柴油加氫裝置石腦油直供重整工藝技術(shù)應(yīng)用

周海峰，王賢山，楊金生，孫向文

(正和集團(tuán)股份有限公司，山東 東營 257342)

華賁教授提出的能量結(jié)構(gòu)三環(huán)節(jié)理論，是關(guān)于合理用能的科學(xué)總結(jié)，其在能量利用環(huán)節(jié)中指出“能量綜合利用不僅應(yīng)在獨(dú)立裝置中開展，還應(yīng)在裝置與裝置間展開，在技術(shù)條件許可的情況下，進(jìn)行最大程度的能量綜合利用(熱出料、直供料及低溫?zé)崂玫?”。

在煉油化工過程的工藝核心部分，能量主要都是通過熱和機(jī)械功兩種形式傳給物流而被利用的，并且熱量占絕大部分。但是煉油、化工廠從外界獲得供給的能源一般總是含有化學(xué)能的燃料和點(diǎn)，少數(shù)有外供蒸汽。因此，能量的轉(zhuǎn)換和傳輸是各種工藝過程用能的一個(gè)共同的不可或缺的環(huán)節(jié)，它主要包括將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃康母鞣N爐子和將電能或工質(zhì)的內(nèi)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功及物流的水力能的各種機(jī)泵。

煉油和大部分化工過程的另一個(gè)重要特點(diǎn)是工藝物料多為傳熱性能很好的流體，主要工藝多為熱過程，所需要的熱量分布的溫度范圍很廣。這就使主要工藝過程完成后物流攜出的能量有可能得到最大限度的回收重復(fù)利用，從而大大減少需要供入的能量。

1 裝置間直供料

1.1 技術(shù)原理

裝置單元間的熱聯(lián)合是煉油廠熱量回收利用的一項(xiàng)重要措施，裝置間熱聯(lián)合打破以往裝置用能自成體系的局面，打破裝置界限，在多個(gè)裝置間進(jìn)行冷熱流的優(yōu)化匹配，在全公司范圍內(nèi)進(jìn)行冷熱流的優(yōu)化匹配，避免“高能低用”造成能量損失和改變此處冷卻而在另一處加熱的充分換熱的不合理局面，達(dá)到能量多次利用，節(jié)省燃料和冷卻水，提高換熱深度，減少冷卻負(fù)荷，降低水耗。

熱進(jìn)料是指中間產(chǎn)品出裝置前不經(jīng)冷卻，直接進(jìn)入下游加工裝置，減少冷卻與加熱的過程，節(jié)能效果顯著，如常減壓蒸餾裝置熱渣油直接供催化裝置，催化柴油直接供加氫裝置等。主要包括將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃康母鞣N爐子和將電能或工質(zhì)的內(nèi)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功及物流的水力能的各種機(jī)泵。煉油和大部分化工過程的另一個(gè)重要特點(diǎn)是工藝物料多為傳熱性能很好的流體，主要工藝多為熱過程，所需要的熱量分布的溫度范圍很廣。這就使主要工藝過程完成后物流攜出的能量有可能得到最大限度的回收重復(fù)利用，從而大大減少需要供入的能量。

1.2 直供料裝置情況

某公司新建連續(xù)重整裝置，配套建設(shè)柴油加氫改質(zhì)裝置。按照能量三環(huán)節(jié)理論分析，裝置間存在著較大的節(jié)能潛力。目前運(yùn)行狀態(tài)下，連續(xù)重整裝置原料為常減壓裝置直餾石腦油和柴油加氫改質(zhì)裝置石腦油，加氫石腦油的硫含量、氮含量和有害金屬含量較直餾石腦油低得多，已經(jīng)接近重整進(jìn)料標(biāo)準(zhǔn)，如果加氫石腦油的產(chǎn)品質(zhì)量能夠達(dá)到重整進(jìn)料標(biāo)準(zhǔn)，這部分原料就能夠避開重整原料預(yù)處理系統(tǒng)，直接進(jìn)入重整系統(tǒng)，從而降低原料預(yù)處理的能耗，并延長催化劑的使用壽命。

