柴油加氫裝置石腦油直供重整工藝技術應用

周海峰，王賢山，楊金生，孫向文

(正和集團股份有限公司，山東 東營 257342)

華賁教授提出的能量結構三環(huán)節(jié)理論，是關于合理用能的科學總結，其在能量利用環(huán)節(jié)中指出“能量綜合利用不僅應在獨立裝置中開展，還應在裝置與裝置間展開，在技術條件許可的情況下，進行最大程度的能量綜合利用(熱出料、直供料及低溫熱利用等)”。

在煉油化工過程的工藝核心部分，能量主要都是通過熱和機械功兩種形式傳給物流而被利用的，并且熱量占絕大部分。但是煉油、化工廠從外界獲得供給的能源一般總是含有化學能的燃料和點，少數(shù)有外供蒸汽。因此，能量的轉換和傳輸是各種工藝過程用能的一個共同的不可或缺的環(huán)節(jié)，它主要包括將化學能轉變?yōu)闊崃康母鞣N爐子和將電能或工質的內能轉變?yōu)闄C械功及物流的水力能的各種機泵。

煉油和大部分化工過程的另一個重要特點是工藝物料多為傳熱性能很好的流體，主要工藝多為熱過程，所需要的熱量分布的溫度范圍很廣。這就使主要工藝過程完成后物流攜出的能量有可能得到最大限度的回收重復利用，從而大大減少需要供入的能量。

1 裝置間直供料

1.1 技術原理

裝置單元間的熱聯(lián)合是煉油廠熱量回收利用的一項重要措施，裝置間熱聯(lián)合打破以往裝置用能自成體系的局面，打破裝置界限，在多個裝置間進行冷熱流的優(yōu)化匹配，在全公司范圍內進行冷熱流的優(yōu)化匹配，避免“高能低用”造成能量損失和改變此處冷卻而在另一處加熱的充分換熱的不合理局面，達到能量多次利用，節(jié)省燃料和冷卻水，提高換熱深度，減少冷卻負荷，降低水耗。

熱進料是指中間產(chǎn)品出裝置前不經(jīng)冷卻，直接進入下游加工裝置，減少冷卻與加熱的過程，節(jié)能效果顯著，如常減壓蒸餾裝置熱渣油直接供催化裝置，催化柴油直接供加氫裝置等。主要包括將化學能轉變?yōu)闊崃康母鞣N爐子和將電能或工質的內能轉變?yōu)闄C械功及物流的水力能的各種機泵。煉油和大部分化工過程的另一個重要特點是工藝物料多為傳熱性能很好的流體，主要工藝多為熱過程，所需要的熱量分布的溫度范圍很廣。這就使主要工藝過程完成后物流攜出的能量有可能得到最大限度的回收重復利用，從而大大減少需要供入的能量。

1.2 直供料裝置情況

某公司新建連續(xù)重整裝置，配套建設柴油加氫改質裝置。按照能量三環(huán)節(jié)理論分析，裝置間存在著較大的節(jié)能潛力。目前運行狀態(tài)下，連續(xù)重整裝置原料為常減壓裝置直餾石腦油和柴油加氫改質裝置石腦油，加氫石腦油的硫含量、氮含量和有害金屬含量較直餾石腦油低得多，已經(jīng)接近重整進料標準，如果加氫石腦油的產(chǎn)品質量能夠達到重整進料標準，這部分原料就能夠避開重整原料預處理系統(tǒng)，直接進入重整系統(tǒng)，從而降低原料預處理的能耗，并延長催化劑的使用壽命。

柴油加氫裝置石腦油(餾分油加氫石腦油)外送至重整裝置時，一般外送至重整預加氫單元石腦油罐，與其余種類石腦油(比如常壓減壓裝置來的直餾石腦油、自焦化汽柴油加氫來的焦化石腦油)一起進行再進行加氫精制、汽提、從而給重整單元提供合格的原料；該工藝流程較長，能耗較高，但是柴油加氫裝置石腦油質量品質較高，而自常減壓裝置來的直餾石腦油、自焦化汽柴油加氫來的焦化石腦油品質較低，三種石腦油混合后，需要經(jīng)過換熱流程及預加氫進料加熱爐、預加氫反應器等流程進行處理，使高品質的柴油加氫裝置石腦油重新走了一遍加氫處理流程，從而使能耗增加，操作工藝難度增加，安全隱患增加。

