連續(xù)重整裝置運行問題及對策

周建華

（中國石油化工股份有限公司煉油事業(yè)部，北京100728）

催化重整技術是現(xiàn)代煉油和化工行業(yè)的支柱技術之一。催化重整裝置是生產(chǎn)高辛烷值汽油、芳烴深加工、供應廉價氫氣的重要裝置，能適應市場需求，由生產(chǎn)燃油轉(zhuǎn)型生產(chǎn)二甲苯。重整反應過程中副產(chǎn)氫氣，煉油企業(yè)所用氫氣有50%以上來自重整裝置，且成本相對較低[1-3]。

2018年，中國汽車市場產(chǎn)銷低于預期，傳統(tǒng)燃油汽車首次出現(xiàn)產(chǎn)銷雙降，新能源汽車仍呈逆勢高速增長趨勢，產(chǎn)銷量均首次突破100萬輛。據(jù)預測，2020年電動汽車約有500萬輛，替代成品油消費600萬～1 000萬噸，折合1 500萬噸/年煉油產(chǎn)能規(guī)模。因此，新能源帶來的巨大沖擊將直逼傳統(tǒng)煉油業(yè)務做出轉(zhuǎn)型調(diào)整。國內(nèi)的煉化企業(yè)汽油池中多以催化汽油為主，催化汽油約占汽油池比例的70%[4]。更嚴格的汽油產(chǎn)品指標呼之欲出，重整高辛烷值汽油因芳烴含量高，調(diào)入汽油池的比例將會受限。未來重整裝置將面臨成品油市場萎縮、汽油質(zhì)量升級等挑戰(zhàn)，為此，對國內(nèi)33套重整裝置運行情況進行調(diào)研，并提出優(yōu)化建議。

1 裝置運行概況

1.1 加工能力

據(jù)統(tǒng)計，2017年全球共有煉油廠947座，原油蒸餾總加工能力71.2億噸/年，其中，催化重整裝置加工能力約5.4億噸/年（見表1）。美國催化重整裝置總加工能力約1.8億噸/年，居世界首位；中國位居第二，2017年催化重整加工能力超過9 300萬噸/年。

2018年，我國已開工的連續(xù)重整裝置92套，增速迅猛，國內(nèi)連續(xù)重整裝置產(chǎn)能超過9 500萬噸/年，其中，中國石化3 279萬噸/年，見圖1。與中國石化裝置數(shù)量和產(chǎn)能增速日益放緩相反，地方企業(yè)迅速擴張。新建裝置大多超過300萬噸/年，向大型化發(fā)展，并成為煉油向化工轉(zhuǎn)型的主力裝置。

截至2018年底，中國石化連續(xù)重整裝置加工能力3 279萬噸/年，占原油加工能力的11.53%，裝置規(guī)模最大的為180萬噸/年，規(guī)模最小的為40萬噸/年，平均規(guī)模99.4萬噸/年。中國石油連續(xù)重整裝置平均規(guī)模為100.9萬噸/年，全國平均規(guī)模為104.3萬噸/年，均高于中國石化。

表1 全球催化重整加工能力

1.2 主要技術經(jīng)濟指標

調(diào)研裝置2018年平均負荷率為96.31%，負荷率超過110%的有5套，負荷低于80%的有6套；平均辛烷值桶90.43%；純氫產(chǎn)率平均為3.78%；平均綜合能耗為64.96千克標油/噸重整進料。某裝置綜合能耗達到103.5千克標油/噸重整進料，主要因凝氣式增壓機能耗高、負荷率（85%）較低等因素影響。

為比較不同裝置毛利情況，對各裝置各產(chǎn)品總價值減去裝置原料成本進行計算，見圖2。排名靠前的3套裝置特點是原料成本低，液收、氫氣產(chǎn)率較高，綜合效益較好；排名靠后的3套裝置主要原因是原料芳潛較高，因工藝較落后，高芳潛原料未獲得相應收益。