柴油加氫裝置石腦油(餾分油加氫石腦油)外送至重整裝置時(shí)，一般外送至重整預(yù)加氫單元石腦油罐，與其余種類石腦油(比如常壓減壓裝置來的直餾石腦油、自焦化汽柴油加氫來的焦化石腦油)一起進(jìn)行再進(jìn)行加氫精制、汽提、從而給重整單元提供合格的原料；該工藝流程較長，能耗較高，但是柴油加氫裝置石腦油質(zhì)量品質(zhì)較高，而自常減壓裝置來的直餾石腦油、自焦化汽柴油加氫來的焦化石腦油品質(zhì)較低，三種石腦油混合后，需要經(jīng)過換熱流程及預(yù)加氫進(jìn)料加熱爐、預(yù)加氫反應(yīng)器等流程進(jìn)行處理，使高品質(zhì)的柴油加氫裝置石腦油重新走了一遍加氫處理流程，從而使能耗增加，操作工藝難度增加，安全隱患增加。

隨著設(shè)備可靠程度的提高、儀表控制水平的提高，加氫改質(zhì)裝置所產(chǎn)石腦油完全可以與連續(xù)重整裝置實(shí)現(xiàn)直供料，在滿足工藝裝置生產(chǎn)安全性的同時(shí)，不再進(jìn)儲罐區(qū)中轉(zhuǎn)，可有效減少罐區(qū)輕烴組分的揮發(fā)損耗和周轉(zhuǎn)過程的熱量損失。因此，重整裝置與其上游裝置為實(shí)現(xiàn)直供料，儲運(yùn)的處理量大為降低，裝置直接實(shí)現(xiàn)了高度的熱集成，同時(shí)還可降低揮發(fā)損失，節(jié)能效果十分明顯。

2 國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 國外技術(shù)現(xiàn)狀

煉油和化工行業(yè)既是生產(chǎn)能源和基礎(chǔ)原材料的工藝，又是高能耗工業(yè)。在國際市場上，美國能源部正在通過“2020年夢想計(jì)劃”推進(jìn)能源節(jié)約，由公司、政府部門、大學(xué)和專業(yè)組織組成聯(lián)合體共同開發(fā)一些技術(shù)，例如包括陶氏化學(xué)、普萊克斯、休斯敦大學(xué)和科克-格律希公司組成的集團(tuán)開發(fā)的成果，起到了非常良好的節(jié)能效果。近年來，日益嚴(yán)格的環(huán)境保護(hù)要求生產(chǎn)的柴油硫含量越來越低，2001年歐洲要求生成硫含量≤350 μg/g的低硫柴油，2005年要求硫的含量≤50 μg/g，2009年要求硫含量≤10 μg/g的超低硫柴油，同時(shí)對十六烷值、芳烴等提出了新的要求，由于不同的國家、地區(qū)的不同要求，各國公司分別開發(fā)了自己的技術(shù)，如美國開發(fā)了Albemarle公司開發(fā)了一段和兩段工藝、美國UOP公司開發(fā)了MQD(Unionfining/Unisar)工藝、美國Exxon公司開發(fā)了DODD工藝等，進(jìn)一步增強(qiáng)了石油的環(huán)保型減少了能耗的浪費(fèi)現(xiàn)象。

石油作為重要能源之一，需求量再不斷的增加，龐大的消費(fèi)市場對輕質(zhì)油品及中間餾分油的需求不斷增長，汽柴油質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)又在不斷的升級，環(huán)境保護(hù)問題也日益受到各國的重視，清潔燃料的推廣和普及已經(jīng)提上議事日程，縱觀國內(nèi)外現(xiàn)代化的煉油廠和企業(yè)，幾乎無一例外的選擇了加氫精制工藝，減少能耗、環(huán)保生產(chǎn)無疑成為了目前石油發(fā)展的最大目標(biāo)。

2.2 國內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，作為重要能源的石油需求量在逐年增加，中國的煉油工業(yè)也獲得了極大的發(fā)展，同時(shí)柴油加氫的技術(shù)也在不斷發(fā)展：

