制氢装置能耗分析及节能措施的探讨
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摘 要：本文分析了中国石化海南炼化有限公司制氢装置的能耗构成及影响能耗的主要因素，从装置的技术特点出发，对制氢装置的节能减排进行探讨，明确了提高装置利用率、降低燃料气、电的消耗是降低能耗的主攻方向。通过采用一系列的节能措施，如给鼓引风机增设变频器并投用功率较小的压缩机代替原来功率较大的压缩机，大大降低了电的消耗；对转化炉的内壁进行喷涂红外反辐射涂料，余热回收系统更换热管，提高了装置的利用率，降低了燃料气的消耗。工业运行结果表明：改进后的方案能保证系统安全平稳运行，经济效益显著。
关键词：制氢装置 转化炉 余热回收系统 能耗 节能
一、前言
中国石化海南炼化分公司制氢装置于2006年建成投产，本装置以燃料气和PSA尾气为原料，设计能力为6×104Nm3/h工业氢，装置的产品氢气纯度为99.99%，年开工时数为8400小时，相当于年产纯氢4.59万吨。但在生产中为适应下游加氢装置处理量的要求，其实际处理量仅为设计负荷的30%～40%，造成了大马拉小车的现象。这不仅使装置的生产力没有得到充分利用，并且增加了装置的损耗率，对运行和投资来说都是一种浪费[1-2]。为了改变装置高能耗低效益的不利局面，尽可能低的降低能耗及生产成本，在2009年至2011年陆续对部分制氢装置进行了技术改造，取得了一定效果。
二、制氢装置技术特点
装置采用烃类水蒸气转化法造气和变压吸附法提纯氢气的工艺，以天然气和RDS装置提供的PSA尾气为原料，当PSA尾气及天然气供给量不足时可以以罐区提供的液态烃及石脑油为补充原料，产品氢气纯度可达99.99%，副产品为变压吸附尾气，全部用作转化炉燃料。装置不设原料预热炉，原料用过热蒸汽预热，并采用三合一产汽流程（即烟道气、转化气、中变气的产气系统共用一台汽水分离器）以及转化炉烟气多段换热系统等诸多措施尽可能回收转化炉的余热，提高了转化炉的利用率。
三、原料能耗分析
由表1为2008年2、4、6月该装置的加工能耗统计，由表1可知制氢装置能耗主要由燃料气、蒸汽、水和电等构成，其中燃料（燃料气与脱附气之和）能耗最大，其次是电。因此降低燃料气、电的消耗是降低制氢装置能耗的主攻方向。造成如此高的能耗主要有以下几个方面的原因：
转化炉效率低。由表1所示，2008年2、4、6月制氢装置每月能耗约为设计值的1.2-1.74倍，其中燃料气能耗约为设计值的2.17-2.32倍。并且由表2可知脱附气中含有40%-50%的CO2及42%-52%的热值较低H2，大量的CO2的存在不仅降低了燃烧效率，而且CO2随烟气排出时带走了大量的热量降低了转化炉的反应温度，这样为了满足转化反应所需的热量就需要消耗更多的燃料气。由此可见虽然装置负荷降为设计的30%～40%，但为了满足反应所需的热量，转化炉所消耗的燃气热量与工艺负荷调整并不配套，能耗仍大大超出设计值。
余热回收系统利用率较低。余热回收系统各段换热效率随着装置的运行而逐年下降，热管部分失效导致排烟温度过高，烟气带走的大量热量也是影响制氢能耗居高不下的主要因素。
动力、公用工程及系统散热损耗。装置低负荷生产，但是各机泵满负荷运转，造成电能浪费，2008年2、4、6月电能单耗大约为设计值的1.63-3.33倍，大大超出了设计值。各个公用工程能耗如脱盐水、循环水等也略微高出设计值，与装置的负荷降量亦不相匹配，造成一定能源浪费。
针对制氢装置的用能分析，将从提高转化炉热效率、提高余热回收系统利用率及降低电能消耗3个方面进行优化改造
（一）提高转化炉热效率
转化炉是制氢装置的关键设备之一，也是主要的耗能设备，其运行水平的高低直接影响到装置能耗水平和经济效益。因此降低转化炉能耗，提高其热效率对装置的节能减排意义重大。在转化炉运行时，转化炉炉墙、金属构架及其汽水管道、烟风道等的表面温度都比周围空气温度高，就不可避免的其部分热量散失于大气中。其大小主要取决于锅炉散热表面积的大小、表面温度和周围空气温度等因素，同时还与水冷壁和锅炉墙的结构，保温层的性能和厚度有关。可以说，这种损失是不可避免的[3-4]。要降低转化炉能耗，只能通过提高转化炉的热效率来尽可能的降低能耗。
1.转化炉内壁喷涂红外反辐射涂料
在2009年对制氢转化炉炉膛内衬里表面进行红外反辐射节能涂料的喷涂。这种涂料的原理在于其以高的吸收率将炉膛内燃料燃烧产生的红外辐射能量转化为涂层的热效应，再以高的发射率将热量以红外辐射的形式发射回炉膛。使未能被工件直接及时吸收的辐射热量可以通过炉窑衬体表面的红外辐射涂料再次传递给工件，从而达到节能目的。