隨著設備可靠程度的提高、儀表控制水平的提高，加氫改質裝置所產(chǎn)石腦油完全可以與連續(xù)重整裝置實現(xiàn)直供料，在滿足工藝裝置生產(chǎn)安全性的同時，不再進儲罐區(qū)中轉，可有效減少罐區(qū)輕烴組分的揮發(fā)損耗和周轉過程的熱量損失。因此，重整裝置與其上游裝置為實現(xiàn)直供料，儲運的處理量大為降低，裝置直接實現(xiàn)了高度的熱集成，同時還可降低揮發(fā)損失，節(jié)能效果十分明顯。

2 國內外技術現(xiàn)狀

2.1 國外技術現(xiàn)狀

煉油和化工行業(yè)既是生產(chǎn)能源和基礎原材料的工藝，又是高能耗工業(yè)。在國際市場上，美國能源部正在通過“2020年夢想計劃”推進能源節(jié)約，由公司、政府部門、大學和專業(yè)組織組成聯(lián)合體共同開發(fā)一些技術，例如包括陶氏化學、普萊克斯、休斯敦大學和科克-格律希公司組成的集團開發(fā)的成果，起到了非常良好的節(jié)能效果。近年來，日益嚴格的環(huán)境保護要求生產(chǎn)的柴油硫含量越來越低，2001年歐洲要求生成硫含量≤350 μg/g的低硫柴油，2005年要求硫的含量≤50 μg/g，2009年要求硫含量≤10 μg/g的超低硫柴油，同時對十六烷值、芳烴等提出了新的要求，由于不同的國家、地區(qū)的不同要求，各國公司分別開發(fā)了自己的技術，如美國開發(fā)了Albemarle公司開發(fā)了一段和兩段工藝、美國UOP公司開發(fā)了MQD(Unionfining/Unisar)工藝、美國Exxon公司開發(fā)了DODD工藝等，進一步增強了石油的環(huán)保型減少了能耗的浪費現(xiàn)象。

石油作為重要能源之一，需求量再不斷的增加，龐大的消費市場對輕質油品及中間餾分油的需求不斷增長，汽柴油質量標準又在不斷的升級，環(huán)境保護問題也日益受到各國的重視，清潔燃料的推廣和普及已經(jīng)提上議事日程，縱觀國內外現(xiàn)代化的煉油廠和企業(yè)，幾乎無一例外的選擇了加氫精制工藝，減少能耗、環(huán)保生產(chǎn)無疑成為了目前石油發(fā)展的最大目標。

2.2 國內技術現(xiàn)狀

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，作為重要能源的石油需求量在逐年增加，中國的煉油工業(yè)也獲得了極大的發(fā)展，同時柴油加氫的技術也在不斷發(fā)展：

2010年，上海高橋石化通過優(yōu)化調整，實現(xiàn)加氫裂化石腦油熱直供連續(xù)重整裝置，加氫裂化出裝置溫度由≯40℃提高到140℃，停掉了加氫裂化裝置的兩臺空冷器、一臺水冷器。

2015年，經(jīng)過持續(xù)優(yōu)化調整，廣州石化3號焦化裝置熱輕蠟和熱柴油直供系統(tǒng)實現(xiàn)平穩(wěn)運行，輕蠟油和柴油中70%的富余熱量被成功回收，裝置的能耗同比下降了0.68%。

2016年，石家莊煉化不斷優(yōu)化上下游裝置間的直供料流程，大力推進裝置間“口對口”供料工作，其中S-Zorb、三氣分、260萬噸加氫、三催化等裝置基本實現(xiàn)100%的直供料。

物料直供能夠有效減少中間輸送環(huán)節(jié)，騰出罐容，拓寬流程優(yōu)化空間，減少能耗和物料損失。廣州石化不斷完善上下游裝置之間的直供料流程，大力推進裝置之間“口對口”供料工作，煉油區(qū)熱聯(lián)合、直供料比例同比提高了10.3%，其中氣體分餾、加氫裂化、MTBE、焦化汽油加氫等裝置已經(jīng)實現(xiàn)100%的直供料，不僅消除了生產(chǎn)運行瓶頸，提升了裝置的加工負荷和長周期運行水平，而且降低了煉油近1%的能耗，提升了企業(yè)的整體效益。

