連續催化重整裝置大型化探討

壽 建 祥

(中國石化鎮海煉化分公司，浙江 寧波 315207)

催化重整(簡稱重整)是石油煉制的主要加工工藝之一，既可以生產高辛烷值清潔汽油，又可以經芳烴分離后得到苯、甲苯和二甲苯等芳烴產品，同時副產現代煉油廠必不可少的氫氣，所以連續重整裝置是現代大型煉化企業的重要裝置[1-2]。根據相關統計，中國原油一次加工能力超過600 Mt/a，重整加工能力接近100 Mt/a，而連續重整技術又是21世紀煉油生產結構調整和產品升級換代、生產超清潔燃料的核心技術。目前國內新建的連續重整裝置規模越來越大，其中，2.0 Mt/a以上的裝置超過10套，而最大運行的重整裝置的規模為3.2 Mt/a，另外有多套3.0 Mt/a以上的連續重整裝置正在設計建造中。對于大部分傳統煉油廠，原有的連續重整裝置規模在1.0 Mt/a的級別。為了更好地分析連續重整裝置大型化后對全廠總流程的影響及可能帶來的挑戰和機遇，本課題嘗試從大型化重整裝置對全廠原料、產品和公用工程配置的影響，以及裝置大型化涉及的關鍵設備、工程建設挑戰和規模效益等方面進行分析，以期為新建大型連續重整裝置做技術準備。

1 原料和產品

1.1 原料供應

在傳統燃料型煉油廠中，重整原料主要來自常壓蒸餾裝置，加氫裂化裝置規模較小，而且以產燃料油品為主，其重石腦油產品占重整原料的比例一般不超過20%。受原料來源限制，傳統煉油廠中重整加工能力占原油一次加工能力的比例不超過15%。隨著煉油廠由傳統燃料型向化工型轉變，在新的煉化一體化項目中，加氫裂化裝置的規模不斷擴大，加氫裂化工藝選擇以多產化工原料為主，可使加氫裂化重石腦油占重整原料的比例大幅上升。通常煉化一體化煉油廠的加氫裂化重石腦油占重整原料比例達到40%。國內一座新投用的一體化煉油廠的總流程采用全加氫路線，其加氫裂化重石腦油占重整原料的比例超過70%。另外隨著乙烯原料的輕質化發展，石腦油將越來越多地進入重整裝置。綜上所述，隨著煉化一體化技術的發展，充足優質的重整原料供應為重整裝置的大型化創造了必要條件。

1.2 產品需求

催化重整以石腦油為原料，在一定的溫度、壓力和臨氫狀態下將原料中的大部分環烷烴和部分烷烴轉化成芳烴，從而大幅度提高產物的辛烷值，同時副產大量低價氫氣，是生產芳烴和清潔汽油的重要裝置[3-4]。隨著油品質量的升級和環境保護要求的提高，重整裝置除了為加氫裝置提供低價穩定的氫源外，其產物還可以作為高辛烷值汽油調合組分或芳烴裝置的原料。特別地，中國是世界第一人口大國，也是世界第一紡織大國，現代紡織工業的主要原料聚酯纖維(PET，俗稱滌綸)就是由石油化工產品對二甲苯(PX)衍生而來，原油→石腦油→重整→PX→PTA→PET的化纖產業鏈在國內化工產業中具有重要地位和影響。以制取高純度PX為目標的典型生產工藝如圖1所示。在全球范圍內，中國石油化工股份有限公司(簡稱中國石化)是第三個掌握重整-芳烴聯合全套技術的企業，在大力發展芳烴工業方面，中國有技術、資源和市場全方位優勢。

圖1 以制取高純度PX為目標的重整-芳烴聯合工藝示意

近幾年一大批煉化一體化項目正在快速投產，大型重整-芳烴聯合是其必備的工藝流程，其中，重整加工能力占原油一次加工能力的比例達到40%，甚至接近50%，其主要目標是在重整產物中提取芳烴，這除了因為當前芳烴產業鏈具有豐厚的利潤外，還因為生產芳烴是煉化一體化項目的關鍵，是傳統燃料型煉油廠轉向化工型煉油廠的必經之路。根據“宜油則油，宜芳則芳，宜烯則烯”的全流程優化原則，缺少哪一塊都將大幅降低煉化一體化項目的效率。重整產物相對石腦油的價值有很大提升，重整產物使用范圍廣、需求量大，因而重整裝置是提高煉油廠整體效益的主體裝置。

