获得氢气）产氢量18 000 m3/h，最终向外界提供流量108 000 m3/h、压力1.7 MPa、纯度≥99.95%的氢气；年开工时长8 400 h，连续运行时间为3 a（宁波中金3 a进行一次全厂大修）。煤制氢装置工艺流程为，多喷嘴水煤浆气化系统（2台气化炉，一开一备，设计气化压力1.5 MPa）所产粗合成气经耐硫变换系统进行全变换（并充分利用变换反应余热副产1.0 MPa蒸汽自用、并网，且变换系统部分凝液送至气化系统回收利用），变换气经MDEA脱硫系统脱硫后送至VPSA脱碳系统脱碳，脱碳后的粗氢气经压缩机加压后送至PSA提氢系统，得到纯度≥99.95%的氢气送至全厂氢气管网，PSA提氢系统产生的解吸气送至全厂燃料气管网。
实际生产中，会遇到煤浆泵跳停抢修致气化炉单对烧嘴运行、气化炉运行周期已满例行倒炉、煤制氢装置跳停（主要为气化系统或变换系统跳停导致煤制氢装置跳停）后重启等异常工况，造成粗合成气量瞬间大幅减少，粗合成气温度快速降低致水气比过低（系统内虽设有额外补充中压蒸汽以提高水气比的管线，但因其管径设计过小而无法有效快速提升水气比），引起CO在变换炉（主要是一变炉）内深度反应，发生甲烷化等副反应，导致变换催化剂床层超温、变换气中CO含量超标等问题。针对上述影响变换系统长周期安全运行的问题，有必要进行全面分析与探讨，并采取相应的解决措施。
1 变换系统工艺流程简介
气化系统送来的温度165 ℃、压力1.1 MPa的粗合成气，经粗合成气进料分离器分离凝液后进入脱灰槽（脱灰槽内装有保护剂，用于阻挡炭黑等杂质与毒物，以保护变换催化剂），脱灰后的粗合成气进入粗合成气加热器被1#变换炉出口变换气预热至220 ℃左右进入1#变换炉内进行深度CO变换反应，1#变换炉出口变换气[温度约390 ℃、CO含量约5.2%（体积分数，下同）]依次进入粗合成气加热器（预热粗合成气）、中/低压蒸汽发生器一端回收热量（副产1.0 MPa、250 ℃中/低压饱和蒸汽），变换气降温至200 ℃左右后进入2#变换炉继续进行变换反应，2#变换炉出口变换气（温度约230 ℃、CO含量约0.7%）再经中/低压蒸汽发生器另一端回收热量，变换气降温至195 ℃后进入3#变换炉继续进行变换反应；出3#变换炉的变换气（温度约198 ℃、CO含量＜ 0.55%）分成两股分别进入低压锅炉水预热器、低温热水加热器，换热后汇合进入变换气空冷器降温，随后进入变换气第一分离器，分离冷凝液后的变换气再经变换气水冷器冷却至约40 ℃进入变换气洗氨塔，洗氨后的变换气依次经过MDEA脱硫系统、VPSA脱碳系统、中压蒸汽驱动（汽轮机驱动）压缩机提压系统、PSA提氢系统产出合格氢气并入宁波中金氢气管网。
2 异常工况
2.1 煤浆泵跳停抢修致气化炉单对烧嘴运行
宁波中金煤制氢装置正常运行期间，偶尔会出现煤浆泵隔膜破裂、进出口单向阀内漏、电机轴承磨损严重等问题，气化系统须紧急停运故障煤浆泵（每台气化炉配套2台煤浆泵，两开无备）进行抢修处理，此时气化炉保持单对烧嘴运行，粗合成气量大幅减少，煤制氢装置氢气产量降至约20 000 m3/h、系统负荷约21%，远低于系统设计最低负荷40%，而煤浆泵抢修过程一般持续6～7 h，在此期间粗合成气量大幅减少，变换系统水气比快速降低，耐硫变换系统变换反应深度难以控制，若反应放热量增多而难以被及时带出催化剂床层，常会造成一变炉（1#变换炉）催化剂床层温度快速上涨，同时易引发甲烷化等副反应，最终因变换催化剂床层长时间超温而致催化剂烧结、活性降低、使用寿命缩短等。
2.2 气化炉运行周期已满需例行倒炉
气化炉倒炉期间，气化系统A/B系列相互切换，新投用气化炉一对烧嘴投料成功升压完成后，开始逐渐关小放空量，相应地另一台气化炉逐渐开大放空，直至新投用气化炉两对烧嘴均投料完成且粗合成气全部并入系统，另一台气化炉正常停运。切换过程中，前期气化系统负荷较低，水洗塔出口放空阀口径较大，操作过程中易造成粗合成气气量不稳（频繁波动），影响变换系统以及整个煤制氢装置的稳定运行；同时，新投运的气化炉与整个气化水系统前期整体热负荷过低，水洗塔塔盘补水水温较低，导致粗合成气温度长时间偏低且上涨缓慢，粗合成气水气比远低于工艺要求，低水气比粗合成气进入耐硫变换系统后，一变炉催化剂床层超温严重。
2.3 煤制氢装置跳停后重启
更多内容详见《中氮肥》2024年第5期