煤焦油懸浮床加氫裝置反應(yīng)溫度的影響及控制

李 斌，牛鴻權(quán)，何玉婷，史義存，王運(yùn)濤

(陜煤集團(tuán)榆林化學(xué)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719000)

煤焦油是一種制取輕質(zhì)燃料油品及芳烴等化工初級(jí)產(chǎn)品的重要原料[1]，但由于其組成復(fù)雜，不僅含有硫、氮、氧及金屬等雜原子，同時(shí)還含有大量的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)組分以及機(jī)械雜質(zhì)，在一定程度上增加了煤焦油深加工的難度[2-3]。加氫技術(shù)是煤焦油深加工的主要手段之一，其中適于加工餾分較輕的固定床加氫技術(shù)已經(jīng)十分成熟，而用于處理大量含固、含瀝青重質(zhì)餾分的懸浮床加氫技術(shù)還有待進(jìn)一步發(fā)展[4]。

1 懸浮床加氫工藝流程

懸浮床加氫工藝流程如圖1所示：重質(zhì)煤焦油在混合罐與一定比例的專(zhuān)用催化劑混合，然后經(jīng)進(jìn)料泵升壓至21.0～23.0 MPa，然后與高壓氫氣混合后進(jìn)入加熱爐加熱至410～440 ℃后送至懸浮床加氫反應(yīng)器。煤焦油、氫氣和催化劑從反應(yīng)器的底部進(jìn)入，頂部送出，反應(yīng)物在兩臺(tái)反應(yīng)器中的總停留時(shí)間一般控制在1.5～2.5 h，加權(quán)平均溫度控制在445～460 ℃。從反應(yīng)器頂部出來(lái)的反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)過(guò)熱、冷兩級(jí)高壓分離，循環(huán)氫氣經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后循環(huán)使用；熱高分油經(jīng)減壓閥降壓后進(jìn)入低壓分離器，分離出的低分油依次經(jīng)汽提塔和減壓塔進(jìn)行分餾，得到精制輕質(zhì)煤焦油、精制重質(zhì)煤焦油、精制蠟油和含催化劑顆粒的煤瀝青及氣態(tài)烴。精制蠟油循環(huán)進(jìn)入原料油緩沖罐，進(jìn)行再次加氫裂化。

圖1 懸浮床加氫工藝流程

在懸浮床加氫裂化過(guò)程中，對(duì)整個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)的影響較大的因素主要有反應(yīng)溫度、氫油比、催化劑添加比例、反應(yīng)壓力、液時(shí)空速等。其中，反應(yīng)溫度對(duì)加氫產(chǎn)品的質(zhì)量和收率有著至關(guān)重要的影響。

2 反應(yīng)溫度的影響

煤焦油加氫過(guò)程中發(fā)生加氫脫硫、加氫脫氮、加氫脫氧、烯烴飽和、環(huán)狀化合物加氫飽和、縮合生焦、加氫裂化等諸多反應(yīng)，總體表現(xiàn)為強(qiáng)放熱反應(yīng)[5]。因此，加氫反應(yīng)溫度的控制尤為重要。

懸浮床反應(yīng)溫度表達(dá)方式很多，可簡(jiǎn)單歸納為起始反應(yīng)溫度、平均反應(yīng)溫度、熱高分入口溫度。

2.1 起始反應(yīng)溫度

起始反應(yīng)溫度T1在工藝流程上表現(xiàn)為懸浮床反應(yīng)漿料在加熱爐出口溫度或者進(jìn)反應(yīng)器底部入口的溫度，此溫度將直接影響到煤焦油加氫能否進(jìn)行。按照目前運(yùn)行的固定床加氫精制工藝流程的操作條件，煤焦油在280 ℃就會(huì)有部分組分開(kāi)始進(jìn)行加氫反應(yīng)，在330～360 ℃之間精制反應(yīng)幾乎可以全部進(jìn)行，部分環(huán)狀化合物開(kāi)始進(jìn)行加氫飽和開(kāi)環(huán)的反應(yīng)。

2.2 平均反應(yīng)溫度

平均反應(yīng)溫度T體現(xiàn)了在整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中的反應(yīng)器床層的反應(yīng)溫度水平，計(jì)算公式如下：

