一種 提高制加氫過程氫利用率的新工藝
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作者；張毅
石油煉制原料的重質(zhì)化、劣質(zhì)化與低硫、超低硫清潔燃料標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施的矛盾，極大促進(jìn)了加氫工藝在重質(zhì)原料清潔化加工中的應(yīng)用，持續(xù)、穩(wěn)定的氫氣供應(yīng)成為企業(yè)提高處理量和改善油品質(zhì)量的關(guān)鍵。隨企業(yè)發(fā)展的需求，某煉油廠催化重整副產(chǎn)氫氣已難以滿足汽、柴油加氫需要，受制氫原料干氣的限制，2萬m3／h催化干氣制氫裝置產(chǎn)氫量僅為11 000 m3／h（體積分?jǐn)?shù)99. 91%），僅為設(shè)計(jì)值的55%，影響清潔油品質(zhì)量、數(shù)量的持續(xù)提高。在制氫原料干氣供應(yīng)受限的基礎(chǔ)上，對(duì)制加氫過程，新氫、循環(huán)氫及馳放氣使用等涉氫系統(tǒng)進(jìn)行分析，剖析了氫轉(zhuǎn)化利用系統(tǒng)存在的缺陷，耦合不同氫流，分析、綜合、確定了相應(yīng)的技術(shù)方案，通過增加制氫原料供應(yīng)，提高氫氣利用率，有效緩解了氫氣供應(yīng)不足的矛盾。
1 煉廠干氣使用現(xiàn)狀
該廠現(xiàn)有常壓蒸餾裝置2套，催化裂化裝置2套，常壓I、催化I所產(chǎn)2.8 +X t/h干氣，常壓Ⅱ、催化Ⅱ所產(chǎn)5.7 t/h干氣，通過氣柜收集不凝氣1t/h，除供常壓I、Ⅱ加熱爐使用X+O.9、1.3 t/h,催化重整、制氫、汽油加氫、柴油加氫加熱爐0. 97、1.7、0. 38、0.4t/h，污水汽提、中壓鍋爐使用0.03、0.3~2.6 t/h外，其余富余干氣0.92~3.52 t/h通過管網(wǎng)送至制氫單元，為提高制氫原料干氣的供應(yīng)，中壓鍋爐干氣消耗已降至最低0.3 t/h，不足部分用重油代替。
催化重整、制氫單元所產(chǎn)5 000 m3/h、1.1萬ffl3/1_1氫氣供汽、柴油加氫使用，氫耗分別為0. 46 %、1. 2%。汽油加氫裝置可將催化汽油100 %加氫精制來滿足國V質(zhì)量要求清潔汽油的生產(chǎn)要求。受氫氣供應(yīng)不足的限制，柴油加氫裝置僅能將85%的直餾、催化柴油加氫精制來滿足國Ⅳ質(zhì)量要求的柴油，柴油的質(zhì)量難以持續(xù)提高。氫氣的有效供應(yīng)成為制約企業(yè)提高優(yōu)質(zhì)柴油產(chǎn)量的瓶頸。表1、圖1表示了該企業(yè)的生產(chǎn)概況及涉氫現(xiàn)狀。
2 制加氫過程分析
通過對(duì)燃料氣一氫氣利用現(xiàn)狀分析發(fā)現(xiàn)，煉廠一方面將燃料干氣、柴油加氫馳放氣送人制氫單元，以消耗資源、氫源為代價(jià)生產(chǎn)高濃度氫，另一方面又將0.5 t/h、氫體積分?jǐn)?shù)68. 5%~74. 0%的S-Zorb汽油精制馳放氣作為加熱爐燃料降級(jí)使用。高濃度氫源作燃料，低濃度氫源作制氫原料，裝置能耗高，氫資源利用不合理，加劇了氫氣供應(yīng)不足的矛盾。
受制氫原料供應(yīng)限制，2萬m3/h制氫負(fù)荷僅為設(shè)計(jì)值的55%，其配套的PSA裝置運(yùn)行負(fù)荷較低，部分氣體提濃能力閑置。采用氫體積分?jǐn)?shù)82.5%~89. 5%的催化重整氫氣作S-Zorb汽油精制新鮮氫，在相同操作壓力下，氫分壓低，氫耗較大。利用PSA對(duì)含氫氣體進(jìn)行提濃不僅可發(fā)揮現(xiàn)有裝置的潛力，增產(chǎn)高濃度氫，且可降低制、加氫單元的能耗、氫耗。汽油、柴油馳放氣和重整氫(體積分?jǐn)?shù)82. 5%~89.5%)具有較好的提純利用潛力，對(duì)其進(jìn)行提濃可實(shí)現(xiàn)提高氫氣利用率，緩解氫氣供求矛盾。
