杨国涛

(宁波中金石化有限公司 技术部,浙江 宁波 315200)

氢气在化工生产和石油炼制过程中是一种重要的、宝贵的清洁原料。现代炼厂需要开发各类低成本氢源,合理规划和利用氢气资源,使氢气资源的综合利用最优化。优化氢气系统平衡和产氢装置、耗氢装置合理运行,使得产品生产过程用氢成本最低,这是实现炼厂经济效益和社会效益的双丰收、提高炼厂综合竞争力的重要手段[1-2]。优化氢气资源利用是在满足炼厂产品结构和质量标准的情况下,优化氢气系统平衡,合理调整炼厂各系统流程,实现炼厂经济效益最大化[3]。

公司装置投产后,氢气系统平衡和燃料气系统平衡较设计值偏差较大,存在加氢装置氢气不足、燃料气系统富裕的情况。公司氢气系统主要有产氢装置、氢气管网和耗氢装置三部分组成。根据氢气来源点和使用点的不同,采用统一用氢的管理方式。具体又分为两条氢气管网:一条是压力等级为1.7 MPa,纯度为93.8%(体积分数)重整氢管网;另一条是压力等级为1.7 MPa,纯度为99.9%(体积分数)高纯氢管网。在总流程中,连续重整装置生产的重整氢是最大和成本最低的氢气来源。由于氢气无法大量储存,因此氢气管理难度较大,如果短时间内无法平衡利用氢气,只能把多余氢气排入燃料气或火炬管网烧掉。如果氢气不足,则只能降低耗氢装置负荷来平衡管网氢气。连续重整装置反应和再生系统正常运行对稳定性要求高,一般不做频繁调整。因此,为了保证氢气管网中的氢气不外排燃料气系统和火炬系统,明确氢气管网平衡运行由调整加氢改质装置生产负荷来控制。由于燃料气系统富裕,为了平衡公司燃料气系统导致生产合成气的焦气化装置开工率较低,即时焦气化装置开工,生产运行负荷也是很低。另外合成气作为燃料气存在热值低、合成气中氢资源浪费等问题。因为系统中氢气不足,加氢改质装置无法满负荷运行。存在根据公司氢气系统平衡情况,频繁调整加氢改质装置生产负荷。这存在很大的操作安全隐患,不利于加氢改质装置安全平稳生产,同时也不利于加氢改质装置上游装置的安全平稳生产。

近年来,针对以上情况公司在生产低成本氢气、富氢气体回收利用方面采取了一系列措施,取得了良好的效果。利用现有的合成气装置实施技术改造,增加变换、脱硫、脱碳、PSA提浓等单元来增产氢气,满足了公司耗氢装置对氢气的需求,实现了加氢装置的满负荷平稳生产。另外,还有富裕氢气可以供给周边化工企业使用,这有力地提高公司经济效益和市场竞争力。

1 合成气制氢前氢气系统

焦气化装置生产的合成气在改造为制氢产氢前,公司产氢装置为连续重整和PSA,具体产氢情况见表1。从表1可知连续重整产氢量为115 265 m3/h(1个标准大气压下),其中79 913 m3/h(1个标准大气压下)的重整氢进入PSA提浓,其余重整氢进耗氢装置石脑油加氢、硫磺回收、异构化、石脑油预加氢和歧化装置。另外从表1还可知,氢气系统管网的主要氢气来源为连续重整装置生产的重整氢。

表1 合成气制氢前产氢装置情况

公司耗氢装置为石脑油加氢,加氢改质,硫磺回收、石脑油预加氢,歧化,异构化装置,具体情况见表2。从表2可知,加氢改质装置是氢气系统管网中主要的耗氢装置,大部分氢气都被加氢改质装置消耗掉。从表2还可知,除了加氢改质装置消耗纯度为99.9%的高纯氢外,其余耗氢装置均消耗纯度为93.8%(体积分数)的重整氢。这主要是由于不同的加氢工艺对氢气纯度的要求不同。硫磺回收和石脑油加氢装置还可以使用更低纯度的氢气,也能满足工艺加氢反应的要求。

表2 合成气制氢前耗氢装置情况

耗氢装置产出的富氢气体具体情况见表3。加氢改质低分气和歧尾氢进PSA装置,充分回收利用氢气资源。石脑油加氢低分气排放量非常少,只有12 m3/h(1个标准大气压下),压力为0.8 MPa,基本没有回收利用价值,作为补充燃料进燃料气管网供加热炉使用。设计工况异构化装置的尾氢基本没有,而实际生产时异构化尾氢排放量为5 636 m3/h(1个标准大气压下),纯度为85%(体积分数),压力为0.8 MPa。异构化尾氢该股物料作为补充燃料进燃料气管网,这没有实现对异构化尾氢中氢气资源的充分回收利用,所以异构化尾氢还有优化利用的空间。

表3 合成气制氢前耗氢装置产富氢气体情况

加氢改质装置满负荷生产时设计耗氢量为138 981 m3/h(1个标准大气压下)。从表1和表2可知,连续重整和PSA产氢气量不能满足加氢改质装置满负荷生产所需求的氢气量。为了保证连续重整芳烃联合装置的满负荷生产,采取了通过调整加氢改质装置负荷来平衡氢气系统管网中的氢气量。由于产氢装置产氢的量不稳定,这种调节方法非常不利于加氢改质装置及其上游装置的安全平稳生产。频繁调整加氢改质装置负荷,导致该装置多次出现生产异常波动现象,甚至出现加裂反应器飞温现象。这对加裂反应催化剂造成不可逆的损害,影响加氢改质装置目标产品重石脑油收率和装置氢耗。这种频繁调整也不利于上游燃料油分离装置电脱盐和预分馏塔平稳运行,电脱盐和预分馏塔也多次出现生产异常波动。这种频繁调整也不利于渣油轻质化装置一炉两塔平稳运行,焦化炉结焦清焦周期变短,增加焦化炉切炉并炉操作风险。因此,这给公司各装置的安全平稳生产带来了一系列的问题。

