制氫—裝置、重點(diǎn)部位設(shè)備說明與危險(xiǎn)因素及防范措施
一、裝置簡介
(一)裝置的發(fā)展及類型
1．制氫裝置的發(fā)展
氫氣是石油化工的基本原料，隨著加氫技術(shù)的發(fā)展，對氫氣的需求量日益增加，一般對于加氫裝置較多的煉油廠，除利用重整副產(chǎn)氫外，尚須有專門制氫裝置。
我國第一套輕烴蒸汽轉(zhuǎn)化制氫裝置是20世紀(jì)60年代建成的，隨后又陸續(xù)建立起多套制氫裝置，這時(shí)期的氫氣凈化技術(shù)為化學(xué)凈化法。
進(jìn)入20m世紀(jì)80年代以后，隨著變壓吸附技術(shù)的發(fā)展，新建的制氫裝置多采用變壓吸附凈化法。
2．裝置的主要類型
以制氫裝置的原料分：有天然氣制氫：油田伴生氣制氫；液化氣制氫；煉廠氣制氫；輕石腦油制氫等。
以產(chǎn)品精制方法分：有化學(xué)凈化法制氫：變壓吸附(PSA)凈化法制氫。
天然氣制氫造氣單元和PSA單元工藝流程見圖2—19a、圖2—19b、圖2—19c。
二、重點(diǎn)部位及設(shè)備
(一)重點(diǎn)部位
制氫裝置的原料及產(chǎn)品多為易燃、易爆物質(zhì)，整個(gè)裝置區(qū)內(nèi)都具有較大危險(xiǎn)性，其中危險(xiǎn)性最大的區(qū)域?qū)俎D(zhuǎn)化爐區(qū)和壓縮機(jī)區(qū)。
(二)主要設(shè)備
1．制氫轉(zhuǎn)化爐
轉(zhuǎn)化爐是制氫裝置的核心設(shè)備，它處于高溫、高壓、臨氫狀態(tài)下操作，對爐管材質(zhì)及結(jié)構(gòu)有嚴(yán)格要求。
目前，流行的轉(zhuǎn)化爐有三種爐型：一是以托普索公司為代表的側(cè)燒爐：二是以凱洛格公司為代表的頂燒爐；三是以福斯特惠勒公司為代表的階梯式轉(zhuǎn)化爐。•國內(nèi)流行的為頂燒爐和剛燒爐。
轉(zhuǎn)化爐爐管一般為DNl00mm×l2000mm，材質(zhì)為HK—40或HP—40的離心澆鑄管，由于爐管的溫度高，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮熱膨脹問題。
2．PSA吸附床
變壓吸附分離為間歇操作，對于每個(gè)吸附床來講，在高壓下吸附，在低壓下脫附，因此吸附床受交變壓力的作用，為疲勞容量，在設(shè)計(jì)、制造時(shí)要引起足夠重視。
三、危險(xiǎn)因素及其防范措施
本裝置在火災(zāi)危險(xiǎn)性分類中為甲類危險(xiǎn)性裝置。
(一)開停工時(shí)的危險(xiǎn)因素及其防范措施
1．開工時(shí)的危險(xiǎn)因素及其防范措施
(1)裝置全面大檢查
裝置全面大檢查是開工前非常重要的步驟，裝置在設(shè)計(jì)、施工當(dāng)中必然存在一些問題，通過檢查，發(fā)現(xiàn)問題，并進(jìn)行整改，以保證裝置安全順利開工。
(2)吹掃及沖洗
吹掃及沖洗的目的是吹出在施工時(shí)留在系統(tǒng)內(nèi)的雜質(zhì)，以保證裝置安全順利開工，吹掃時(shí)應(yīng)注意選用適宜的吹掃介質(zhì)。
(3)裝置氣密
制氫裝置系統(tǒng)氣密是裝置開工階段一項(xiàng)非常重要的工作，氣密工作的主要目的是查找漏點(diǎn)，消除裝置隱患，保證裝置安全運(yùn)行。加氫反應(yīng)系統(tǒng)的氣密工作分為不同壓力等級進(jìn)行，低壓氣密階段所用的介質(zhì)為氮?dú)狻?/P>