3優(yōu)化方案
制加氫過程分析表明氫氣系統(tǒng)存在問題：①受制氫原料限制，制氫、PSA裝置負(fù)荷低，偏離設(shè)計(jì)值較遠(yuǎn)，未充分發(fā)揮轉(zhuǎn)化、提濃的功能；②汽油加氫馳放氣用作燃料造成氫資源的浪費(fèi)。針對(duì)上述問題，借助如下方案可合理利用含氫氣體，緩解制氫原料限制。
方案1：重整氫、柴油加氫馳放氣和汽油加氫馳放氣均送入PSA進(jìn)行提純。
方案2：柴油、汽油加氫馳放氣全送至制氫裝置，重整氫送入PSA進(jìn)行提濃。
通過表2制氫工藝氣體實(shí)際組成和轉(zhuǎn)化、變換反應(yīng)特性可得轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化率為81%，轉(zhuǎn)化反應(yīng)中48%按照生成C02的方式進(jìn)行，中變反應(yīng)器中CO轉(zhuǎn)化率為77%，中變氣在PSA中H2回收率為88. 9%等制氫、提濃單元反應(yīng)特征。
以此反應(yīng)特征為基礎(chǔ)，對(duì)不同改造方案進(jìn)行物料平衡、能量平衡計(jì)算。通過對(duì)比分析，確定最佳的優(yōu)化方案，緩解氫氣供應(yīng)不足的不足。圖2、圖3分別為不同改造方案的燃料氣一氫氣利用示意圖。
3.1方案1
1 667 m3／h柴油加氫馳放氣、1 007 m3／h汽油馳放氣、5 000 m3／h重整氫與中變氣直接進(jìn)入PSA裝置，氫產(chǎn)量、解吸氣量相應(yīng)增加，解吸氣中低碳烴含量有所增加，解吸氣熱值提升。解吸氣增加的熱量可替代轉(zhuǎn)化爐用燃料干氣，制氫原料增加。
制氫原料中低氫含量催化干氣比例增加，轉(zhuǎn)化爐熱負(fù)荷增加，同時(shí)汽油加氫馳放氣另用，汽油加氫加熱爐需要補(bǔ)充燃料。由解吸氣熱值和產(chǎn)量增加引起解吸氣燃燒熱增加的量遠(yuǎn)大于制氫轉(zhuǎn)化爐由于負(fù)荷增加引起的熱負(fù)荷增加，轉(zhuǎn)化爐可全部使用解吸氣，富余的解吸氣還可補(bǔ)充汽油加氫加熱爐所缺部分熱量，汽油加氫加熱爐仍需消耗干氣0.48 t/h。
3.2方案2
1 667 m3/h柴油加氫馳放氣、1 007 m3/h汽油加氫馳放氣全作制氫原料，馳放氣的加入提高了制氫原料氫含量，受轉(zhuǎn)化、析炭與消炭等反應(yīng)特性影響，轉(zhuǎn)化氣、中變氣中氫濃度提高。制氫原料的增加導(dǎo)致轉(zhuǎn)化氣、中變氣流量增加。5 000 m3／h重整氫氣送入PSA進(jìn)行提純。PSA進(jìn)料量與解吸氣、氫氣產(chǎn)量均提高。
解吸氣作為燃料可替代轉(zhuǎn)化爐部分干氣消耗，解吸氣中低碳烴的增加提高了解吸氣的熱值，進(jìn)一步緩解轉(zhuǎn)化爐熱負(fù)荷對(duì)燃料干氣的需求，轉(zhuǎn)化爐干氣用量僅為0. 65 t/h。汽油加氫馳放氣的高價(jià)值利用，引起汽油加氫加熱爐燃料不足，需再補(bǔ)充0.77 t/h干氣。
3.3方案比較
不同方案下制氫原料量及組成變化、產(chǎn)品物流情況見表3、表4。不同氫流利用方案中物流消耗如表5。