2010年，上海高橋石化通過優(yōu)化調(diào)整，實(shí)現(xiàn)加氫裂化石腦油熱直供連續(xù)重整裝置，加氫裂化出裝置溫度由≯40℃提高到140℃，停掉了加氫裂化裝置的兩臺空冷器、一臺水冷器。

2015年，經(jīng)過持續(xù)優(yōu)化調(diào)整，廣州石化3號焦化裝置熱輕蠟和熱柴油直供系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)行，輕蠟油和柴油中70%的富余熱量被成功回收，裝置的能耗同比下降了0.68%。

2016年，石家莊煉化不斷優(yōu)化上下游裝置間的直供料流程，大力推進(jìn)裝置間“口對口”供料工作，其中S-Zorb、三氣分、260萬噸加氫、三催化等裝置基本實(shí)現(xiàn)100%的直供料。

物料直供能夠有效減少中間輸送環(huán)節(jié)，騰出罐容，拓寬流程優(yōu)化空間，減少能耗和物料損失。廣州石化不斷完善上下游裝置之間的直供料流程，大力推進(jìn)裝置之間“口對口”供料工作，煉油區(qū)熱聯(lián)合、直供料比例同比提高了10.3%，其中氣體分餾、加氫裂化、MTBE、焦化汽油加氫等裝置已經(jīng)實(shí)現(xiàn)100%的直供料，不僅消除了生產(chǎn)運(yùn)行瓶頸，提升了裝置的加工負(fù)荷和長周期運(yùn)行水平，而且降低了煉油近1%的能耗，提升了企業(yè)的整體效益。

3 總體技術(shù)方案

3.1 技術(shù)方案內(nèi)容

3.1.1 優(yōu)化調(diào)整柴油加氫裝置反應(yīng)壓力和循環(huán)氫純度

通過提高反應(yīng)壓力，可以減少縮合和迭合反應(yīng)，改善碳平衡，減少催化劑結(jié)焦。最大限度的提高反應(yīng)壓力和循環(huán)氫純度。循環(huán)氫組成與低分氣組成對比表。

3.1.2 優(yōu)化調(diào)整柴油加氫裝置反應(yīng)溫度

在催化劑不變的情況下，提高脫硫率、脫氮率等反應(yīng)轉(zhuǎn)化率，提高產(chǎn)品質(zhì)量。使反應(yīng)器中的催化劑均勻發(fā)揮功效，得到最佳的產(chǎn)品分布與產(chǎn)品質(zhì)量。

3.1.3 優(yōu)化調(diào)整反應(yīng)氫油比

提高氫油比，有利于加氫反應(yīng)。既提高了產(chǎn)品質(zhì)量，又減少了催化劑結(jié)焦。本公司控制反應(yīng)器入口氫油比570，反應(yīng)器出口氫油比960。周密控制進(jìn)料流率、反應(yīng)操作壓力、循環(huán)氫流率、循環(huán)氫純度、反應(yīng)溫度(或催化劑平均溫度)、氫油比等幾個(gè)主要操作參數(shù)，使操作能滿足規(guī)定的產(chǎn)品收率和質(zhì)量要求。

3.1.4 優(yōu)化柴油加氫改質(zhì)裝置汽提塔和分餾系統(tǒng)

傳質(zhì)過程它是實(shí)現(xiàn)分離目的的一種最基本、最重要的手段。采用6Σ方法，結(jié)合DMAIC的控制方案，提高石腦油與精制柴油切割精度，使兩種組分在采用恩氏蒸餾方法分析時(shí)實(shí)現(xiàn)脫空。

3.1.5 調(diào)整及改造連續(xù)重整裝置預(yù)加氫單元

結(jié)合直供料情況，調(diào)整連續(xù)重整裝置預(yù)加氫單元進(jìn)料流程，進(jìn)行適應(yīng)性改造。

圖1 重整預(yù)加氫單元進(jìn)料調(diào)整位置示意圖(原設(shè)計(jì)自下圖左側(cè)向右燕尾箭頭處供料，本設(shè)計(jì)改為供料至右側(cè)向下箭頭處)

