淺談天然氣制氫裝置運行中的安全操作技術

謝先鋒

摘 要：天然氣制氫屬危險化學品生產行業，其生產安全尤為重要。本文以金鉬業集團公司800Nm3/h天然氣轉化制氫裝置為例，著重介紹了天然氣轉化制氫裝置在生產運行中各個階段的一些安全操作技術及安全注意事項，以確保天然氣制氫裝置長周期安全、穩定地運行。

關鍵詞：天然氣制氫;安全;操作;技術

0? 前言

金鉬集團相繼建成投產2套800Nm3/h天然氣轉化制氫裝置，制氫崗位人員大多是轉崗而來，初次接觸制氫專業，因此需進行全面的崗位安全技能培訓，才能確保制氫站安全、穩定、高效運行。

1、天然氣轉化制氫裝置簡介

天然氣制氫，首先自外界來的0.2MPa天然氣經壓縮機加壓至1.2MPa、預熱至350～400℃，然后脫硫至總硫含量小于0.2PPm，再與裝置余熱自產的1.2MPa蒸汽混合、加熱至500～600℃，進入裝有鎳催化劑的轉化管內在980～1050℃的環境下進行反應，制得720～860℃富含H2、少量CO、CO2的轉化氣，轉化氣經余熱回收至常溫后，最后經變壓吸附提取H2，雜質解吸氣返回轉化爐燃燒為反應提供熱量。其原料、中間產品和產品大多屬于易燃、易爆、有害介質，生產過程高溫高壓;其主要生產裝置火險類別為甲類，爆炸危險區域劃分為2區，是企業和地方政府的重點防火、防爆單位。

2、天然氣制氫裝置安全生產技術要點

2.1? 裝置開車

整個開車過程包含系統氮氣循環升溫、脫硫劑天然氣加氫升溫還原及轉化催化劑蒸汽升溫、轉化催化劑加氫還原及投料輕負荷生產等三大階段。

2.1.1? 防置換不合格：裝置開車前必須用氮氣（N2≥99.9%）對整個裝置工藝氣系統的設備、管道進行徹底置換，直到在裝置內多點取樣分析氧含量≤0.5%方為合格，否則有發生燃燒或爆炸的危險。

2.1.2 防氣體泄漏：氮氣置換合格后，充氮升壓，按氣密實驗技術要求進行系統氣密試驗，徹底消除所有漏點。

2.1.3防點火爆炸事故：轉化爐燒嘴點火操作，必須按規程先放入火源后緩開燃氣閥門。如第一次點火不成功，禁止馬上進行第二次點火;需待入爐膛的天然氣被置換并分析合格后，才能進行第二次點火。否則極易發生爐膛燃氣爆炸事故。

2.1.4 防溫度驟變：點火升溫初期時，溫升速率控制在10～20℃/h為宜，超過30℃/h則有產生熱應力而至變形的危險;升溫階段后期溫升速率也須控制在50℃/h以內。

2.1.5? 防蒸汽管道水擊現象：轉化催化劑從氮氣循環系統升溫切換為蒸汽升溫時，導入蒸汽前一定要先進行暖管操作，即緩慢引入少量蒸汽進入將要投用的工藝蒸汽管道，進行管道預熱，然后通過導淋閥排凈冷凝水。否則易發生水擊現象，發生損傷損壞管道及設備的危險。

2.1.6? 防轉化氣余熱鍋爐管殼層間壓差溫差太大：轉化爐蒸汽升溫階段，其蒸汽介質需在轉化氣余熱鍋爐后放空，如放空閥全開，則其前端壓力接近為零，于是造成轉化氣余熱鍋爐管殼層間壓差溫差過大，易損傷余熱鍋爐。因此升溫蒸汽介質放空時，在保證工藝蒸汽流量的前提下，維持放空前端設備的壓力越高越好，即余熱鍋爐管殼層間壓差越小越好。

2.1.7? 防脫硫系統溫度飛升：MF-2脫硫劑中的MnO2和Fe2O3等使用前需用H2還原，由于還原反應放出大量熱，如果控制不當，則可能發生脫硫劑床層溫度“飛升”現象，損壞脫硫劑和設備，所以脫硫劑的升溫還原應嚴格按規定程序進行。如出現30s內升高50℃的溫度飛升現象，應采取停止加熱和配氫，加大氣量帶走床層反應熱，以迅速控制床層溫度不超過500℃，整個床層飛溫消除后，方可繼續正常升溫。

2.1.8? 防一次投料過多

轉化催化劑加氫還原階段的工藝介質為脫硫合格后的天然氣、蒸汽及少量氫氣，此時的催化劑活性低，如投入天然氣過多，則極易發生結碳損傷催化劑的危險;因此操作時，投料量一般控制在設計負荷的10%左右。

2.1.9? 防下段工序影響上段工序

輕負荷生產階段，合格的轉化氣需進入下段變壓吸附（PSA）工序進行氫氣提純，而此時的PSA壓力往往較低，且各吸附塔間壓力高低不同，此時如全開轉化氣出口閥，將造成轉化工序壓力、流量、溫度的大幅波動，甚至發生事故。因此導轉化氣操作，應緩慢開啟出口閥，閥門開度以維持轉化工序設計壓力為準，當PSA工序正常后，再全開轉化氣出口閥，以避免轉化工序的大幅波動。