R1平均反應(yīng)溫度TR1=(T2+T3+T4)/3

R2平均反應(yīng)溫度TR2=(T6+T7+T8)/3

式中：T2、T3、T4為反應(yīng)器R1的反應(yīng)床層溫度；T6、T7、T8為反應(yīng)器R1的反應(yīng)床層溫度。

反應(yīng)器各點(diǎn)的溫度表現(xiàn)為反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)的深度和反應(yīng)的劇烈程度，平均反應(yīng)溫度反映了煤焦油在反應(yīng)器床層中的反應(yīng)溫度的平均水平。對(duì)于密度偏重(密度大于1.15 g/mL3)、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)含量較高的高溫煤焦油，其平均反應(yīng)溫度高于密度在1.05 g/mL3左右的煤焦油，即進(jìn)料煤焦油較輕則反應(yīng)的整體溫度溫升不會(huì)很大，平均反應(yīng)溫度較低；反之如果進(jìn)料煤焦油較重，則平均反應(yīng)溫度較高。

對(duì)于同種煤焦油來(lái)說(shuō)，平均反應(yīng)溫度高，則產(chǎn)品中輕質(zhì)燃料油和C4以下組分的產(chǎn)量增加，重質(zhì)燃料油產(chǎn)量減少，液收率下降，反應(yīng)器結(jié)焦風(fēng)險(xiǎn)增大；反之則反應(yīng)深度降低，重組分轉(zhuǎn)化率下降，輕質(zhì)油品產(chǎn)量降低，重質(zhì)油品產(chǎn)量增加。

2.3 熱高壓分離器入口溫度

熱高壓分離器入口溫度T9是油品離開(kāi)反應(yīng)器時(shí)的溫度，同時(shí)也是反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入熱高壓分離器的溫度。

加氫反應(yīng)產(chǎn)物在熱高壓分離器中還會(huì)有一定程度的加氫裂化反應(yīng)發(fā)生，而此處的氫分壓相對(duì)較低，熱高壓分離器入口溫度過(guò)高，會(huì)因供氫不足導(dǎo)致熱高壓分離器結(jié)焦而影響正常生產(chǎn)運(yùn)行，國(guó)內(nèi)某煤焦油加氫企業(yè)已有熱高壓分離器結(jié)焦的案例發(fā)生。熱高壓分離入口溫度T9過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致其分離效果變差，大量的輕質(zhì)油品隨熱高分油帶入熱低壓分離器，造成熱低壓分離器負(fù)荷過(guò)大，操作穩(wěn)定性變差。通過(guò)調(diào)整反應(yīng)器出口的冷油和冷氫量可將進(jìn)入熱高壓分離器的溫度控制在合適的范圍內(nèi)。

3 反應(yīng)溫度的控制

懸浮床加氫裝置通常有強(qiáng)制循環(huán)和非強(qiáng)制循環(huán)兩種運(yùn)行模式，對(duì)于不同的運(yùn)行模式，反應(yīng)溫度的控制方式也不相同。

3.1 非強(qiáng)制循環(huán)懸浮床反應(yīng)溫度的控制

圖2所示的非強(qiáng)制循環(huán)懸浮床加氫反應(yīng)系統(tǒng)，其反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)漿液動(dòng)力來(lái)源于系統(tǒng)整體的壓差，流動(dòng)狀態(tài)可按平推流考慮，反應(yīng)溫度控制方式與固定床加氫裝置類(lèi)似。起始反應(yīng)溫度T1可通過(guò)加熱爐的熱負(fù)荷來(lái)控制；反應(yīng)溫度T2的測(cè)溫點(diǎn)距離反應(yīng)器入口大約在3.0～4.0 m之間，其溫升主要來(lái)源于反應(yīng)放熱，可通過(guò)調(diào)整起始溫度T1和第一床層冷氫注入量來(lái)控制；反應(yīng)溫度T3、T4分別通過(guò)調(diào)整對(duì)應(yīng)床層冷氫注入量來(lái)控制；T5是進(jìn)入R2反應(yīng)器的溫度，通過(guò)調(diào)節(jié)R1出口的冷氫、冷油的流量來(lái)控制；反應(yīng)溫度T6的測(cè)溫點(diǎn)距離反應(yīng)器入口大約在3.0～4.0 m之間，其溫升來(lái)源于反應(yīng)放熱，可通過(guò)調(diào)整反應(yīng)溫度T5及R2反應(yīng)器的第一床層冷氫注入量來(lái)控制；反應(yīng)溫度T7、T8通過(guò)調(diào)整對(duì)應(yīng)床層冷氫流量來(lái)控制。各床層之間的溫度梯度控制應(yīng)該根據(jù)反應(yīng)產(chǎn)品的收率及床層之間的溫度來(lái)相互匹配和調(diào)整。良好的溫度控制表現(xiàn)為T(mén)2、T3、T4、T6、T7、T8溫度相同，T2與T1溫差約10～15 ℃。當(dāng)T2、T3、T4、T6、T7、T8任何一點(diǎn)的溫度出現(xiàn)較上一層溫度高出10 ℃以上即表示此床層反應(yīng)劇烈，應(yīng)及時(shí)的加大對(duì)應(yīng)床層冷氫注入量，調(diào)整反應(yīng)床層溫度，控制反應(yīng)深度；如果調(diào)整不及時(shí)就可能會(huì)造成裂化反應(yīng)加劇，導(dǎo)致反應(yīng)器飛溫。

