煉廠氫氣資源優(yōu)化利用

張凱鵬

(洛陽石化工程設計有限公司 ， 河南 洛陽 471012)

氫氣是一種寶貴而又潔凈的能量資源，在石化行業(yè)中，它既是石油煉制和石油化工的副產(chǎn)品，又是石油煉制和石油化工加氫工藝的重要原料。近年來，隨著原油資源儲量的日益減少，原油的高硫化、酸質化現(xiàn)象愈發(fā)嚴重，我國煉油企業(yè)通過不斷進行技術升級和結構調整改造以適應原油劣質化的現(xiàn)狀。為了降低汽車尾氣中的SO2、NOx、CO等有害物質的含量，車用汽油、柴油中的硫、烯烴、芳烴含量等指標控制越來越嚴格。深度加氫工藝是油品實現(xiàn)脫硫、烯烴飽和、降低芳烴含量、滿足國家新標準的有效手段。隨著加氫工藝日益廣泛的應用，對氫氣的需求也迅速增加。氫氣已成為煉油企業(yè)提高輕油收率、改善產(chǎn)品質量不可缺少的基本原料，氫氣成本已經(jīng)是煉廠原料成本中僅次于原油的第二位成本要素。氫源已經(jīng)成為制約煉油工業(yè)生存發(fā)展的瓶頸，提高氫氣利用率日益重要。本文主要是對煉廠產(chǎn)氫耗氫裝置和氫氣資源現(xiàn)狀進行分析，通過氫氣資源優(yōu)化利用，挖掘廉價氫源，降低氫氣成本，對煉廠氣中的氫氣進行回收意義重大，對于提高煉廠的經(jīng)濟效益尤為重要。

1 全廠氫氣資源情況及優(yōu)化思路

1.1 主要產(chǎn)氫耗氫裝置

中國石油化工股份有限公司洛陽石化公司(以下簡稱洛陽石化)主要耗氫裝置有260萬t/a柴油加氫裝置、220萬t/a蠟油加氫裝置、80萬t/a催柴加氫裝置、150萬t/a S-Zorb裝置、80萬t/a航煤加氫裝置。產(chǎn)氫裝置主要有70萬t/a 1#連續(xù)重整裝置、4萬Nm3/h制氫裝置、芳烴PSA裝置。其中70萬t/a 1#連續(xù)重整裝置產(chǎn)氫量43 000 Nm3/h，4萬Nm3/h制氫裝置因轉化爐能耗高裝置處于停工狀態(tài)，芳烴PSA裝置產(chǎn)氫量約3 000 Nm3/h，氫氣缺口靠外購氫的氫氣管網(wǎng)補足。優(yōu)化前全廠氫氣平衡情況見表1。

1.2 氫氣資源優(yōu)化的思路

依據(jù)目前洛陽石化的生產(chǎn)情況，需外購濟源氫15 000～20 000 Nm3/h，才能滿足全廠氫氣平衡。隨著加工原油性質變差，以及油品質量的升級，全廠對氫氣的需求還將進一步增加。1#重整裝置設計處理量為87.5 t/h，目前處理量維持在93 t/h，產(chǎn)氫能力受原料影響較大。在全廠加工高硫油期間，重整進料中的環(huán)烷烴為28%～32%，餾程67～175 ℃，產(chǎn)氫量為39 000～42 000 Nm3/h。在全廠加工低硫油期間，重整進料中的環(huán)烷烴為35%～39%，餾程為69～175 ℃，產(chǎn)氫量為44 000～46 000 Nm3/h，綜合產(chǎn)氫能力約43 000 Nm3/h，而因預處理單元與重整單元長期超過設計負荷，導致部分設備卡邊操作，處理量已到極限，因此在原料性質不變的情況下，產(chǎn)氫量已無空間。芳烴PSA正常運行，但因氫氣壓縮機出口壓力低，制約了氫氣的產(chǎn)量。并且經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，洛陽石化各類加氫裝置所產(chǎn)生的低分氣等含氫氣含量較高的富氫氣體沒有進行回收，直接并入瓦斯管網(wǎng)中作為瓦斯燒掉，存在一定的資源浪費。通過優(yōu)化芳烴PSA氫管網(wǎng)壓力及增設富氫氣體回收設施能夠增產(chǎn)氫氣，減少外購氫氣量，達到降低生產(chǎn)成本，增加經(jīng)濟效益的目的。