2 裝置運行及優(yōu)化分析

2.1 原料管理與優(yōu)化

各裝置原料來源見圖3。從圖3看出，重整裝置原料來源廣泛，主要以直餾石腦油、加氫裂化重石腦油為主，還包括加氫焦化汽油、乙烯抽余油等，原料不足的企業(yè)外購部分石腦油。各裝置應優(yōu)化裝置原料來源、性質(zhì)，提高原料芳烴潛含量。

加氫裂化重石腦油芳烴潛含量較高，是重整裝置的理想原料，采用該原料的裝置中，直供料占比17.4%，干燥器脫水占比4.3%，進預加氫分餾塔脫除水和硫化氫后進入重整裝置的占比78.3%。直供料可節(jié)約預加氫汽提塔（分餾塔）的能耗，但存在含水超標等風險，建議直供料的企業(yè)增加重整原料罐容量，加氫裂化重石腦油首先進入重整原料罐，經(jīng)過脫水、分析合格后再進重整裝置；非直供料的企業(yè)加氫裂化重石腦油進入預加氫汽提塔或分餾塔，確保硫、水合格；同時企業(yè)應加強運行管理，嚴格執(zhí)行生產(chǎn)異常匯報制度，當上游裝置出現(xiàn)波動時，立即切出。渣油加氫石腦油氮含量高，建議固定床、沸騰床、漿態(tài)床渣油加氫石腦油經(jīng)加氫滿足重整進料要求后，才能進入重整裝置。隨著裝置大型化、運行周期延長，應嚴格控制重油二次加工裝置石腦油等高氮原料進重整裝置，建議重整進料氮含量指標由0.5μg/g降至不大于0.2μg/g。乙烯抽余油中甲基環(huán)戊烷含量高，進入重整裝置較難發(fā)生反應，占用重整加工能力且增加積碳，建議結合苯的價格，優(yōu)化乙烯抽余油的后路。

隨著芳烴市場尤其是苯市場飽和日漸明顯，苯與石腦油的價差逐漸縮小，甚至出現(xiàn)階段性倒掛。企業(yè)應根據(jù)市場優(yōu)化重整原料初餾點，控制苯產(chǎn)量，提高裝置效益。通過PetroSIM軟件模擬不同石腦油原料的重整反應性能，發(fā)現(xiàn)進料中基本不含C5以下組分時，進料初餾點與原料中C6組分相關；重整生成油中的苯含量與進料C6組分含量基本呈線性關系。模擬重整進料終餾點變化對重整進料和汽油組成的影響，發(fā)現(xiàn)進料終餾點大于165℃時，隨著終餾點的升高，C10+重組分的含量逐步升高；進料終餾點超過180℃時，待生催化劑積炭含量出現(xiàn)大幅上升。重整原料優(yōu)化建議：一是由單純餾程管理改為“餾程＋組分”精細化管理模式。因不同類原油的石腦油組成不同，適合重整進料的餾程范圍變化較大。企業(yè)應變餾程管理為組分管理，確保重整進料中C5組分含量不大于0.5%、C11組分含量不大于2%，以改善重整裝置進料性質(zhì)，提高裝置效益。二是優(yōu)化增產(chǎn)重整原料。優(yōu)化常減壓裝置操作、采購石腦油芳潛高的原油等措施，增產(chǎn)重整原料；適當提高加氫裂化裝置的轉(zhuǎn)化率，并控制適宜的重石腦油餾程，優(yōu)化重整原料；加氫改質(zhì)、加氫焦化石腦油滿足指標要求后，進入重整裝置，拓寬重整原料來源。三是區(qū)域原料優(yōu)化開展區(qū)域內(nèi)石腦油原料互供，實現(xiàn)區(qū)域效益最大化；有兩套或以上重整裝置的企業(yè)，完善裝置間物料互供流程，實現(xiàn)開工零排放、縮短開工時間。

