焦化干气制氢装置提高制氢量研究

焦化干气制氢装置提高制氢量研究
韩其利;王贤山;魏艳艳;周海峰;王春雷
【摘要】Influence factors of improving hydrogen yield of hydrogen production unit were investigated by six-Sigma method. The results show that, when outlet temperature of the conversion reaction is 755~762 ℃, material volume is 3 360~3 400 Nm³/h, the hydrogen yield can reach 9 500 Nm³/h, and hydrogen purity can reach 99%, CO content in hydrogen is less than 10×10-6, CO2 content is less than 10×10-6.%通过六西格玛方法探讨了
制氢装置提高制氢量的影响因素。

结果表明正和集团焦化干气制氢装置转化出口温度在755~762℃、原料气量在3360~3400 Nm³/h范围内，可以满足制氢量
≥9500 Nm³/h，氢气纯度≥99%，产品氢CO含量＜10×10-6，产品氢CO2含
量＜10×10-6要求。

【期刊名称】《当代化工》
【年(卷),期】2016(045)004
【总页数】3页(P803-804,808)
【关键词】六西格玛;制氢;焦化干气;转化反应
【作者】韩其利;王贤山;魏艳艳;周海峰;王春雷
【作者单位】正和集团股份有限公司，山东东营257342;正和集团股份有限公司，山东东营 257342;正和集团股份有限公司，山东东营 257342;正和集团股份有限公司，山东东营 257342;正和集团股份有限公司，山东东营 257342
【正文语种】中文
【中图分类】TQ116
正和集团制氢装置自2006年12月份开工以来产氢量平均在8 000 Nm³/h左右，与装置设计值存在偏差，有一定的提升空间。

随着企业加工规模的扩大，汽油加氢装置的开工运行，正和集团制氢装置目前产氢量已不能满足氢源需求，难以达到产品提升的需求。

本文从六西格玛的管理方法出发，查找装置存在的问题，找出根本原因并解决，以提高装置制氢能力，使效益最大化［1］。

正和集团的制氢装置设计是以焦化干气为主原料，生产氢气规模为10 000 Nm³/h 工业氢。

装置技术采用轻烃水蒸气转化造气、变压吸附（PSA）净化工艺技术路线。

其中，轻烃水蒸气转化造气、变压吸附（PSA）净化工艺技术均采用上海华西化工科技有限公司的专有技术。

该装置由原料气压缩、原料气精制、轻烃水蒸气转化、中温变换、PSA以及余热回收等部分组成［2］。

采用六西格玛过程能力分析方法对 2014年 4月至5月装置制氢量及相关数据分
析得出表1。

由表 1数据可以看出制氢装置制氢量均值为8507.3 Nm³/h，与装置设计值10 000 Nm³/h相差较大，制氢量CpK，PpK值均为0，过程能力很差，亟待改善。

氢气纯度均值99.659，满足装置要求，其CpK，PpK值表明其短期过程能力、长期过程能力尚可，能够满足控制要求。

产品氢CO含量均值为1.191，其CpK，PpK值表明其短期能力、长期能力充分，能够满足控制要求。

产品氢CO2含量均值5.573，其CpK，PpK值表明其短期能力、长期能力充分，能够满足控制要求。

对制氢装置运行单元进行因子分析，采用团队头脑风暴法对原料进装、脱硫部分、转化部分、中温变换部分、PSA提纯部分影响因子进行分析，共找出31个因子。

通过C&E矩阵对31个因子进行打分，采用柏拉图对关联因子进行筛选得出图1。

通过图1可知，有13个因子对目标影响近80%，对其13个因子用FMEA进一
步分析。

分析后得出可以速赢的三个因子：转化催化剂、中变催化剂及脱附气压力。

2.1 三因子速赢方式改善［3］
（1）转化催化剂撇头、筛选处理，补充Z418催化剂0.2 t，Z417催化剂0.9 t。

转化气中催化剂含量为4.6%左右。

（2）中变催化剂更换11.3 t。

中变气中CO含量1.60%左右。

（3）脱附气压力调整为0.04 MPa。

投用小火嘴，将脱附气与燃料气分开燃烧。

火嘴燃烧正常。

三因子速赢后，制氢量约提高至8 727 Nm³/h。

2.2 关键因子相关性分析
速赢后FMEA分析得出关键因子有原料气量、配氢量、转化出口温度。

对关键因
子相关性分析得出表2。

由表2数据可以看出原料气量、转化出口温度与制氢量是相关的，配氢量与制氢
量无相关性。

为避免浪费氢源，同时考虑到装置工艺运行要求，将配氢量定为（300±10）Nm³/h［4，5］。

原料气量、转化出口温度与制氢量有显著影响。

对其进行回归分析得出：制氢量
=14 687-4.89原料气量+0.000 967原料气量2；制氢量=489 843-1 291转化
出口温度+0.866 4转化出口温度2。