表1 優(yōu)化前全廠氫氣平衡情況

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2 氫氣資源的優(yōu)化

2.1 提高芳烴PSA的氫氣產(chǎn)量

芳烴PSA原料氣為1#催化裂化裝置和2#催化裂化裝置脫硫后的催化干氣，目前因芳烴PSA的氫氣壓縮機因機組原因出口壓力較低，而全廠氫氣管網(wǎng)壓力為3.5 MPa，故產(chǎn)品氫并網(wǎng)困難，制約了氫氣產(chǎn)量。通過對芳烴聯(lián)合裝置氫氣流程的優(yōu)化，為芳烴PSA裝置尋找部分低壓氫氣用戶，降低芳烴PSA裝置內氫管網(wǎng)壓力至3.0 MPa，保證PSA裝置各機組穩(wěn)定運行，為提高裝置負荷創(chuàng)造條件。改造后芳烴PSA裝置催化原料氣處理量由原來的8 000Nm3/h提高至12 000 Nm3/h，能夠多回收氫氣約1 300 Nm3/h，提高了芳烴PSA裝置的效益。

2.2 富氫氣體氫氣回收

2.2.1富氫氣體排查

洛陽石化各加氫裝置所產(chǎn)干氣種類20余種，通過排查篩選富氫氣體(氫氣體積分數(shù)50%以上)，全廠富氫氣體組成和主要參數(shù)見表2。

表2 全廠富氫氣體組成和主要參數(shù)

由表2可見，洛陽石化全廠各加氫裝置產(chǎn)出約11 400 Nm3/h富氫氣體，通過對這些富氫氣體加以回收提純其中的氫氣，既能將廉價的瓦斯氣轉化為價值較高的氫氣，提高石油利用率，增加企業(yè)經(jīng)濟效益；又能夠減少瓦斯氣中的氫氣，可增加瓦斯氣的燃燒熱值，提高瓦斯管網(wǎng)的穩(wěn)定性和加熱爐系統(tǒng)的安全性。

2.2.2氫提純工藝介紹

氫氣提純的主要工藝有：膜分離、變壓吸附等。其工藝技術的特性各不相同。在實際設計工作中，選擇合適的氫提純法，不僅要考慮裝置的經(jīng)濟性，同時也要考慮工藝的靈活性、可靠性、擴大裝置能力的難易程度、尾氣回收價值等。

2.2.2.1膜分離技術

膜分離技術是近十幾年來發(fā)展較快的一種新的氣體分離方法。膜分離方法利用不同氣體組分在膜材料中滲透速率的差異實現(xiàn)分離，滲透率較高的氣體在膜的滲透側富集，而滲透速率較低的氣體則在滲余側富集。與有機蒸氣膜分離不同，氫氣膜分離技術的膜材料對氫氣選擇性較大，氫氣在膜材料中滲透速率較大，而分子較大的氮氣、甲烷、輕烴等分子透過速率較慢。

該工藝的缺點是膜組件對原料預處理要求比較嚴格，對機械雜質、胺液、烴類凝液比較敏感，如果預處理效果不好直接影響膜壽命。比較適合成分相對穩(wěn)定的原料氣的處理，對于煉油廠各裝置的混合氣，其成分復雜，對膜壽命有較大影響，膜的回收效率也會隨著運行周期的延長而降低。

2.2.2.2變壓吸附技術(PSA)

變壓吸附的基本原理是利用吸附劑對不同氣體的吸附能力、吸附力、吸附量隨壓力的不同而不同的性質。對被分離的氣體混合物的各組分有選擇吸附的特性來提純氫氣。雜質在高壓下被吸附劑吸附，使得吸附容量極小的氫得以提純，然后雜質在低壓下脫附，使吸附劑獲得再生。多塔流程的變壓吸附操作可以獲得高氫氣純度，PSA工業(yè)裝置通常用4～12個吸附器，可以生產(chǎn)純度為99%～99.999%的氫氣。變壓吸附尾氣通常作為燃料氣使用，但其壓力為常壓，需要額外的壓縮設備將尾氣增壓后排入瓦斯管網(wǎng)。該工藝技術成熟，投資少，能耗低，在煉廠中得到廣泛應用。