(4)裝置烘爐、煮爐
制氫裝置反應(yīng)系統(tǒng)干燥、烘爐的目的是除去反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)的水分，脫除加熱爐耐火材料中的自然水和結(jié)晶水，燒結(jié)耐火材料，增加耐火材料的強(qiáng)度和使用壽命。加熱爐烘爐時(shí)，裝置需引進(jìn)燃料氣，在引燃料氣前應(yīng)認(rèn)真做好瓦斯的氣密及隔離工作，防止瓦斯泄漏及竄至其他系統(tǒng)。加熱爐烘爐時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按烘爐曲線升溫、降溫，避免升溫過快，耐火材料中的水分迅速蒸發(fā)而導(dǎo)致爐墻倒塌。
余熱鍋爐煮爐的目的是除去鍋爐系統(tǒng)內(nèi)的施工時(shí)留下的鐵銹和油脂，以保證開工后能盡俠產(chǎn)出合格蒸汽。
(5)催化劑及吸附劑裝填
催化劑裝填應(yīng)嚴(yán)格按催化劑裝填方案進(jìn)行，催化劑裝填的好壞對制氫裝置的運(yùn)行情況及運(yùn)行周期有重要影響，催化劑裝填前應(yīng)認(rèn)真檢查反應(yīng)器及其內(nèi)構(gòu)件，檢查催化劑的粉塵情況，決定催化劑是否需要過篩。催化劑裝填最好選擇在干燥晴朗的天氣進(jìn)行，保證催化劑裝填均勻，否則在開工時(shí)反應(yīng)器內(nèi)會出現(xiàn)偏流或“熱點(diǎn)”，影響裝置正常運(yùn)行。催化劑裝填時(shí)工作人員需要進(jìn)入反應(yīng)器工作，因此，要特別注意工作人員勞動保護(hù)及安全問題，需要穿勞動保護(hù)服裝，帶能供氧氣或空氣的呼吸面罩，進(jìn)反應(yīng)器工作人員不帶其他雜物，以防止異物落入反應(yīng)器內(nèi)。
(6)系統(tǒng)氣密及置換
在完成催化劑裝填后，系統(tǒng)必須重新進(jìn)行氣密檢查，制氫系統(tǒng)置換分為兩個(gè)階段，即空氣環(huán)境置換為氮?dú)猸h(huán)境、氮?dú)猸h(huán)境置換為可燃?xì)猸h(huán)境。在空氣環(huán)境置換為氮?dú)猸h(huán)境時(shí)需要注意，置換完成后系統(tǒng)氧含量應(yīng)<1％，否則系統(tǒng)引入可燃性氣體時(shí)易發(fā)生危險(xiǎn)。
(7)脫硫系統(tǒng)升溫開工
如果原料的硫含量高，加氫催化劑需要進(jìn)行硫化，如原料的硫含量較低，可不進(jìn)行硫化。氮?dú)庵脫Q合格后，建立氮?dú)庋h(huán)，系統(tǒng)升溫。
(8)轉(zhuǎn)化、中變催化劑還原
轉(zhuǎn)化催化劑在使用前需要將NiO還原為金屬Ni，中變催化劑的Fe2O3須還原為Fe3O4。
(9)轉(zhuǎn)化進(jìn)氣、中變催化劑繼續(xù)放硫
裝置進(jìn)原料氣，中變催化劑繼續(xù)放硫。
(10)PSA部分開工
PSA部分開工應(yīng)嚴(yán)格按開工方案進(jìn)行，PSA部分嚴(yán)禁帶水，以免損壞吸附劑。
(11)調(diào)整操作向外供氫
調(diào)整系統(tǒng)操作，氫氣質(zhì)量合格后向用氫裝置供氫。
2．停工時(shí)的危險(xiǎn)因素及其防范措施
制氫裝置停工過程中屬于不穩(wěn)定過程，操作參數(shù)變化大，如不注意也容易發(fā)生問題。因此，停工過程應(yīng)認(rèn)真組織，嚴(yán)格按停工方案進(jìn)行。