1.3 重整裝置對煉油廠全流程的優化作用

圖2是煉化一體化煉油廠常見總流程的示意。煉油廠原油進入蒸餾裝置后，按照餾程切割為石腦油、煤油、柴油、蠟油和渣油等組分，在常規的加工流程中，石腦油主要進入重整裝置或蒸汽裂解裝置，煤油、柴油經過加氫精制后作為產品，蠟油可以通過加氫裂化或催化裂化裝置轉化為汽油、煤油和柴油，渣油可以生產瀝青，也可以送渣油加氫或焦化裝置處理后再進入加氫裂化裝置或催化裂化裝置轉化為汽油、煤油和柴油。蠟油和渣油加工路線的選擇決定了煉油廠產品的類型和收率，而其中的重整工藝在提高石腦油價值的同時還為蠟油和渣油加工提供寶貴的氫源。

圖2 煉化一體化煉油廠常見總流程示意

為了了解重整裝置規模對煉油廠總流程的影響，對兩種不同類型的千萬噸煉油總流程的主體裝置及加工能力進行了對比，結果見表1。

從表1可以看出：方案1為傳統的以產燃料油品為目標的煉油廠，配置有大型催化裂化裝置、小型加氫裂化裝置和小型重整裝置；方案2為當前比較先進的化工型煉油廠，具備相對較大的加氫裂化能力和連續重整加工能力。下面對這兩種不同總流程方案的主要產品和技術經濟指標進行對比，情況如表2所示。

表1 不同類型的千萬噸級煉油總流程的主體裝置及加工能力對比

表2 不同類型的千萬噸煉油總流程的主要產品和技術經濟指標對比

從表2可以看出：雖然化工型煉油廠(方案2)的總商品收率高于燃料型煉油廠(方案1)的，但是其汽油、煤油、柴油等輕質燃料油品的產量卻不到后者的60%；方案1所產乙烯原料的量為1.54 Mt/a，最多只能供0.60 Mt/a的小型蒸汽裂解裝置作原料，而方案2所產乙烯原料的量達到3.92 Mt/a，足以為當前最大規模的1.40 Mt/a蒸汽裂解裝置提供原料。在方案2中，通過適當擴大重整裝置規模，將加氫裂化重石腦油轉化為高附加值芳烴，并副產氫氣供應給加氫裂化裝置，可降低加氫裂化的用氫成本，為加氫裂化裝置擴大規模創造條件，同時可增加加氫裂化尾油產乙烯原料的量，為大型蒸汽裂解裝置提供足夠的優質原料，從而最終降低燃料油品收率、增加芳烴和烯烴等化工產品的收率，有利于燃料型煉油廠成功轉化為化工型煉油廠。

2 工藝和主要設備分析

2.1 主要連續重整工藝提供商的業績對比

目前中國在用的連續重整工藝的提供商主要有3家，分別為霍尼韋爾旗下環球油品(UOP)公司(其開發的連續重整工藝統稱為UOP工藝)、法國Axens公司(其開發的連續重整工藝統稱為Axens工藝)和中國石化(其開發的連續重整工藝統稱為國產工藝)。此3家提供商的連續重整工藝在中國的大型重整裝置的業績對比如表3所示。由表3可見，3種工藝都有3.0 Mta以上規模的大型化連續重整裝置的運行業績或者正在建設中。隨著重整技術的發展，這3種連續重整工藝之間相互借鑒，各有優缺點，并在工程上都是可行的。所以，對于4.0 Mta規模的大型連續重整裝置在工藝選擇上可以進行多家比選，根據項目規劃要求做出最佳選擇。

表3 主要連續重整工藝提供商在中國的大型重整裝置業績對比

2.2 主要設備大型化分析

在21世紀初國內連續重整裝置的規模基本為1.0 Mt/a左右，但是最近10年出現了多套2.0 Mt/a以上規模的重整裝置，目前國內在運行的最大連續重整裝置的規模為3.2 Mt/a。表4為兩套不同規模的連續重整裝置的主要設備規格和管道直徑的對比。由表4可以看出，重整裝置大型化后，其主要設備規格和管道直徑都成倍增大。

表4 裝置大型化主要設備和管道直徑變化情況舉例

1)兩路分支。

下面就連續重整裝置大型化后，在反應器布置、反應器內構件、加熱爐布置、壓縮機選型和進料換熱器選型等方面進行分析。

2.2.1 反應器布置連續重整裝置一般設有4臺反應器，對于1.0 Mta級別的連續重整裝置，不同工藝提供商的反應器布置方式各不相同，一般分為3種形式：4臺疊置、4臺并列布置和二二疊置。裝置大型化后，各工藝商的反應器布置方式趨于多樣化[5-6]。以UOP工藝為例，在裝置規模較小時，一般采用4臺反應器疊置在一起的設計方案，而在規模較大時則多改為二二疊置式，在超大規模時甚至采用5個反應器(前面3臺反應器疊置一列，后面2臺反應器疊置一列)的設計。不同重整工藝提供商的反應器布置的對比如表5所示。