圖2 非強(qiáng)制循環(huán)懸浮床加氫

3.2 強(qiáng)制循環(huán)懸浮床反應(yīng)溫度的控制

圖3所示為強(qiáng)制循環(huán)懸浮床加氫反應(yīng)系統(tǒng)，其反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)漿液的動(dòng)力來(lái)源于系統(tǒng)的壓差和反應(yīng)器底部的強(qiáng)制循環(huán)泵。強(qiáng)制循環(huán)泵出口的反應(yīng)漿液和爐出口來(lái)的新鮮原料通過(guò)反應(yīng)器內(nèi)的分布盤(pán)混合后進(jìn)入反應(yīng)器R1的反應(yīng)床層，在較大程度上加強(qiáng)了物流的返混程度。因此，強(qiáng)制循環(huán)懸浮床加氫裝置反應(yīng)溫度的控制方式也與非強(qiáng)制循環(huán)懸浮床加氫裝置迥異。起始反應(yīng)溫度T1可通過(guò)加熱爐的熱負(fù)荷來(lái)控制；反應(yīng)溫度T2的測(cè)溫點(diǎn)距離反應(yīng)器入口大約在3.0～4.0 m之間，反應(yīng)溫度T2、T3、T4通過(guò)調(diào)整起始反應(yīng)溫度T1和R1反應(yīng)器底部的強(qiáng)制循環(huán)泵的流量來(lái)控制；T5是進(jìn)入R2反應(yīng)器的溫度，通過(guò)控制R1出口的冷氫、冷油的流量來(lái)控制；T6的測(cè)溫點(diǎn)距離反應(yīng)器入口大約在3.0～4.0 m之間，T6、T7、T8通過(guò)調(diào)整R2反應(yīng)器底部的強(qiáng)制循環(huán)泵的流量來(lái)控制。良好的溫度控制表現(xiàn)為T(mén)2、T3、T4、T6、T7、T8溫度相同，T2溫度點(diǎn)較T1溫度點(diǎn)高10～15 ℃。

圖3 強(qiáng)制循環(huán)懸浮床加氫

帶強(qiáng)制循環(huán)懸浮床加氫反應(yīng)系統(tǒng)的反應(yīng)漿液較非強(qiáng)制循環(huán)更為均勻，反應(yīng)器各測(cè)溫點(diǎn)的溫度變化幅度更小。當(dāng)T2、T3、T4、T6、T7、T8任何一點(diǎn)的溫度出現(xiàn)較上一層溫度高或者低的現(xiàn)象時(shí)則說(shuō)明反應(yīng)器內(nèi)整體反應(yīng)不均衡，可通過(guò)調(diào)整物料在反應(yīng)器內(nèi)的流速來(lái)控制各點(diǎn)的溫度。若反應(yīng)器上部溫度高于下部溫度，則可適當(dāng)加大反應(yīng)器內(nèi)漿液循環(huán)量，反之則減小。

4 結(jié) 論

懸浮床加氫反應(yīng)溫度與原料煤焦油性質(zhì)和裝置運(yùn)行穩(wěn)定性密切相關(guān)，在裝置運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)原料性質(zhì)的變化以及產(chǎn)品市場(chǎng)需求的不同及時(shí)對(duì)反應(yīng)溫度進(jìn)行調(diào)整，控制反應(yīng)深度，保證產(chǎn)品質(zhì)量。對(duì)于不同的懸浮床加氫反應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行模式，應(yīng)采取與之相適宜的溫度控制方式，及時(shí)干預(yù)，以保證懸浮床加氫制燃料油裝置的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。