3.2 技術(shù)方案關(guān)鍵點(diǎn)

柴油加氫改質(zhì)經(jīng)過研發(fā)，優(yōu)化生產(chǎn)了合格的重整原料，這部分石腦油不經(jīng)過預(yù)加氫單元的加氫精制，直接進(jìn)入汽提塔，能夠降低重整預(yù)處理單元原料泵負(fù)荷22%，降低加熱爐負(fù)荷25%，降低催化劑空速25%，重整預(yù)加氫單元節(jié)能15%左右。

3.2.1 反應(yīng)溫度

在裝置運(yùn)行中反應(yīng)溫度主要有兩個(gè)指標(biāo)，一是徑向溫差，是指在一個(gè)催化劑床層中的一個(gè)水平面上一組四個(gè)或多個(gè)熱偶的簡單算術(shù)差。徑向溫差可以表現(xiàn)物料在反應(yīng)器中的平均分布情況，徑向溫差大說明物料在反應(yīng)器內(nèi)有一定的偏流，催化劑做功大小不一，徑向溫差小說明物料在反應(yīng)器內(nèi)分布均勻，催化劑做功大小一致。本公司控制徑向溫差小于3℃，為保證該指標(biāo)符合要求，在催化劑裝填時(shí)大膽采用密相裝填方式，使催化劑徑向和縱向相對均勻的分布在同一個(gè)水平面上，避免催化劑塌陷和溝流。

3.2.2 反應(yīng)壓力

在加氫過程中，有效的壓力不是總壓而是氫分壓，氫分壓的大小取決于補(bǔ)充新氫的純度、系統(tǒng)總壓、冷高分溫度、循環(huán)氫排放量、原料油的汽化率及反應(yīng)氣體產(chǎn)率等多種因素。反應(yīng)壓力高會促進(jìn)加氫裂化反應(yīng)的進(jìn)行，選擇性變差，因而造成液收率下降，耗氫增加，氫純度降低，過高的壓力會增加設(shè)備投資和操作費(fèi)用，同時(shí)對設(shè)備制造也帶來一定的困難。通過提高系統(tǒng)總壓(操作盡量接近裝置冷高分上安全閥的設(shè)定壓力的95%)，補(bǔ)充新氫純度，提高排放氣流率及循環(huán)氫的氫純度，降低冷高分的溫度等方式提高氫分壓，控制反應(yīng)壓力。因重整裝置原料量不足，在優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的同時(shí)，提升石腦油收率，因此提高了反應(yīng)器入口壓力、溫度，分別提高了2.0 MPa、15℃，調(diào)整后控制參數(shù)為：改質(zhì)反應(yīng)器入口溫度控制320～330℃、壓力(10.0±0.5) MPa，氫油比控制560～610，空速控制0.80～0.95 h-1。在調(diào)整參數(shù)的過程中，對不適應(yīng)新的操作條件的設(shè)施進(jìn)行了更換，確保運(yùn)行安全。

3.2.3 反應(yīng)氫油比

裝置反應(yīng)器入口處的循環(huán)氫(包括補(bǔ)充新氫)中的純氫與原料油在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積比稱為氫油比。大量的氫氣通過反應(yīng)器可以把反應(yīng)的生成熱攜帶出來，起著保護(hù)催化劑的作用，保證反應(yīng)器內(nèi)溫度平衡，由于加氫過程中大量的氫氣與原料混合，使原料通過催化劑床層時(shí)，分布更均勻。提高氫油比，有利于加氫反應(yīng)，因?yàn)闅錃馀c原料的分子比增加了，原料分子濃度增加，則有利于反應(yīng)向生成物方向進(jìn)行，既提高了產(chǎn)品質(zhì)量，又減少了催化劑結(jié)焦，但是氫油比過大，原料與催化劑接觸時(shí)間縮短，反過來又不利于加氫反應(yīng)，加氫深度下降，系統(tǒng)壓降也增加?？刂品磻?yīng)器入口氫油比570，反應(yīng)器出口氫油比960。周密控制進(jìn)料流率、反應(yīng)操作壓力、循環(huán)氫流率、循環(huán)氫純度、反應(yīng)溫度(或催化劑平均溫度)、氫油比等幾個(gè)主要操作參數(shù)，使操作能滿足規(guī)定的產(chǎn)品收率和質(zhì)量要求。在調(diào)整參數(shù)的過程中，對不適應(yīng)新的操作條件的設(shè)施進(jìn)行更換，確保運(yùn)行安全。圖2為柴油加氫裝置流程示意圖。