2.2.3利用閑置的制氫裝置PSA單元部分回收富氫氣體

洛陽石化制氫裝置設計生產(chǎn)能力為4×104Nm3/h工業(yè)氫，年開工時數(shù)為8 400 h，相當于產(chǎn)純氫3.02×104t/a。裝置采用烴類水蒸氣轉化法造氣和變壓吸附氫氣提純工藝，裝置由原料加氫脫硫、水蒸氣轉化、中溫變換、PSA氫氣提純及余熱回收系統(tǒng)五部分組成。裝置原料為加氫干氣、焦化干氣、芳烴氣體，干氣供給量不足時以罐區(qū)提供的石腦油為補充原料，產(chǎn)品為純度99.9%的工業(yè)氫氣。PSA單元原設計為輕烴轉化制氫裝置配套設施，由10臺吸附塔、4臺緩沖罐組成。采用10-2-4 PSA工藝流程。其吸附和再生工藝過程由吸附、連續(xù)4次均壓降壓、順放、沖洗、連續(xù)4次均壓升壓和產(chǎn)品最終升壓等步驟組成。為了發(fā)揮制氫裝置PSA單元的潛力，可通過調整吸附劑的配比和對已有的工藝流程進行改造，使富氫氣體進入PSA單元進行提純回收氫氣。

2.2.4富氫氣體回收工藝流程優(yōu)化

將來自各加氫裝置的原料富氫氣體利用蠟油加氫裝置現(xiàn)有的脫硫塔T5105進行統(tǒng)一脫硫，脫硫后富氫氣體經(jīng)制氫裝置原料氣壓縮機C6101A/B從0.6 MPa升壓至2.4 MPa，進入制氫裝置原有中變冷卻系統(tǒng)；利用中變系統(tǒng)空冷A6101和水冷器E6107冷卻至40 ℃左右，經(jīng)分水罐V6105分水后，再進行聚結器分離液滴后；進入PSA單元預處理罐，處理后的氣體再進入氫氣提純吸附塔提純氫氣，PSA的解吸氣經(jīng)壓縮機升壓后送至瓦斯管網(wǎng)。

根據(jù)混合原料富氫氣體的性質，將吸附塔內吸附劑更換為能夠有效脫除原料富氫氣體中雜質的吸附劑。經(jīng)計算確定吸附流程采用10-2-4變壓吸附工藝技術，逆放和沖洗時間更長，使得吸附劑的吸附和再生效果更好；同時，對實際生產(chǎn)控制參數(shù)和操作時間進行優(yōu)化調整，提高氫氣回收率，達到回收富氫氣體的目的。

2.2.5富氫氣體回收效果

通過富氫氣體氫氣資源優(yōu)化回收利用，4×104Nm3/h制氫裝置可回收富氫氣體11 400 Nm3/h，氫氣回收率約為77%，能夠回收氫氣6 200 Nm3/h(純度≥99%)，解吸氣5 200 Nm3/h。優(yōu)化后全廠氫氣資源平衡見表3。

表3 優(yōu)化后全廠氫氣資源平衡表

3 結語

①通過優(yōu)化芳烴PSA氫管網(wǎng)壓力，改造后芳烴PSA裝置處理量由原來的8 000 Nm3/h提高至12 000 Nm3/h，能夠多回收氫氣約1 300 Nm3/h；②挖掘現(xiàn)有裝置潛力，依托現(xiàn)有設施，并對已有部分裝置進行合理的流程改造，實現(xiàn)了對全廠富氫氣體的回收利用，能夠回收氫氣6 200 Nm3/h(純度≥99%)，減少外購氫7 500 Nm3/h；③氫氣資源優(yōu)化利用充分，提高石油產(chǎn)品利用率，提高煉廠經(jīng)濟效益。按照2019年2月外購氫氣到廠價格1.15元/Nm3計算，經(jīng)過優(yōu)化后，全年可減少外購氫費用為9 000余萬元，實現(xiàn)洛陽石化降本增效的目標。