3 總體技術方案

3.1 技術方案內容

3.1.1 優(yōu)化調整柴油加氫裝置反應壓力和循環(huán)氫純度

通過提高反應壓力，可以減少縮合和迭合反應，改善碳平衡，減少催化劑結焦。最大限度的提高反應壓力和循環(huán)氫純度。循環(huán)氫組成與低分氣組成對比表。

3.1.2 優(yōu)化調整柴油加氫裝置反應溫度

在催化劑不變的情況下，提高脫硫率、脫氮率等反應轉化率，提高產(chǎn)品質量。使反應器中的催化劑均勻發(fā)揮功效，得到最佳的產(chǎn)品分布與產(chǎn)品質量。

3.1.3 優(yōu)化調整反應氫油比

提高氫油比，有利于加氫反應。既提高了產(chǎn)品質量，又減少了催化劑結焦。本公司控制反應器入口氫油比570，反應器出口氫油比960。周密控制進料流率、反應操作壓力、循環(huán)氫流率、循環(huán)氫純度、反應溫度(或催化劑平均溫度)、氫油比等幾個主要操作參數(shù)，使操作能滿足規(guī)定的產(chǎn)品收率和質量要求。

3.1.4 優(yōu)化柴油加氫改質裝置汽提塔和分餾系統(tǒng)

傳質過程它是實現(xiàn)分離目的的一種最基本、最重要的手段。采用6Σ方法，結合DMAIC的控制方案，提高石腦油與精制柴油切割精度，使兩種組分在采用恩氏蒸餾方法分析時實現(xiàn)脫空。

3.1.5 調整及改造連續(xù)重整裝置預加氫單元

結合直供料情況，調整連續(xù)重整裝置預加氫單元進料流程，進行適應性改造。

圖1 重整預加氫單元進料調整位置示意圖(原設計自下圖左側向右燕尾箭頭處供料，本設計改為供料至右側向下箭頭處)

3.2 技術方案關鍵點

柴油加氫改質經(jīng)過研發(fā)，優(yōu)化生產(chǎn)了合格的重整原料，這部分石腦油不經(jīng)過預加氫單元的加氫精制，直接進入汽提塔，能夠降低重整預處理單元原料泵負荷22%，降低加熱爐負荷25%，降低催化劑空速25%，重整預加氫單元節(jié)能15%左右。

3.2.1 反應溫度

在裝置運行中反應溫度主要有兩個指標，一是徑向溫差，是指在一個催化劑床層中的一個水平面上一組四個或多個熱偶的簡單算術差。徑向溫差可以表現(xiàn)物料在反應器中的平均分布情況，徑向溫差大說明物料在反應器內有一定的偏流，催化劑做功大小不一，徑向溫差小說明物料在反應器內分布均勻，催化劑做功大小一致。本公司控制徑向溫差小于3℃，為保證該指標符合要求，在催化劑裝填時大膽采用密相裝填方式，使催化劑徑向和縱向相對均勻的分布在同一個水平面上，避免催化劑塌陷和溝流。

3.2.2 反應壓力

在加氫過程中，有效的壓力不是總壓而是氫分壓，氫分壓的大小取決于補充新氫的純度、系統(tǒng)總壓、冷高分溫度、循環(huán)氫排放量、原料油的汽化率及反應氣體產(chǎn)率等多種因素。反應壓力高會促進加氫裂化反應的進行，選擇性變差，因而造成液收率下降，耗氫增加，氫純度降低，過高的壓力會增加設備投資和操作費用，同時對設備制造也帶來一定的困難。通過提高系統(tǒng)總壓(操作盡量接近裝置冷高分上安全閥的設定壓力的95%)，補充新氫純度，提高排放氣流率及循環(huán)氫的氫純度，降低冷高分的溫度等方式提高氫分壓，控制反應壓力。因重整裝置原料量不足，在優(yōu)化產(chǎn)品結構的同時，提升石腦油收率，因此提高了反應器入口壓力、溫度，分別提高了2.0 MPa、15℃，調整后控制參數(shù)為：改質反應器入口溫度控制320～330℃、壓力(10.0±0.5) MPa，氫油比控制560～610，空速控制0.80～0.95 h-1。在調整參數(shù)的過程中，對不適應新的操作條件的設施進行了更換，確保運行安全。