2.2 重整反應條件

2.2.1 反應溫度

反應溫度是重整裝置重要操作參數(shù)之一，直接影響反應深度。提高反應溫度有利于芳烴的生成和辛烷值的提高，但會降低生成油的收率并增加催化劑積炭[5]。不同的催化劑、原料油、辛烷值的范圍，每增加一個單位辛烷值所需要提高的反應溫度也不完全相同，通常為反應器加權平均入口溫度（WAIT）2～5℃。以裝置的重整汽油中C8烷烴含量、重整反應溫度、待生劑碳含量制作泡圖，見圖4。黃色裝置主要因為反應溫度偏低導致汽油中C8烷烴含量偏高，應通過提高反應溫度，降低C8烷烴含量；紅色裝置反應溫度較高，汽油中的C8烷烴含量依然很高，存在異常，應分析催化劑活性、空速、原料結構和進料換熱器泄漏情況；藍色裝置可通過適當調(diào)整水氯平衡，提高催化劑活性，降低反應產(chǎn)物中C8烷烴含量；綠色裝置反應深度控制較好。

應用PetroSIM軟件模擬不同反應溫度對產(chǎn)物的影響，見圖5。以某企業(yè)模擬數(shù)據(jù)為例，反應溫度應該控制在515～525℃，綜合考慮各參數(shù)達到最優(yōu)的反應溫度為520℃，此溫度下C8烷烴含量為0.45%。各企業(yè)應利用模擬軟件，找出裝置最優(yōu)的反應溫度控制范圍，指導增效操作。

2.2.2 反應氫油比

以重整裝置氫油比、燒焦峰溫、再生單元負荷率制作泡圖，見圖6。綠色裝置氫油比和再生燒焦情況都較好；紅色裝置氫油比較高，但燒焦峰溫已達580℃，說明催化劑再生能力嚴重受限，應控制反應苛刻度，降低催化劑積碳量；藍色裝置可以適當降低氫油比操作；黃色裝置再生峰溫較低，應優(yōu)化降低氫油比。裝置苛刻度控制較好，且再生燒焦能力還有余量的情況下，裝置應優(yōu)化降低氫油比操作，同時注意燒焦峰溫的控制。

2.3 重整裝置催化劑使用周期

催化劑比表面積與運行年限、再生工藝、反應苛刻度等有直接關系。催化劑使用年限與催化劑比表面積關系見圖7。從圖7看出，運行時間最長的已達7年，裝置1、8和9比表面積過低，影響了裝置效益，建議考慮換劑；裝置16、21和27催化劑使用年限較短，但比表面積下降過快，裝置應分析原因并采取措施，避免催化劑比表面積下降過快。

當催化劑比表面積下降至140～145 m2/g以下時，相同產(chǎn)品辛烷值下WAIT需升高4～5℃，C+5產(chǎn)品收率下降1.5～2.0個百分點，運行經(jīng)濟性大幅降低，建議核算效益換劑[6]。結合圖7中14、17和27裝置實際原料性質(zhì)、產(chǎn)品價格和三劑（催化劑、注氯劑）消耗，詳細計算了不同換劑周期的經(jīng)濟效益[7]，見表2。數(shù)據(jù)表明，第一周期末催化劑比表面積155 m2/g左右更換催化劑更具經(jīng)濟性。

表2 不同催化劑換劑周期的效益對比

2.4 重整生成油脫烯烴技術

重整生成油脫烯烴技術目前有3種，分別是白土、分子篩、選擇性加氫技術，白土、分子篩技術雖能滿足脫烯烴要求，但（因烯烴聚合）會導致生成油干點提高4～5℃，影響裝置效益，且廢劑處置后路不暢和環(huán)保處置費用高。調(diào)研裝置采用選擇性加氫脫烯烴技術的占比為33%。

