加氫反應(yīng)器的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展方向分析

（青島蘭石重型機(jī)械設(shè)備有限公司 山東 266555）

1.加氫反應(yīng)器

(1)加氫反應(yīng)器作用

在加工石油原油的時候，出于高質(zhì)量加工產(chǎn)品獲取及化工原料產(chǎn)量顯著增加的考慮，加氫工藝及其裝置應(yīng)運(yùn)而生，同時這項(xiàng)工藝技術(shù)也能在劣質(zhì)原油及硫元素含量較高的原油加工環(huán)境中良好的運(yùn)行。作為加氫裂化裝置核心組成部分的加氫反應(yīng)器，以當(dāng)前的技術(shù)視野看來，可以劃分為加氫精制、裂化反應(yīng)器兩類。這一裝置的核心作用就是為石油原油和氫氣提供承載反應(yīng)所需催化劑及溫度條件的場所。在當(dāng)前煉油技術(shù)持續(xù)更迭發(fā)展的影響下，熱壁結(jié)構(gòu)的加氫反應(yīng)器因其在加工效率、故障發(fā)生率、組成結(jié)構(gòu)等方面具備的優(yōu)勢得以在加氫裝置中規(guī)?；瘧?yīng)用。

(2)加氫反應(yīng)器分類

①冷壁結(jié)構(gòu)

冷壁電抗器在設(shè)備內(nèi)壁設(shè)有非金屬絕緣層，或內(nèi)襯不銹鋼護(hù)套。整個反應(yīng)器的設(shè)計壁溫降到300℃以下，H2和H2S的腐蝕速率大大降低，對鋼材的要求不如熱壁反應(yīng)器高。由于冷壁反應(yīng)器的保溫層占據(jù)了內(nèi)殼空間，降低了反應(yīng)器容積的利用率。在介質(zhì)的沖刷作用下，熱流體滲入墻體，導(dǎo)致墻體過熱。因此，反應(yīng)堆的安全隱患大大增加，嚴(yán)重時甚至造成裝置被迫停運(yùn)。

②熱壁結(jié)構(gòu)

熱壁反應(yīng)器使用更安全，不易發(fā)生局部過熱。它能充分利用反應(yīng)器容積，有效容積利用率可達(dá)80%-90%。熱壁反應(yīng)器施工周期短，生產(chǎn)維護(hù)方便。但熱壁反應(yīng)器沒有內(nèi)保溫層，且筒壁溫度與內(nèi)反應(yīng)溫度相差不大，因此對整體鋼材要求較高。目前，隨著材料的進(jìn)步和發(fā)展，加氫串聯(lián)反應(yīng)器的設(shè)計多為熱壁式。

2.加氫反應(yīng)器的發(fā)展階段

關(guān)于加氫反應(yīng)器發(fā)展主要可以分成四個階段：

第一階段，20世紀(jì)60年代末，日本生產(chǎn)了第一臺加氫反應(yīng)器。反應(yīng)堆頂蓋由拼焊結(jié)構(gòu)制成。反應(yīng)器外殼材料逐漸發(fā)展為鉻鉬鋼板和鍛件，內(nèi)殼材料為帶狀堆焊不銹鋼。

第二階段，20世紀(jì)70年代，經(jīng)過幾年的使用，逐漸暴露出材料脆化的問題。反應(yīng)堆封頭從拼接結(jié)構(gòu)發(fā)展到整體結(jié)構(gòu)。隨著焊接技術(shù)的快速發(fā)展，反應(yīng)堆封頭的質(zhì)量比第一階段有了很大的提高。在這個階段，中國的石化工業(yè)開始逐步發(fā)展，加氫裂化反應(yīng)器也逐漸引進(jìn)。

第三階段，20世紀(jì)80年代，加氫反應(yīng)器的設(shè)計制造趨于成熟，我國開始研究制造鍛造焊接結(jié)構(gòu)的加氫反應(yīng)器。1989年，我國首臺1000噸鍛焊結(jié)構(gòu)熱壁加氫反應(yīng)器在遼寧省投產(chǎn)。

第四階段，20世紀(jì)90年代，為保證加氫裝置長期連續(xù)運(yùn)行的良好可靠性，開發(fā)了在450℃以上高溫下仍能滿足高強(qiáng)度要求的鉻鉬鋼和添加釩的改進(jìn)型鉻鉬鋼。