圖2 柴油加氫裝置流程示意圖

3.2.4 汽提塔和分餾系統(tǒng)操作優(yōu)化

根據(jù)拉烏爾分壓定律，利用汽提塔底的汽提蒸汽將加氫生成油中的輕組分，如C4～C1，H2S等輕組分從塔頂分離。蒸餾是利用液體混合物中各組份沸點(diǎn)和蒸汽壓(即相對揮發(fā)度)的不同，在精餾塔內(nèi)，輕組份不斷汽化上升而提濃，重組份不斷冷凝下降而提濃，相互間不斷進(jìn)行傳熱傳質(zhì)。在塔頂?shù)玫郊兌容^高的輕組份產(chǎn)物，在塔底得到純度較高的重組份產(chǎn)物。本技術(shù)采用6Σ方法，結(jié)合DMAIC的控制方案，不斷提高石腦油與精制柴油切割精度，使兩種組分在采用恩氏蒸餾方法分析時(shí)實(shí)現(xiàn)脫空。通過不斷研究與試驗(yàn)，最終形成了分餾系統(tǒng)操作參數(shù)為：分餾系統(tǒng)汽提塔注汽量控制1.5～2.5 t/h，分餾塔塔頂溫度控制(145±10)℃，塔底溫度控制(255±15)℃。

3.2.5 連續(xù)重整裝置預(yù)加氫進(jìn)料流程調(diào)整

預(yù)加氫部分主要操作參數(shù)為：反應(yīng)器入口溫度280/320℃(初期/末期)，反應(yīng)器入口壓力3.50 MPa(G)，預(yù)加氫氣液分離器壓力3.20 MPa(G)，反應(yīng)空速(體) 4.0 h-1，氫油體積比≥100∶1。

汽提塔、石腦油分餾塔、預(yù)加氫部分各塔操作條件見表1。

表1 操作條件

通過研究連續(xù)重整裝置預(yù)加氫單元的流程，預(yù)加氫單元經(jīng)過反應(yīng)器反應(yīng)后，再進(jìn)汽提塔。預(yù)加氫原料性質(zhì)較為寬松，但精制產(chǎn)品性質(zhì)較為嚴(yán)苛。因此，如果加氫石腦油不進(jìn)預(yù)加氫，相應(yīng)預(yù)加氫單元進(jìn)料量減少，反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間延長，因此需要增加氫油比，相應(yīng)降低進(jìn)料溫度和壓力，盡量保證產(chǎn)品性質(zhì)達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上，降低產(chǎn)品能耗。

調(diào)整過程采用了DMAIC的優(yōu)化方法，對反應(yīng)-汽提各流程均進(jìn)行詳細(xì)分析，最終形成調(diào)整參數(shù)如下：

反應(yīng)器入口溫度280～320℃、反應(yīng)系統(tǒng)壓力(3.2±0.1)MPa、氫油比≥100 Nm3/m3，T-1101塔頂溫度(70±10)℃，塔底溫度(186±10)℃。

4 主要技術(shù)指標(biāo)

技術(shù)實(shí)施后主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 柴油加氫裝置石腦油直供重整工藝技術(shù)指標(biāo)參數(shù)表

5 結(jié)論

柴油加氫裝置石腦油直供重整工藝已在筆者公司應(yīng)用，裝置生產(chǎn)的0號國VI柴油產(chǎn)品獲得了客戶出具的產(chǎn)品使用報(bào)告，并且經(jīng)山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院認(rèn)可，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。