表5 各種不同重整工藝反應器布置對比

4臺疊置的反應器布置方式中，現場設備和配管的布置緊湊，減少了催化劑提升設施，節省用地，但是4臺反應器疊置在一起后加上頂部的還原段，設備的總高度較高，穩定性較差，為保證一定的強度，設備筒體器壁需要加厚，反應器投資費用也增加。另外，設備的運輸、安裝和現場組焊難度都增加，并且配管和土建框架投資相應增高。特別隨著裝置大型化，如果還采用4臺反應器疊置，制造和施工難度都將大幅上升。所以對于大型化連續重整裝置，反應器一般采用二二疊置或并列布置的方式。

2.2.2 反應器內構件連續重整反應器均為徑向反應器，反應器內構件是連續重整大型化后裝置可靠性的關鍵部件之一。當前幾種工藝提供商的反應器內構件的主要區別在于反應器入口氣體分配器。

反應器入口氣體分配器是高溫原料油氣進入催化劑床層并均勻分配的通道。以其中一種工藝為例，其重整反應器入口氣體分配器結構進行了不斷的演變。該工藝最早使用傳統的“D”形結構扇形筒分配器，這種分配器的機械強度低，扇形筒間催化劑存在死區，催化劑利用效率低。隨著技術的發展，該工藝商對扇形筒進行了改進，將“D”形結構優化為梯形結構，而后又進一步改進為契型結構。根據工藝商的介紹，使用最新的反應器入口分配器時，不僅反應器內構件強度大幅度增加，而且在同樣的催化劑裝填量的情況下，反應器總高度下降8%，反應器轉油線總長度減少6%，反應器投資和工程建造投資都有所下降。

連續重整反應器氣體分配器除了扇形筒結構外，另外一種常用的氣體分配器是由絲網組成的圓筒結構，其實物照片見圖3。扇形筒結構和絲網圓筒結構在強度上都能滿足連續重整裝置大型化的要求，并且都有3.0 Mta以上規模裝置的使用業績。

圖3 絲網圓筒結構的反應器入口氣體分配器照片

2.2.3 加熱爐的布置重整反應是一個強吸熱過程，重整反應加熱爐是重整裝置中的主要設備之一，其投資占連續重整裝置總投資的比例約為20%[7]。重整反應器內環境為低壓高溫，反應加熱爐爐管內介質的體積流量大，允許的壓降很小，每個加熱爐爐管壓降通常控制在10 kPa以下，介質出爐的溫度要達到510～549 ℃，因此加熱爐的爐管通常設計成多路并聯，每路爐管通過大口徑集合管連接、多臺燃燒器聯合供熱。重整反應加熱爐實際上可以認為是一個純輻射加熱爐，因為主要的工藝介質僅在輻射室完成熱交換，對流室則完全利用從輻射室出來的高溫煙氣發生中壓蒸汽供裝置自用。

重整輻射室爐管排列主要有兩種類型，分別為正U型布置和倒U型布置，兩種爐管在連續重整裝置都有應用。裝置大型化后，隨著加熱爐負荷增加，加熱爐體積成倍放大，加熱爐爐型結構布置成為關鍵要素。在重整裝置規模較小時，反應加熱爐輻射段用爐墻隔開，共用對流段的四合一爐，但在裝置規模較大時則宜使用二合一爐或者單爐，甚至使用雙U型管加熱爐。

2.2.4 壓縮機的選型和出裝置氫氣壓力的確定重整循環氫壓縮機和重整所產氫氣(簡稱重整氫)的增壓機是連續重整裝置的核心設備。當前國內已開工的連續重整裝置中，除了少量小規模裝置的重整氫增壓機選擇往復式壓縮機外，百萬噸級以上連續重整裝置的循環氫壓縮機和重整氫增壓機均采用透平驅動的離心式壓縮機。透平驅動的離心式壓縮機在低壓縮比和高排量的重整工藝中的應用有很多優勢，不需備機，可減少設備數量，相應減小占地面積，而且由于設備故障率低、日常維護簡單，所以也可相應減輕日常勞動強度。