(二)正常生產(chǎn)時(shí)的危險(xiǎn)因素及其防范措施
1．遵守“先降溫后降量”的原則
制氫裝置正常操作調(diào)整時(shí)必須遵守“先降溫后降量”，先降原料氣量，再降蒸汽的原則。
2．反應(yīng)溫度的控制
制氫裝置的反應(yīng)溫度是最重要的控制參數(shù)，必須嚴(yán)格按工藝技術(shù)指標(biāo)控制各反應(yīng)器的反應(yīng)溫度。
3．監(jiān)視轉(zhuǎn)化催化劑性能變化情況
轉(zhuǎn)化反應(yīng)為強(qiáng)吸熱反應(yīng)，如果催化劑活性下降，轉(zhuǎn)化爐管的壁溫會明顯升高，因此，通過觀察爐管顏色可判斷催化劑的狀況。如出現(xiàn)花管、紅管、熱帶，應(yīng)采取措施，進(jìn)行處理。
4．反應(yīng)系統(tǒng)壓力控制
制氫裝置反應(yīng)系統(tǒng)壓力是重要的工藝控制參數(shù)，影響裝置反應(yīng)系統(tǒng)壓力的因素很多，應(yīng)選擇經(jīng)濟(jì)、合理、方便的控制方案對反應(yīng)系統(tǒng)的壓力進(jìn)行控制。
5．控制毒物含量
轉(zhuǎn)化催化劑對硫、氯、砷等雜質(zhì)要求非常嚴(yán)格，一般要求S<0.2×10-6，Cl<0.5×10--6，As<50×10-9
6．加熱爐的控制
加熱爐是制氫裝置的重要設(shè)備，加熱爐的使用應(yīng)引起重視。加熱爐各路流量應(yīng)保持均勻，并且不低于規(guī)定的值，防止?fàn)t管結(jié)焦；保持加熱爐各火嘴燃燒均勻，盡量使?fàn)t常內(nèi)各點(diǎn)溫度均勻：控制加熱爐各點(diǎn)溫度不超溫；保持加熱爐燃燒狀態(tài)良好。
7.控制水碳比
水碳比是制氫裝置非常重要的工藝參數(shù)，必須嚴(yán)格控制，任何時(shí)候都不能低于給定值。
8．PSA部分操作調(diào)整
調(diào)整PSA部分的操作系統(tǒng)，使PSA部分達(dá)到合格的產(chǎn)品純度及回收率。
(三)設(shè)備腐蝕
1．高溫氫腐蝕
氫氣在常溫下對普通碳鋼沒有腐蝕，但是在高溫、高壓下則會產(chǎn)生腐蝕，使材料的機(jī)械強(qiáng)度和塑性降低。
高溫氫腐蝕的機(jī)理為氫氣與材料中的碳反應(yīng)生成甲烷，使材料的機(jī)械強(qiáng)度和塑性降低，形成的甲烷在鋼材的晶間積聚，使材料產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力或產(chǎn)生鼓泡、裂紋。至于在什么條件下產(chǎn)生腐蝕，則根據(jù)Nelson曲線確定。
為避免高溫氫腐蝕，制氫裝置高溫、高壓、臨氫部分的設(shè)備、管線多采用合金鋼或不銹鋼。
2．氫脆
氫原子滲入鋼材后，使鋼材晶粒中原子結(jié)合力降低，造成材料的延展性、韌性下降，這種現(xiàn)象稱為氫脆。這種氫脆是可逆的，當(dāng)氫氣從材料中溢出后，材料的力學(xué)性能就能恢復(fù)。
氫脆的危害主要出現(xiàn)在裝置的停工階段，裝置停工階段，系統(tǒng)溫度、壓力下降，氫氣在材料中的溶解度下降，由于氫氣溢出的速度很慢，這時(shí)材料中的氫氣處于過飽和狀態(tài)，當(dāng)溫度冷卻到150℃時(shí)，大量的過飽和氫氣會聚積在材料的缺隱處，如裂紋的前端，引起裂紋擴(kuò)展。所以裝置停工時(shí)降溫、降壓的速度應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?，進(jìn)行脫氫處理。