方案1和方案2均可多生產(chǎn)體積分?jǐn)?shù)99. 91%的氫，緩解了氫供應(yīng)不足的矛盾，實(shí)現(xiàn)汽、柴油加氫裝置處理量、質(zhì)量的持續(xù)改善。方案1需改動(dòng)汽油、柴油加氫馳放氣和催化重整氫3條管線，氫氣產(chǎn)量提高14. 8%，而方案2只需改動(dòng)汽油加氫馳放氣和催化重整氫2條管線，工程量少，氫氣產(chǎn)量提高16. 6%，同時(shí)充分利用了加氫馳放氣中的氫氣、小分子烴類，提高了氫資源的利用率，制氫物耗較方案1低10.7%，僅為0.551 m3/m3，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗增效的目的。
PSA裝置操作彈性較大，可適應(yīng)30%~120%的處理量，但低的負(fù)荷導(dǎo)致操作能耗較大，通過增加更多的中變氣、重整氫進(jìn)入PSA，提高負(fù)荷可降低操作能耗。同時(shí)制氫原料的優(yōu)化、重整氫的引入增加了PSA進(jìn)料H2濃度，有助于提高PSA裝置的氫回收率，實(shí)際氫產(chǎn)量大于上述計(jì)算值。
新氫體積分?jǐn)?shù)越高，越有利于加氫反應(yīng)的進(jìn)行和氫耗的降低。但過高的氫濃度要求導(dǎo)致PSA提純過程H：回收率降低，氫氣利用率下降。企業(yè)采用體積分?jǐn)?shù)大于99. 91%為PSA產(chǎn)品氫控制指標(biāo)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于汽、柴油加氫裝置對(duì)氫氣的質(zhì)量要求，在考慮循環(huán)氫、氫分壓的基礎(chǔ)上可適當(dāng)調(diào)整新鮮氫體積分?jǐn)?shù)，以提高氫氣的利用率。
4方案實(shí)施
以方案2為基礎(chǔ)的提高氫資源有效利用的技術(shù)改造方案已通過技術(shù)論證，以此方案指導(dǎo)的工業(yè)試驗(yàn)顯示出良好的應(yīng)用效果，工藝改造實(shí)施中。
5 結(jié)語
通過系統(tǒng)分析煉廠制用氫過程，針對(duì)富氫資源作燃料造成浪費(fèi)和制氫PSA未充分利用等問題，制定了相應(yīng)的優(yōu)化方案，計(jì)算分析結(jié)果表明，加氫馳放氣全作為制氫原料、重整氫送人PSA裝置的改造方案的工程量小、經(jīng)濟(jì)性好，氫氣產(chǎn)量可增加16.6 %，緩解了氫供應(yīng)不足的矛盾，促進(jìn)了汽、柴油質(zhì)量的持續(xù)改善。制氫物耗降低18. 1%，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗增效的目的。
6摘要：針對(duì)企業(yè)氫供應(yīng)不足的現(xiàn)狀，以物料平衡、熱量平衡、制加氫反應(yīng)特性分析為工具，分析了制氫原料供需，制加氫過程，新氫、循環(huán)氫及馳放氣使用等涉氫環(huán)節(jié)，指出氫流降級(jí)利用.PSA產(chǎn)能未充分利用是影響氫氣供求矛盾的關(guān)鍵。耦合分析不同氫流利用方案表明，補(bǔ)充S -Zorb汽油精制馳放氣作制氫原料，催化重整產(chǎn)氫進(jìn)入PSA，多產(chǎn)解吸氣作轉(zhuǎn)化爐燃料，可增加0. 28 t/h干氣作制氫原料，氫源由5 000 m3重整氫（體積分?jǐn)?shù)82. 5%~ 89. 5%）和11 000 1T13／h高濃度氫（體積分?jǐn)?shù)99. 91%）提高至18 073 m3/h高濃度氫（體積分?jǐn)?shù)99. 91%），氫產(chǎn)量增加16.6%，緩解了氫氣供應(yīng)不足的矛盾。制氫物耗降低18.1%，促進(jìn)汽、柴油質(zhì)量持續(xù)改善。
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