重整循環氫的壓縮比約為2，而重整氫根據煉油廠氫氣管網的需求，其總壓縮比通常為4或者8，循環氫只需要一級壓縮就能滿足壓力要求，而重整氫需要兩級或三級壓縮才能滿足壓力要求。為了降低重整壓縮機投資，在部分新設計的連續重整裝置中循環氫壓縮機合并了重整氫增壓機的一級，這樣可以減少一級增壓機的投資、大幅度降低壓縮機的總投資。然而，隨著連續重整裝置規模的不斷變大，重整循環氫和重整氫的總量也在成倍增長，對重整循環氫壓縮機的制造水平提出了更高要求。所以在大型化連續重整裝置設計時要與壓縮機制造商充分交流，選擇最為經濟可靠的氫氣壓縮方式。

重整裝置規模較小時，一般根據煉油廠氫氣管網的壓力要求設計重整氫出裝置壓力，通常重整氫邊界壓力為1.2 MPa或2.4 MPa。隨著重整規模的變大和重整原料及催化劑的改進，4.0 Mt/a連續重整裝置的產氫量超過2×105m3/h，此時如果再選擇偏低的重整氫出裝置壓力，則會有如下不利影響：一是重整裝置氫氣純度不高，影響產品液體收率和液化氣收率；二是重整氫管線直徑會非常大，增加了投資和施工難度。基于以上原因，根據煉油廠氫氣管網壓力等級設置情況，對于大型化連續重整裝置，其出裝置氫氣盡量按照較高壓力設計，并將氫氣提純裝置就近布置在重整裝置附近，以提高重整產品液體收率和降低裝置投資。

2.2.5 重整進料換熱器的選擇重整進料換熱器是連續重整裝置的主要能量回收設備，其回收的熱量相當于重整反應加熱爐提供給裝置的熱量之和。一套4.0 Mt/a連續重整裝置，重整進料換熱器的熱負荷超過250 MW。連續重整是一種低壓工藝，為了降低系統壓力和壓縮機功率，雖然重整進料換熱器的熱負荷大，但卻要求其具有很小的壓降，冷側和熱側介質壓降總和一般不超過100 kPa，故重整進料換熱器的選型對裝置的穩定運行和裝置能耗水平有著非常重要的影響。

早期小型重整裝置選擇逆流管殼式立式換熱器，換熱效率偏低，而且管殼式立式換熱器換熱面積很難再進一步擴大。百萬噸級以上規模的連續重整裝置，一般都使用傳熱系數高、壓降小的焊板式換熱器代替多臺管殼式立式換熱器，這樣可節省占地、避免立式換熱器并聯可能引起的偏流等問題，且由于焊板式換熱器傳熱效率高，可減少進料加熱爐的熱負荷及重整產物空氣冷卻器的面積，以達到節省燃料和降低用電量的目的。另外，近年來國內興起的繞管式換熱器也能很好地滿足重整進料換熱器的要求，目前繞管式換熱器在3.2 Mt/a連續重整裝置上有單臺使用的業績。對于4.0 Mt/a連續重整裝置而言，選擇兩臺繞管式換熱器并聯還是單臺放大使用，需要在設備選型時進行充分論證。

2.2.6 催化劑循環和再生連續重整工藝流程的核心是催化劑循環和再生系統，各主要工藝商再生系統差別較大。UOP工藝的再生循環氣采用濕熱循環，再生循環氣回路壓降較小，循環氣只需要在再生器燒焦段附近安裝一臺高溫鼓風機即可；Axens工藝、中國石化洛陽工程有限公司的SLCR工藝以及中國石化工程建設有限公司(簡稱SEI)的逆流床工藝的再生氣循環采用干冷循環，循環氣回路設備較多，壓降較大，需要設置再生循環氣壓縮機。相對UOP工藝，其他3種工藝的再生器壓力較高，有利于催化劑的燒焦和減少再生循環氣的管線直徑。從目前各重整工藝大型化后的運行情況來看，這幾種工藝的催化劑再生系統都能滿足工程要求。

2.3 裝置大型化后的節能分析

2.3.1 重整原料直供在百萬噸級連續重整裝置中，直餾石腦油占原料的絕大部分。早期因為設備可靠性較差，重整原料一般采用罐區供料(簡稱罐供)形式，即常壓蒸餾裝置出來的直餾石腦油冷卻到常溫后先進入石腦油儲罐，由儲罐收油、封罐、靜置、脫水、采樣分析合格后，再送往重整裝置的預加氫系統。隨著煉化一體化技術的發展，重整規模不斷增大，如果繼續使用原料罐供形式，一則需要增加大量石腦油儲罐，使裝置投資增大；二則罐供重整原料的溫度低，進裝置前還需要升溫、升壓，所以不利于節能；再則，罐供方式增加了中間環節，使煉油廠的操作成本大幅上升。所以新的大型化連續重整裝置一般與一體化項目統一規劃，直餾石腦油原料直供預加氫系統，加氫裂化重石腦油直供重整進料，以降低操作成本。重整原料直供和罐供的主要設備和能耗的對比見表6。