3.2.3 反應氫油比

裝置反應器入口處的循環(huán)氫(包括補充新氫)中的純氫與原料油在標準狀態(tài)下的體積比稱為氫油比。大量的氫氣通過反應器可以把反應的生成熱攜帶出來，起著保護催化劑的作用，保證反應器內溫度平衡，由于加氫過程中大量的氫氣與原料混合，使原料通過催化劑床層時，分布更均勻。提高氫油比，有利于加氫反應，因為氫氣與原料的分子比增加了，原料分子濃度增加，則有利于反應向生成物方向進行，既提高了產(chǎn)品質量，又減少了催化劑結焦，但是氫油比過大，原料與催化劑接觸時間縮短，反過來又不利于加氫反應，加氫深度下降，系統(tǒng)壓降也增加。控制反應器入口氫油比570，反應器出口氫油比960。周密控制進料流率、反應操作壓力、循環(huán)氫流率、循環(huán)氫純度、反應溫度(或催化劑平均溫度)、氫油比等幾個主要操作參數(shù)，使操作能滿足規(guī)定的產(chǎn)品收率和質量要求。在調整參數(shù)的過程中，對不適應新的操作條件的設施進行更換，確保運行安全。圖2為柴油加氫裝置流程示意圖。

圖2 柴油加氫裝置流程示意圖

3.2.4 汽提塔和分餾系統(tǒng)操作優(yōu)化

根據(jù)拉烏爾分壓定律，利用汽提塔底的汽提蒸汽將加氫生成油中的輕組分，如C4～C1，H2S等輕組分從塔頂分離。蒸餾是利用液體混合物中各組份沸點和蒸汽壓(即相對揮發(fā)度)的不同，在精餾塔內，輕組份不斷汽化上升而提濃，重組份不斷冷凝下降而提濃，相互間不斷進行傳熱傳質。在塔頂?shù)玫郊兌容^高的輕組份產(chǎn)物，在塔底得到純度較高的重組份產(chǎn)物。本技術采用6Σ方法，結合DMAIC的控制方案，不斷提高石腦油與精制柴油切割精度，使兩種組分在采用恩氏蒸餾方法分析時實現(xiàn)脫空。通過不斷研究與試驗，最終形成了分餾系統(tǒng)操作參數(shù)為：分餾系統(tǒng)汽提塔注汽量控制1.5～2.5 t/h，分餾塔塔頂溫度控制(145±10)℃，塔底溫度控制(255±15)℃。

3.2.5 連續(xù)重整裝置預加氫進料流程調整

預加氫部分主要操作參數(shù)為：反應器入口溫度280/320℃(初期/末期)，反應器入口壓力3.50 MPa(G)，預加氫氣液分離器壓力3.20 MPa(G)，反應空速(體) 4.0 h-1，氫油體積比≥100∶1。

汽提塔、石腦油分餾塔、預加氫部分各塔操作條件見表1。

表1 操作條件

通過研究連續(xù)重整裝置預加氫單元的流程，預加氫單元經(jīng)過反應器反應后，再進汽提塔。預加氫原料性質較為寬松，但精制產(chǎn)品性質較為嚴苛。因此，如果加氫石腦油不進預加氫，相應預加氫單元進料量減少，反應器內停留時間延長，因此需要增加氫油比，相應降低進料溫度和壓力，盡量保證產(chǎn)品性質達標的基礎上，降低產(chǎn)品能耗。

調整過程采用了DMAIC的優(yōu)化方法，對反應-汽提各流程均進行詳細分析，最終形成調整參數(shù)如下：

反應器入口溫度280～320℃、反應系統(tǒng)壓力(3.2±0.1)MPa、氫油比≥100 Nm3/m3，T-1101塔頂溫度(70±10)℃，塔底溫度(186±10)℃。

4 主要技術指標

技術實施后主要技術指標見表2。

表2 柴油加氫裝置石腦油直供重整工藝技術指標參數(shù)表

5 結論

柴油加氫裝置石腦油直供重整工藝已在筆者公司應用，裝置生產(chǎn)的0號國VI柴油產(chǎn)品獲得了客戶出具的產(chǎn)品使用報告，并且經(jīng)山東省產(chǎn)品質量檢驗研究院認可，具有一定的推廣應用價值。