3．高溫n2S腐蝕
高溫H2S腐蝕主要發(fā)生在反應(yīng)系統(tǒng)高溫部分，高溫H2S腐蝕表現(xiàn)為與H2共同作用，氫氣的存在加強(qiáng)了H2S的腐蝕作用，同時(shí)，H2S的存在也加強(qiáng)了氫氣的腐蝕作用。該種腐蝕的防治方法是選擇抗H2S腐蝕材質(zhì)。
4．濕H2S的腐蝕
濕H2S的腐蝕形態(tài)主要有：電化學(xué)腐蝕引起的表面腐蝕；H2S腐蝕過程中，產(chǎn)生氫原子引起的氫脆、氫裂；硫化氫引起的應(yīng)力腐蝕破裂。
該種腐蝕的防止方法為：U2S濃度不高時(shí)，使用普通碳素鋼，適當(dāng)加大腐蝕裕度，在設(shè)備制造及施工中進(jìn)行消除應(yīng)力處理；當(dāng)H2S濃度較高時(shí)，選用抗H2S腐蝕材料，或?qū)υO(shè)備內(nèi)壁進(jìn)行內(nèi)噴涂處理。
(四)制氫裝置的安全設(shè)施
1．設(shè)備平面布置
制氫裝置火災(zāi)危險(xiǎn)性屬于甲類，設(shè)備平面布置按《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)放火規(guī)范》(GB50160--92)中的要求進(jìn)行布置。同類設(shè)備集中布置。
2.消防設(shè)施
制氫裝置內(nèi)設(shè)有環(huán)行消防道路，以利于發(fā)生事故時(shí)消防車進(jìn)出。裝置內(nèi)設(shè)有環(huán)行消防水管網(wǎng)，裝置內(nèi)設(shè)有多處消防蒸汽服務(wù)站，裝置內(nèi)設(shè)置有一定數(shù)量的干粉式滅火器。
3．防火、防爆
制氫裝置內(nèi)的截止多為易燃、易爆介質(zhì)，裝置內(nèi)的電器、儀器設(shè)備均選用防爆型設(shè)備管道、設(shè)備上安裝防靜電接地設(shè)施，要求接地電阻不大于4Ώ
4．加熱爐安全設(shè)施
加熱爐周圍設(shè)有蒸汽消防汽幕，加熱爐爐膛內(nèi)設(shè)有滅火蒸汽入口。
5．可燃?xì)怏w報(bào)警器
在可能發(fā)生可燃性氣體泄漏的位置，安裝可燃?xì)怏w報(bào)警器。
6．氣防用品
由于制氫裝置內(nèi)有H2S等有毒氣體，所以車間配備有防毒面具、正壓式呼吸器等氣防用品。
7．安全閥
按設(shè)計(jì)要求，凡需要安裝安全閥的部位均安裝有安全閥，而且按有關(guān)安全要求為雙安全閥。
(五)制氫裝置聯(lián)鎖系統(tǒng)
1.原料增壓機(jī)自身聯(lián)鎖系統(tǒng)
(1)潤滑油低壓聯(lián)鎖；(2)壓縮機(jī)軸承溫度高聯(lián)鎖；(3)電機(jī)軸承溫度高聯(lián)鎖；(4)軸位移大聯(lián)鎖；(5)軸振動大聯(lián)鎖。
2．制氫反應(yīng)部分聯(lián)鎖
(1)燃料氣低壓聯(lián)鎖；(2)中變氣高溫聯(lián)鎖；(3)最后一個(gè)分水罐高液位聯(lián)連；(4)余熱鍋爐汽包低液位聯(lián)鎖。
3．PSA部分聯(lián)鎖
(1)PSA油罐低液位聯(lián)鎖；(2)PSA油泵壓力低聯(lián)鎖；(3)PSA程控閥故障聯(lián)鎖。