表6 重整原料直供和罐供的主要設備和能耗的對比

當然，由于重整裝置的催化劑昂貴，對雜質的要求很高，特別是對原料的含水量要求非常高(一般要求控制原料中水質量分數小于5 μg/g，甚至更低)，所以重整原料直供時要做好原料質量監控，對于產石腦油的上游工藝操作要加強監控，特別對于常壓蒸餾裝置石腦油換熱器、加氫裂化裝置重石腦油換熱器等設備的可靠性要提高要求，以確保重整原料的質量合格。在加氫裂化重石腦油直供重整進料時，加氫裂化裝置平穩操作非常重要，要制定加氫裂化重石腦油的水含量指標，設置在線水分析儀，重石腦油作重整進料時要經過精制脫硫。直餾石腦油直供預加氫反應系統時，預加氫原料罐的設計要做好保溫和緩沖脫水，預加氫原料罐容量要適當放大，以增加直餾石腦油的停留脫水時間，同時降低預加氫反應的空速，增強預加氫反應系統的抗沖擊能力。

2.3.2 大型重整裝置節能設計的規模化效應在重整裝置規模較小時，很多低溫熱利用的經濟效益較差[8]。隨著重整裝置規模的增大，部分低溫熱的利用將具有很好的規模效應，可通過深度熱聯合設計使裝置具有顯著的經濟效益。表7所示為大型化重整裝置節能設計的規模化效應。

表7 大型重整裝置節能設計的規模化效應

從表7可以看出，當重整裝置在百萬噸級時，裝置的氫氣冷量回收量只有0.6 MW，由于在氫氣管路上增加換熱器將會增加氫氣管路壓降，引起氫氣增壓機功耗增加，同時還要增加管道和換熱器投資，因而不具有經濟效益。同樣，預加氫汽提塔由于含有硫化氫、氯化氫等高酸腐蝕介質，如果要回收預加氫汽提塔塔頂的低溫熱，換熱器的投資和操作成本都較高，因而在裝置規模較小時也不具有經濟效益；但是，當裝置規模達到4.0 Mt/a時，其通過低品位熱量回收的能量將數倍增加，此時裝置將具有明顯的規模效益。另外，大型化連續重整裝置在提高反應加熱爐熱效率上也具有同樣的規模效益。

3 重整工藝的優化設想

常規連續重整工藝中催化劑流動方向與油氣流動方向一致，重整反應的進行由易到難，而越到反應器后部，催化劑受積炭和氯流失的影響，其活性逐漸降低。為了解決這個難題，SEI的連續重整研究團隊聯合中國國內科研單位共同開發了逆流床連續重整工藝。在逆流連續重整工藝中，催化劑的流動方向與反應物料的流動方向相反，再生后的催化劑先進入第四反應器(四反)，然后依次進入第三反應器(三反)、第二反應器(二反)和第一反應器(一反)，設計的初衷是為了將最難反應的四反物料與活性最好的催化劑接觸，以提高重整反應轉化率，然而在實際工程應用中發現，高活性的再生催化劑直接進入四反，容易引起催化劑在四反中強烈結焦，影響催化劑的活性[9-10]。為了更好地解決這個問題，對連續重整工藝進行優化，設想如果再生好的催化劑先進入三反，然后進入四反，再由四反底部收集后提升至二反，二反底部收集后提升到一反，這樣既解決了傳統連續重整工藝三反和四反催化劑活性偏低的問題，又很好地解決了催化劑積炭量偏高的問題。圖4是3種不同連續重整工藝的反應物料與催化劑流向示意。

圖4 不同連續重整工藝的反應物料與催化劑流向示意

4 小 結

(1)隨著煉化一體化技術的發展，連續重整裝置有了充足的優質原料；同時由于芳烴需求量的增加以及燃料型煉油廠向化工型煉油廠轉型的需要，為連續重整裝置的大型化發展創造了有利條件；連續重整裝置的大型化有利于煉油廠總流程的優化。

(2)連續重整裝置的大型化有利于降低單位處理量的裝置投資和占地面積，降低單位人工成本，提高設備效率，并通過設計優化和深度熱聯合，規模化回收低溫熱，達到降低裝置單位能耗的目的。

(3)連續重整裝置規模由1.0 Mt/a提高到4.0 Mt/a，其主要設備大小、布置和形式都有較大變化，這在裝置規劃設計階段要引起足夠重視。對重整催化劑活性與物料反應難易的更好匹配，提出優化的工藝設想。