2.1.10? 防爐膛溫度大幅波動

PSA工序運行前，轉化爐以天然氣燃燒提供熱能，當PSA工序運行后即有解吸氣產出，需將解吸氣導入轉化爐燃燒，替代部分燃料天然氣。導解吸氣操作遵循“先減后導”原則，即每個燃燒器進行先減天然氣，后緩慢開啟解吸氣閥的操作，并觀察燃燒情況。解吸氣導入燃燒后，對燒嘴燃燒情況、爐膛溫度分布情況、爐膛負壓、煙氣氧含量等的調整十分重要，以防脫火、回火、后燒等異?，F象發生和爐膛溫度的大幅波動。

3、裝置運行

3.1? 防崗位人員思想麻痹大意

裝置穩定運行時，崗位操作人員安全意識容易淡化，往往注意不到設備、外界條件或系統的細微變化，最終導致系統失衡，甚至造成事故。因此，裝置越是正常時越要加強崗位責任建設，及時發現和消除安全事故隱患，確保系統安全穩定運行。

3.2巡檢技術要點

巡檢時除隨身攜帶微量可燃氣體監測儀外，還可通過以下方法檢查系統運行狀況。聽：根據聲音判斷設備運行狀況，有無泄漏聲音等;嗅：根據氣味判斷設備有無燒焦、泄漏等異常情況;摸：根據溫感、振感等判斷設備的運行狀況;看：根據溫度、壓力、液位、顏色、等判斷設備狀況;比：通過比較，判斷狀況;查：檢查原因，判斷狀況。

3.3? 加減負荷操作技術要點

緩速：分多次操作逐步達到目標負荷;加負荷操作順序：燃料氣、蒸汽、原料氣;減負荷操作順序：原料氣、蒸汽、燃料氣。

3.4? 防轉化催化劑結碳

高水碳比安全但不節能，低水碳比節能但不安全。因此水碳比維持在3.3～3.5間較為安全、經濟;盡量避免水碳比在3以下，轉化催化劑有結碳風險。

3.5 防汽包干鍋

汽包液位的真實、穩定，是防止汽包干鍋的有效措施。因此內操人員須重點關注，外操人員須通過現場觀察、比較判斷液位的真實性，防止汽包干鍋造成鍋爐爆炸事故。

4、裝置緊急停車

當裝置出現突然停電、引風機停轉、鍋爐給水泵無法正常供水、脫鹽水中斷、循環冷卻水中斷、天然氣中斷、儀表空氣中斷等情況時，天然氣轉化及PSA需要采取緊急停車措施。

4.1 緊急停車操作原則

不同突發性事故有不同的應急處理重點，但一般原則如下：

4.1.1 斷燃料氣：消除高溫;

4.1.2 斷原料氣，工藝氣和蒸汽泄壓：防爆炸;

4.1.3 脫硫系統保溫保壓、轉化催化劑蒸汽鈍化、PSA保壓：保護脫硫劑、催化劑、吸附劑。

4.1.4 燜爐、運轉設備停機完善：保護設備;

4.1.5 安全檢查：確保系統安全;

4.1.6 外部聯絡：確保關聯單位安全等。

4.2 裝置緊急停車操作一般性步驟

截斷燃料氣、脫硫系統保溫保壓、轉化催化劑蒸汽鈍化、? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?PSA保壓、泄壓、保護盤管、燜爐、運轉設備停機完善、外部聯系、系統安全檢查。

5、裝置正常停車

5.1 注意轉化氣廢熱鍋爐保護

在裝置停車過程中，由于原料氣的退出，極易造成轉化氣廢熱鍋爐的管層和殼層間的壓差過大而影響廢鍋安全，因此在進行轉化氣放空氣操作時，一定要關小廢鍋出口閥，確保其管殼層間壓差基本不變。

5.2 防轉化催化劑浸泡

轉化催化劑蒸汽鈍化結束后，由于溫度的降低，爐管內殘留的蒸汽便有可能結露，附著于催化劑表面而浸泡催化劑。因此一定要用氮氣吹掃盡爐管內殘留的蒸汽，并用氮氣沖壓保護。

5.3 防天然氣閥門內漏

停車后如天然氣閥門關閉不嚴，天然氣漏至較高溫度的轉化爐膛內，則極易發生爆炸事故。因此停車操作完成后，一定要檢查所有天然氣閥門是否關嚴，并打開入爐燃料氣放空閥，確保無任何可燃氣體漏入爐膛。

6、變壓吸附操作注意事項

6.1 在進行程序切換或者檢修時要防止高壓逆放，如吸附塔需要卸壓，可以通過‘均壓’方法來降低壓力緩慢卸壓或者用手動閥門緩慢卸壓，防止氫氣流速過快造成燃燒。

6.2 如果要更換程序控制閥，一定要用氮氣置換吸附塔，通過取樣分析吸附塔內的可燃氣體已置換干凈方可進行閥門更換。

6.3 嚴格禁止用原料氣（轉化氣）吹掃管道，防止發生燃燒事故。

6.4 在巡檢時要留意產品氫氣管道的法蘭連接點，純氫氣燃燒時是無色的，常見的情況是往往感到管道有灼熱點，然后才發現有氫氣泄露。撲滅氫氣火焰用‘干粉滅火劑’進行撲滅，火勢大則立即報警消防部門。

7、結語

綜上所述，天然氣制氫雖然屬于危險化學品生產，但只要我們加強崗位安全技術學習，切實掌握安全操作技能，并嚴格按照安全操作規程作業，就能確保天然氣轉化制氫裝置安全運行，金鉬集團公司先后3套天然氣制氫裝置連續生產近20年來，從未發生安全事故就是證明。

參考文獻

[1]四川天一科技股份有限公司.金堆城鉬業集團有限公司二期800Nm3/h天然氣轉化制氫施工圖設計（工程號：0956）工藝操作原則 圖號：0956-30-02-1，2009年4月