重整生成油選擇性液相加氫脫烯烴技術具有高空速，低反應溫度，流程短、投資小、能耗低等特點。該技術可以在較為緩和的工藝條件下，對重整生成油進行選擇性加氫脫烯烴，加氫過程中芳烴損失量可以控制在0.5個百分點以下。催化劑使用周期長，一般可使用6年以上，舊催化劑回收，貴金屬循環(huán)使用，是環(huán)境友好型技術，且流程簡單，操作方便。

2.5 重整反應加熱爐

裝置反應加熱爐中，自然通風占比48.5%，強制通風占比51.5%，平均熱效率92.1%。強制通風熱效率最高的是94.8%；自然通風加熱爐熱效率最高的是93.1%，熱效率最低的是86.0%。整體加熱爐熱效率控制較好。

某企業(yè)采取的提高加熱爐熱效率的措施有：四合一爐增設CO在線分析儀，CO控制值約為50%（v），氧含量降至約1%；瓦斯硫含量控制在5mg/m3以下，通過改強制通風，排煙溫度降至95℃；爐膛增設“人字”熱輻射架，瓦斯消耗總下降約142 Nm3/h，爐膛最高溫度下降約30℃。某企業(yè)反應加熱爐雖然是自然通風，但通過考核促進加熱爐的精細調(diào)整，通過降低省煤段進水溫度降低排煙溫度等措施，使自然通風加熱爐熱效率排名第一。

2.6 重整進料換熱器

調(diào)研裝置使用繞管式換熱器的占比45.5%，使用進口板式換熱器的占比36.4%，國產(chǎn)板式占比18.1%。裝置中，有13套將板式換熱器更換為纏繞管式換熱器，有10臺為國產(chǎn)板式換熱器，2臺為進口板式換熱器，1臺為立式列管式換熱器。更換原因是9臺內(nèi)漏，1臺外漏，其余還有壓降過大、設備更新等。

重整進料換熱器泄漏臺數(shù)中國產(chǎn)板式換熱器最高，進口板式換熱器次之，繞管換熱器至今未發(fā)生泄漏，見圖8。

部分企業(yè)使用國產(chǎn)板式換熱器未出現(xiàn)泄漏和換熱效率下降等問題，主要原因是操作平穩(wěn)、管理精細。板式換熱器長周期運行經(jīng)驗總結如下：日常提降量過程中不大于0.5 t/h（正常3～5 t/h），并嚴格準守先提量后提溫的原則。停車過程中，板、殼程均衡平穩(wěn)降壓，避免反壓差。再開車過程中確保板式換熱器熱端溫差不超過50℃，升降溫速率不大于50℃/h。加強原料管理，消除因腐蝕導致的設備泄漏風險。檢修期間注意進料換熱器的隔離保護，防止潮濕空氣進入，造成腐蝕。

纏繞管式換熱器無論從換熱效果還是抗沖擊能力，均優(yōu)于其他類型換熱器，且目前還未出現(xiàn)其他問題。建議在新建裝置、改造裝置、換熱器更新中應用繞管式換熱器。

2.7 新技術和設備應用

2.7.1 重整催化劑在線換劑技術

某企業(yè)0.6 Mt/年連續(xù)重整裝置因檢修周期與全廠檢修不同步，于2017年12月實施了國內(nèi)首次連續(xù)重整裝置在線換劑工作。此次在線換劑與前次停工換劑相比，新鮮催化劑的使用量減少8%。在線換劑后，氫氣和C5+液收明顯增加。按照新劑與舊劑運行數(shù)據(jù)比較，增效約3 000萬元/年[8]。

在線換劑技術的應用，使重整催化劑的更換不受檢修時間制約，且裝置的長周期運行不受催化劑更換的影響，能最大限度發(fā)揮裝置運行的經(jīng)濟效益。但在線換劑的實施具有前提，即無反應器壓降高、內(nèi)構件損壞、催化劑粉塵等問題。