3.加氫反應(yīng)器發(fā)展

(1)發(fā)展現(xiàn)狀

高溫高壓加氫技術(shù)因其獨(dú)有的一些優(yōu)勢在石油煉油工業(yè)中已經(jīng)應(yīng)用持續(xù)近半個世紀(jì)的時間。在進(jìn)入現(xiàn)代科技社會之后，加氫裂化及脫硫兩項(xiàng)工藝也處于一種持續(xù)完善發(fā)展的狀態(tài)下。出于輕質(zhì)油品需求持續(xù)提升、裂解重質(zhì)石油原油之后的精制等諸多方面的考慮，與加氫反應(yīng)器、加氫精制裝置和加氫裂化裝置的相關(guān)的設(shè)施制造核心技術(shù)得到了持續(xù)的研究及升級，并且這些裝置制造所用的材料也隨著材料學(xué)的發(fā)展逐漸更新。但不可忽視的是加氫反應(yīng)器在使用中也逐漸暴露出一些使用問題，其維護(hù)和壽命延長技術(shù)越來越受到人們的重視。事實(shí)上，從20世紀(jì)60年代至今，一直存在著加氫反應(yīng)器失靈的問題。以2009年華北某石油廠發(fā)生的一起事故為例，爐管上彎頭突然破裂爆燃，引發(fā)爐膛火災(zāi)，這是由于局部應(yīng)力集中導(dǎo)致熱爐管破裂所致。從本質(zhì)上也說明了加氫反應(yīng)器本身存在的問題，加氫反應(yīng)是放熱反應(yīng)，會使床層溫度升高，但不會發(fā)生局部過熱，一旦發(fā)生，就有可能發(fā)生此類生產(chǎn)事故。

(2)技術(shù)進(jìn)展

①設(shè)計技術(shù)不斷優(yōu)化

加氫反應(yīng)器設(shè)計最重要的準(zhǔn)則是安全性原則。從設(shè)計觀點(diǎn)和方法上看，之前慣用的常規(guī)設(shè)計已經(jīng)不再適用于當(dāng)今技術(shù)背景下的加氫反應(yīng)器設(shè)計中，將塑性及彈性破壞準(zhǔn)則二者作為基礎(chǔ)的分析設(shè)計逐漸取代了單一化將彈性破壞準(zhǔn)則作為基礎(chǔ)的常規(guī)設(shè)計。通過計算其中高應(yīng)力及溫度區(qū)流場和應(yīng)力使用流體分析模型及應(yīng)力分析技術(shù)，極大的提高整體計算結(jié)果的精準(zhǔn)程度。

②應(yīng)用材料逐漸改良

我國在制造加氫反應(yīng)器的發(fā)展歷程中，2.25Cr-1Mo鋼作為常見且使用最廣的材料，在全面總結(jié)其使用經(jīng)驗(yàn)的前提下，研發(fā)出了改進(jìn)版的2.25Cr-1Mo鋼以及2.25Ct-I0鋼兩種滿足當(dāng)前制造需求的加氫反應(yīng)器材料，前者其抗拉強(qiáng)度較之之前傳統(tǒng)的鋼提升了70MPa左右，達(dá)到了585～760MPa。這種改進(jìn)版的型鋼材料只是在傳統(tǒng)型鋼中添加了0.2%～0.3%釩金屬元素，使得傳統(tǒng)的型鋼材料在強(qiáng)度水平、抗高溫回火脆性、對焊層抗氫剝離性能得到了極大的提升。

4.加氫反應(yīng)器的發(fā)展方向和發(fā)展趨勢分析

(1)加氫技術(shù)不斷優(yōu)化，清潔化發(fā)展成趨勢

近年來，隨著我國原油資源消耗量的不斷上升，原油進(jìn)口總量也在不斷增加。由于進(jìn)口原油劣質(zhì)、重質(zhì)化程度遠(yuǎn)未嚴(yán)重，煉油化工領(lǐng)域也面臨著巨大的發(fā)展壓力。加氫技術(shù)的出現(xiàn)使重油變得更輕、更清潔，實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)和能源的高效轉(zhuǎn)化成為石化企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。目前，固定床加氫技術(shù)廣泛應(yīng)用于劣質(zhì)稠油的處理。氫氣和原料油經(jīng)加熱后，從頂部進(jìn)入反應(yīng)器，通過催化劑床層，大部分硫、氮、金屬和其他高碳化合物可以被脫除。工作壓力一般可達(dá)20MPa，轉(zhuǎn)化率可達(dá)50%以上。

今后需要指出的是，原油的劣質(zhì)程度進(jìn)一步加劇，這就迫切需要不斷提高劣質(zhì)重油資源的利用率，實(shí)現(xiàn)輕量化、清潔化處理。要進(jìn)一步加大對多功能復(fù)合催化劑的研究，不斷提高催化劑的脫硫率、脫碳率和脫金屬率，充分保證催化劑在整個處理過程中的進(jìn)料率控制在0.5%～5%之間，實(shí)現(xiàn)催化劑的循環(huán)利用整個加氫處理工藝，有效降低催化劑的使用成本。在加氫技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，通常會有一定量的渣油外排。如果能進(jìn)一步優(yōu)化對接處理工藝，合理利用渣油，就可以避免環(huán)境污染，促進(jìn)我國能源供應(yīng)的穩(wěn)定發(fā)展，這也是今后重點(diǎn)研究方向。