2.修复转化炉部件
由于转化炉长时间运行，炉顶穿墙管处有超温现象，炉顶燃料气软管部分穿孔，使转化炉效率降低，也带来了极大的安全隐患。炉底烟道拱形砖断裂并且看火门、防爆门门衬缝隙大，使转化炉内热量大量泄漏。针对此问题，在大检修时，对炉顶穿墙管处做塞陶纤处理；更换炉顶燃料气软管及看火门、防爆门塞（5套）。更换40块炉底烟道拱形砖断裂，有效防止烟气外窜，使烟道盖板砖两侧烟气均匀，改善盖板砖的烟气环境，提高了烟气的利用率，从而提高了转化炉热效率。
（二）提高余热回收系统利用率
制氢装置转化炉烟气出口温度从2008年的160℃左右逐渐上升到198℃左右，这是由于炉内热管有部分由于氢蚀及局部长时间超温发生高温蠕变而导致热管换热效率降低、失效等现象[5-6]。并且过高的烟气温度又加速了热管失效，造成余热回收利用效率低，烟气出口温度超标。烟气温度上升不仅造成大量热损失，使瓦斯耗量偏大，转化炉效率下降，装置能耗费用增加，而且过高的烟气温度会影响引风机的正常运行，也带来了极大的安全隐患。
针对此问题，装置大修期间修复及更换了404根热管，并对其他热管进行清灰。由表3所示，投用后转化炉的排烟温度降至开工初期时的160度左右，并且转化炉余热回收系统各段进出口温差也变大，证明更换热管后各段回收余热能力加强。转化炉的燃料气的消耗虽然与大修前持平，但是脱附气的消耗大大降低，这样即节约了部分燃料消耗，转化炉的热效率也有所提高。
（三）降低电能消耗
1.投用鼓引风机变频器降低电能消耗
在通风系统中，风机的功率都是根据最大流量来选择的，但实际使用中流量随各种因素而变化（如季节、温度、工艺、产量等等），往往比最大流量小的多。要减少流量时，通常情况下只能通过关小和开大挡板的开度来调节风量。这种控制法的实质是通过改变烟道阻力大小来改变流量。当所需风量减少时，电机不能在满负荷下运行，此时除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，由于其输入功率大，且大量的能源消耗在挡板的截流过程中造成电能的浪费。当使用变频调速时，如果流量要求减小，通过降低泵或风机的转速即可满足要求。鼓引风机加变频器最大的作用是调速节能，并可以实现软启动保护电机和设备启动时降低对系统的冲击，还可以对风量和转化炉压力进行精度的控制。
由表4所示可知，若按每度电0.6元，一年运行300天计算，年节约电费
N=（224.33-31.5）×24×300×0.6+（291-126.5）×24×300×0.6
=83.4+71=154.4万元。加装变频器后电机的运转速度和运行负荷有了明显的降低，同时节能降耗的经济效益可观。
2.投用功率较小的设备降低电能消耗
由于制氢装置负荷比较低，因此公司将制氢原料压缩机1101-K-101（506 KW/h）切换至功率小的压缩机1101-K-104（208 KW/h）运行，节约电能298 KW/h，年节电250万度，年节约电费N=250×0.6=150万元。并且由于制氢进料管网压力较高可以满足制氢系统的反应所需压力，致使压缩机的出口压力与入口压力的差值较小，压缩比较低，这样不仅使制氢能耗居高不下，而且不利于压缩机的运行。因此计划在压缩机处增加一条跨线。当进料压力可以满足系统所需压力时可以实现停运压缩机，预计年节电174.72万度，年节约电费约N=174.72×0.6=104.8万元。
五、结论
通过对制氢装置存在的一些高能耗的现象的分析，指出影响能耗变化的关键因素。采取喷涂红外反辐射涂料，修复转化炉部件的方法来提高转化炉的热效率，降低装置能耗；采用更换热管等方法余热回收系统利用率，降低燃料气消耗；利用增设引风机变频器及投用功率较小的压缩机代替原来功率较大的压缩机的手段，降低了电能消耗，以此达到降低装置能耗的目的。
参考文献
[1] 王卫，程玉春，戴建波等.国内外蒸汽转化制氢催化剂及工艺进展[J].工业催化，2002（10）：3-6.
[2] 方友.100000Nm3/h制氢装置的技术特点及节能措施[J].广州化工，2010（38）：238-240.
[3] 关新国.制氢装置能耗与节能技改措施[J].节能，1999（3）：33-35.
[4] 熊标，刘静静.提高转化炉热效率降低单耗[J].科技信息，2011（7）：21-24.
[5] 刘艳睿.制氢转化炉排烟温度高的原因分析与解决措施[J].石油炼制与化工，2009（2）：9-12.
[6] 杨光明.热管式空气预热器在制氢转化炉上的应用[J].石油化工设备技术，2009（4）：21-23.
作者简介：于新婕（1986-）山东济南，硕士，中国石化海南炼油化工有限公司，研究方向：制氢节能、光催化。