2.7.2 催化劑燒焦模式程序切換

某企業(yè)1.2 Mt/年連續(xù)重整裝置，技術人員自行開發(fā)燒焦模式一鍵切換程序，將白燒切換至黑燒的過程分為10個步驟，將黑燒切換至白燒分為12個步驟，全部按程序自動執(zhí)行。項目投用后，操作難度降低，切換過程中燒焦峰溫的波動控制在8℃以內(nèi)，并保證燒焦峰溫不下移、不超溫，確保再生器和催化劑安全運行。

2.7.3 “激光無縱縫焊接”技術

激光焊接技術，實現(xiàn)了中心管無縱縫焊接，中心管內(nèi)側(cè)沖孔板與約翰遜網(wǎng)可以自由膨脹或收縮，大大降低因應力不均而開裂的風險。扇形筒強度是沖孔板的2倍以上，同時其價格不到國外相關技術價格的1/4，目前采用該技術的國產(chǎn)連續(xù)重整裝置多年未出現(xiàn)問題。

2.7.4 重整產(chǎn)氫堿洗脫氯

某企業(yè)采用氫氣堿洗脫氯技術，其外送重整氫氣中氯化氫含量為0。該技術的優(yōu)點是替代固體脫氯劑，避免廢劑產(chǎn)生；外送氫氣產(chǎn)品中氯化氫含量為0，減緩下游用氫裝置的腐蝕和結鹽。但堿洗系統(tǒng)因少量氯逃逸，存在腐蝕泄漏的問題。建議重整產(chǎn)氫直接進氫氣管網(wǎng)的裝置，采用堿洗脫氯替代固相脫氯劑；考慮微量水對PSA吸附劑的影響，重整氫經(jīng)PSA提純的裝置建議參考實施。

2.7.5 催化劑密度分離技術的應用

調(diào)研連續(xù)重整裝置中使用密度分離的占比45.5%，其余未使用。檢修期間使用密度分離將高炭劑、迷你球和正常催化劑分離，可以提高催化劑回用效率，避免高炭劑混入再生系統(tǒng)引發(fā)氯氧化區(qū)飛溫。建議密度分離時將碳含量大于6%的催化劑定為高炭劑。

3 存在問題和差距

3.1 催化劑循環(huán)問題

在調(diào)研裝置中，有48.5%的裝置出現(xiàn)過催化劑循環(huán)不暢問題。其原因主要分為兩類：催化劑提升器問題和閉鎖料斗問題。催化劑提升器問題相關的原因有：兩器壓差變小或波動導致提升器不能正常工作，需恢復提升器前后設備壓差；待生劑提升器噴嘴安裝錯誤或出現(xiàn)異物堵塞，需要對噴嘴重新安裝并清除雜物；系統(tǒng)內(nèi)催化劑粉塵較多，造成提升管內(nèi)稀相密度發(fā)生變化，偏離工作區(qū)，需要檢查粉塵來源，做好粉塵管理工作。

閉鎖料斗問題相關的原因有：閉鎖料斗自動控制程序異常，系統(tǒng)壓差經(jīng)常聯(lián)鎖。需對補氮閥、壓控閥進行自適應調(diào)整，或調(diào)整程序；上下平衡閥串氣，導致閉鎖料斗裝卸料時間改變，不能建立料封進而發(fā)生串壓，需檢修平衡閥；上部料斗或再生器出現(xiàn)架橋托劑現(xiàn)象，導致閉鎖料斗不能正常裝卸劑，需調(diào)整系統(tǒng)各部分壓力和循環(huán)風量，避免催化劑架橋或貼壁。