(2)提升優(yōu)質(zhì)餾分油品質(zhì)，提升技術(shù)含量

近年來，市場對各類油品，特別是優(yōu)質(zhì)中餾分油產(chǎn)品的需求不斷增加，因此，改變生產(chǎn)方案、提升生產(chǎn)工藝十分必要。非晶態(tài)加氫裂化催化劑在加氫裂化過程中曾是最大限度地生產(chǎn)中間餾分油的主要工藝，但其缺點(diǎn)是反應(yīng)起始溫度較高。

重、劣質(zhì)原料加工難度大。為了避免原料中有機(jī)氮化物對加氫裂化催化劑活性的不利影響，應(yīng)優(yōu)化整體工藝流程，提高餾分油質(zhì)量。以提高中間餾分油收率的加氫裂化方法為例，將新鮮原料油同時平行流引入加氫反應(yīng)器Ⅰ和加氫反應(yīng)器Ⅱ。在“順序流”加氫裂化工段，加氫處理與加氫裂化串聯(lián)，加氫反應(yīng)器Ⅱ內(nèi)填充分子篩加氫裂化催化劑。在“平行流”加氫裂化工段，僅使用非晶態(tài)加氫裂化催化劑對尾油進(jìn)行循環(huán)裂化，可獲得約50%的氫產(chǎn)品，提高整體反應(yīng)空速，減少整個裝置的反應(yīng)器體積。該方法可以最大限度地生產(chǎn)中間餾分油，根據(jù)情況靈活調(diào)整生產(chǎn)方案，最大限度地生產(chǎn)柴油或噴氣燃料。技術(shù)進(jìn)步給我們的工作帶來了更多的可能性。經(jīng)過多年的發(fā)展，我國自主研發(fā)的成套技術(shù)和自主集成創(chuàng)新的大型技術(shù)已得到成功應(yīng)用，但事實(shí)上，關(guān)鍵技術(shù)仍需從國外引進(jìn)，國內(nèi)技術(shù)應(yīng)用還比較狹窄。因此，必須加強(qiáng)技術(shù)研究，提升技術(shù)含量，不斷系統(tǒng)地創(chuàng)新、改造、優(yōu)化、提高，從而增強(qiáng)其核心競爭力。

(3)加快產(chǎn)品出口，提升市場競爭力

我國企業(yè)要想提升市場競爭力，就要做好產(chǎn)品研究，積極擴(kuò)寬海外市場，尤其是在當(dāng)下，隨著我國化工行業(yè)的飽和，產(chǎn)能過剩的問題不可避免，而本質(zhì)上更需要在滿足國內(nèi)市場的需求基礎(chǔ)上，提升出口量，并解決國內(nèi)的產(chǎn)能過剩的問題，由于下游的需求量適中是有限的，當(dāng)下產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨著更大的競爭，因此需要綜合考慮項(xiàng)目的發(fā)展，結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際發(fā)展情況分析，避免不必要的經(jīng)濟(jì)損失。在產(chǎn)能調(diào)整和整體的勞動力成本提升的前提之下，更應(yīng)當(dāng)建立平衡機(jī)制，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局，運(yùn)用各種方式協(xié)調(diào)產(chǎn)業(yè)鏈的不平衡等一系列的問題。同時，目前我國加氫生產(chǎn)裝置的用途比較固定，長此以往也會產(chǎn)生市場風(fēng)險，因此需要積極拓寬新興市場，規(guī)避化工需求空間，以降低化工生產(chǎn)的市場風(fēng)險問題。

5.結(jié)語

總而言之，在當(dāng)今的市場背景之下，逐漸優(yōu)化加氫反應(yīng)器的運(yùn)用模式，優(yōu)化運(yùn)行效能已經(jīng)成為必然趨勢，而總的來說，加氫反應(yīng)器的發(fā)展應(yīng)朝著高質(zhì)量和協(xié)調(diào)的方向發(fā)展。因此，解決加氫反應(yīng)器反應(yīng)中存在的一些問題至關(guān)重要。例如，最常見的問題是高溫氫腐蝕、氫脆、H2S腐蝕和聚磺酸的應(yīng)力腐蝕開裂。因此，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)提高整體設(shè)計效率。創(chuàng)建高質(zhì)量的項(xiàng)目。加氫反應(yīng)器的優(yōu)化和發(fā)展與整個行業(yè)的發(fā)展息息相關(guān)，更應(yīng)當(dāng)做好技術(shù)的研究，提升加氫反應(yīng)器本身的穩(wěn)定性。同時還應(yīng)當(dāng)提升反應(yīng)的效率，降低反應(yīng)污染物的排放，進(jìn)而不斷提升企業(yè)的核心競爭力，降低生產(chǎn)風(fēng)險。