影响制氢量的关键因子有2个，在已确认为最优区域的范围内，进行响应曲面实验，来研究响应变量Y与自变量X的关系，进而找到自变量的参数设置使得响应
变量Y得到最佳值。

通过CCF设计，得出表3。

通过响应曲面实验得出：模型总体有效，没有失拟现象。

R-Sq=98.24%与R-Sq （调整）=96.98%比较接近，说明模拟较好。

转化出口温度、原料气量×原料气量、转化出口温度×转化出口温度、原料气量×转化出口温度都是高度显著的，而原料
气量则不显著。

最后确定回归方程为：制氢量=567 088-11.8原料气量-1 448转化出口温度
+0.007 44原料气量×原料气量+1.07转化出口温度×转化出口温度-0.0473原料气量×转化出口温度（图2）。

Hydrogen Production
为保证装置稳定运行，考虑到装置运行后期转化炉尾管出现严重炭化现象，转化出口温度不宜过高。

我们要求转化出口温度低于762 ℃。

根据等值线图结果，我们确定转化出口温度在755～762 ℃、原料气量在3 360～3 400 Nm³/h范围内（如图2中阴影部分所示），可以满足制氢量≥9 500 Nm³/h，氢气纯度≥99%，产品氢CO含量＜10×10-6，产品氢CO2含量＜10×10-6要求。

由图3可知：改善前后制氢量对比发现，制氢量明显提高，且数据正态分布，过程能力较好。

4 结论
通过六西格玛分析，制氢装置制氢量的关联因子有转化出口温度及原料气量。

实验设计得出转化出口温度在755～762 ℃、原料气量在3 360～3 400 Nm³/h范围内，可以满足制氢量≥9 500 Nm³/h，氢气纯度≥99%，产品氢CO含量＜
10×10-6，产品氢CO2含量＜10×10-6要求。

经过改善，制氢量达到了预期的目标，同时氢气纯度、产品氢CO含量、产品氢CO2含量等指标也得到了保证，但由于时间关系，对长期流程能力的状况还有待进一步验证。

同时需要按照控制计划，监控各参数的指标，将制氢量控制在目前水平。

Research on Increasing Hydrogen Yield of Hydrogen Production Unit With Coking Dry Gas as Raw Material
HAN Qi-li，WANG Xian-shan，WEI Yan-yan，ZHOU Hai-feng，WANG Chun-lei（Zhenghe Group Co.，Ltd.，Shandong Dongying 257342，China）Abstract： Influence factors of improving hydrogen yield of hydrogen production unit were investigated by six-Sigma method. The results show that，when outlet temperature of the conversion reaction is 755～762 ℃，material volume is 3 360～3 400 Nm³/h，the hydrogen yield can reach 9 500 Nm³/h，and hydrogen purity can reach 99%，CO content in hydrogen is less than 10×10-6，CO2content is less than 10×10-6.
Key words： Six-Sigma；Hydrogen production；Coking dry gas；Conversion reaction
中图分类号：TQ 116
文献标识码： A
文章编号： 1671-0460（2016）04-0803-02
收稿日期： 2016-03-02
作者简介：韩其利（1968-），男，山东省东营市人，高级工程师。

为保证装置稳定运行，考虑到装置运行后期转化炉尾管出现严重炭化现象，转化出口温度不宜过高。

我们要求转化出口温度低于762 ℃。

根据等值线图结果，我们
确定转化出口温度在755～762 ℃、原料气量在3 360～3 400 Nm³/h范围内（如图2中阴影部分所示），可以满足制氢量≥9 500 Nm³/h，氢气纯度≥99%，产品氢CO含量＜10×10-6，产品氢CO2含量＜10×10-6要求。

由图3可知：改善前后制氢量对比发现，制氢量明显提高，且数据正态分布，过
程能力较好。

通过六西格玛分析，制氢装置制氢量的关联因子有转化出口温度及原料气量。

实验
设计得出转化出口温度在755～762 ℃、原料气量在3 360～3 400 Nm³/h范围内，可以满足制氢量≥9 500 Nm³/h，氢气纯度≥99%，产品氢CO含量＜
10×10-6，产品氢CO2含量＜10×10-6要求。

经过改善，制氢量达到了预期的目标，同时氢气纯度、产品氢CO含量、产品氢CO2含量等指标也得到了保证，但由于时间关系，对长期流程能力的状况还有待
进一步验证。

同时需要按照控制计划，监控各参数的指标，将制氢量控制在目前水平。

【相关文献】
［1］中国质量协会.六西格玛管理［M］.第三版.北京：中国人民大学出版社，2014.
［2］王正烈.物理化学［M］.第二版.北京：化学工业出版社，2006.
［3］王者顺.制氢装置操作工［M］.北京：中国石化出版社，2007.
［4］庞少伟，李栋，秦建军.焦化干气制氢装置运行分析及扩量改造研究［J］.石油与天然气化工，2011，02（11）：132-136.
［5］杨川，等.天然气组分对合成氨装置的影响［J］.云南化工，2014 （3）∶32-36.。