3.2 裝置運行瓶頸

調(diào)研裝置加工負荷率超100%的占比57.6%；超過50%的裝置存在運行瓶頸，如再生燒焦能力不足、空冷負荷不足、加熱爐負荷不足等?？紤]重整裝置在煉化一體化總流程承上啟下的重要作用，應盡可能滿負荷運行。加熱爐是重整裝置提高負荷的最主要制約因素，建議推廣強制通風提高加熱爐效率；增上“人字”熱輻射架，降低爐膛溫度；采用繞管式進料換熱器降低熱端溫差，降低加熱爐負荷。對擴能改造的裝置，設計院應進行反應器貼壁、再生能力、增壓機、分餾塔及其他關鍵設備核算。

3.3 重整裝置內(nèi)構件破損原因分析

調(diào)研裝置中出現(xiàn)反應器或再生器的內(nèi)構件發(fā)生損壞的占比33%。13次內(nèi)構件損壞案例中，再生器內(nèi)筒損壞6次，反應器扇形筒損壞3次，反應器中心筒損壞4次。主要原因是緊急停工，特別是重整循環(huán)氫壓縮機跳停造成的停車，對反應器中心管、扇形筒及其他附件沖擊大；再生單元頻繁發(fā)生熱停車，對再生器中心管溫度波動大，降低其使用壽命，增加了損壞風險；器壁積碳造成反應器內(nèi)構件損壞為原料管理問題，原因在于重整進料硫含量長期低于0.25 mg/kg容易發(fā)生器壁積碳。

3.4 脫氯技術優(yōu)劣分析

再生煙氣脫氯技術有3種，分別是UOP的Chlorsorb工藝技術、堿洗技術和固定床吸附脫氯技術。調(diào)研表明，UOP Chlorsorb技術再生尾氣HCl（國家標準小于10 mg/m3）、非甲烷總烴（國家標準小于30 mg/m3）含量不能滿足國標要求，需要設置脫氯和脫烴設施。催化劑在吸附再生尾氣中氯的同時還吸附了其中的水，催化劑強度和比表面積均降低，影響催化劑壽命。固定床吸附脫氯技術，HCl、非甲烷總烴含量滿足國家標準要求，但脫氯劑使用時間縮短（3～12個月），運行費用高，廢脫氯劑處理后路不暢且環(huán)保處置費用不斷升高。堿洗技術，HCl、非甲烷總烴含量滿足國家標準要求，但運行過程中存在腐蝕問題。主要原因是堿液pH值、電導率監(jiān)控不到位，堿洗混合器混合效果差、設備材質(zhì)選型不合理等。應加大堿洗系統(tǒng)混合器和腐蝕問題的攻關力度，確保堿洗系統(tǒng)長周期運行。目前固定床吸附脫氯的工業(yè)應用較多，具有操作簡單等優(yōu)點，但存在環(huán)保處置成本高等問題；堿洗脫氯具有長期穩(wěn)定運行、成本低等優(yōu)點，但有堿渣排放。各企業(yè)可根據(jù)自身情況和需要，選擇堿洗或固相脫氯兩種技術。

4 結論

1）調(diào)研裝置平均負荷率為96.31%，負荷率超過110%的裝置有5套，負荷低于80%的裝置有6套；平均辛烷值桶90.43%；純氫產(chǎn)率平均為3.78%；平均綜合能耗為64.96千克標油/噸重整進料。

2）重整裝置原料來源廣泛，主要以直餾石腦油、加氫裂化重石腦油為主，還包括加氫焦化汽油、乙烯抽余油等，原料不足的企業(yè)外購部分石腦油。建議原料由單純餾程管理改為“餾程＋組分”精細化管理模式。

3）操作精細化方面仍有提升空間。多數(shù)裝置優(yōu)化潛力較大，部分裝置反應苛刻度低，生成油C8烷烴含量高、氫氣及芳烴產(chǎn)率低；部分裝置氫油比控制不優(yōu)化、加熱爐熱效率低，影響裝置能耗；部分裝置頻繁提降量及升降溫幅度大，導致內(nèi)構件損壞等問題。

4）裝置存在的主要問題包括催化劑循環(huán)、運行瓶頸、內(nèi)購件破損、再生煙氣脫氯等問題。