2 合成气制氢后氢气系统

利用现有的合成气装置实施技术改造,增加变换、脱硫、脱碳、PSA提浓等单元来增产氢气。合成气制氢装置的生产负荷可以灵活调整,对氢气系统管网来说此调整方式反应时间段,调整效果较为明显。因此利用合成气制氢装置来调整氢气系统管网是一种十分有利且奏效的调整手段。设计合成气制氢产氢量为90 000 m3/h(1个标准大气压下),纯度99.9%(体积分数),操作弹性4 040%～105%气化装置生产的合成气在改造为制氢产氢后,产氢装置为连续重整、制氢和PSA,具体产氢情况见表4。连续重整产氢量为153 661 m3/h(1个标准大气压下),其中91 046 m3/h(1个标准大气压下)的重整氢进入PSA提浓,重整氢经PSA装置提浓后,纯度为99.9%(体积分数),供加氢改质装置使用。其余重整氢,纯度为93.8%(体积分数),进耗氢装置石脑油加氢、硫磺回收、异构化、石脑油预加氢和歧化装置。合成气制氢装置产氢量为40 851 m3/h(1个标准大气压下),纯度为99.9%(体积分数),和PSA氢气一起供加氢改质装置。从表5可知,加氢改质装置消耗纯度为99.9%(体积分数)的氢气量为152 834 m3/h(1个标准大气压下),比设计所需耗氢量值138 981 m3/h(1个标准大气压下)高,才能满足加氢改质装置满负荷生产。加氢改质装置消耗氢气量比设计值高,主要是由于加氢改质反应催化剂的活性逐渐降低引起的。从前面分析可知,合成气制氢装置生产负荷为45.4%,已能满足公司内部各装置满负荷生产,实现氢气系统平衡。焦气化装置生产的合成气在改造为制氢产氢后,可以通过调整合成气制氢产氢量来实现主装置满负荷平稳生产,避免了原来根据氢气系统来频繁调整加氢改质装置生产负荷的不利情况。氢气系统优化为公司的安稳长满优生产奠定了坚实的基础。另外,合成气制氢富裕的负荷所生产的氢气可以供园区其他用氢企业,这有力地提高了公司的经济效益和市场竞争力。

表4 合成气制氢后产氢装置情况

表5 合成气制氢后耗氢装置情况

从表4和表5可知,合成气改造为制氢装置后不仅能满足加氢改质装置满负荷生产用氢需求,而且还能稳定加氢改质装置安全生产,不再需要对加氢改质装置生产负荷做频繁的调整去平衡氢气管网中的氢气,这从根本上解决了氢气不足的问题。在纯度为99.9%(体积分数)高纯氢充足的情况下,还有两点可以进一步优化:(1)表5中耗氢装置氢气来源为93.8%(体积分数)重整氢的改为高纯氢,这有利于耗氢装置加氢反应,延长加氢反应催化剂的使用寿命,提高产品质量,减少动力消耗等。重整氢全部进PSA产高纯氢,PSA尾气进燃料气管网,这避免了重整氢中的C1、C2和C3等组分在耗氢装置压缩循环再排放至燃料气管网。(2)表6中异构化尾氢纯度达到85%(体积分数)左右,异构化尾氢排放量为2 704 m3/h(1个标准大气压下),压力为0.8 MPa,该股富氢气体可以进合成气制氢装置,充分回收利用其中的氢资源,避免直接进燃料气管网烧掉造成氢资源的浪费。

表6 合成气制氢后耗氢装置产富氢气体情况

3 优化氢气系统的措施

3.1 连续重整装置高负荷运行

连续重整装置以石脑油为原料,主要反应是环烷烃脱氢生成芳烃,最大限度生产富含芳烃的汽油馏分,同时副产重整氢,液化石油气、戊烷、C6馏分油、含硫燃料气和酸性水等。连续重整装置在生产高附加值芳烃的同时,大量副产纯度93.8%(体积分数)的重整氢气,重整氢气通过加工成本较低的PSA工序即可得到纯度99.9%(体积分数)的PSA氢气。由于氢气是连续重整装置的副产品,因此连续重整装置是炼厂中最经济的产氢装置,另外连续重整装置生产的氢气是公司氢气系统管网的主要来源。因此提高连续重整装置生产运行负荷,是获取氢资源最廉价的和最重要的手段。

3.2 回收炼厂富氢气体

随着炼厂耗氢装置耗氢量越来越多,因此应尽量回收富氢气体,从而降低用氢成本,提高经济效益。利用PSA变压吸附和膜分离技术,充分回收利用炼厂富氢气体,达到尽量减少消耗新鲜氢气的目的。目前公司的富氢气体主要有加氢改质装置低分气、歧化尾氢、异构化尾氢、石脑油加氢低分气及PSA尾氢。回收炼厂富氢气体通常采用的技术有PSA变压吸附、膜分离和深冷分离等,这些技术各有特点,成熟且有竞争力[4]。加裂低分气、歧化尾氢和异构化尾氢具有很好的氢气回收利用价值。根据氢气纯度和压力等级,加裂低分气和歧化尾氢进PSA装置;异构化尾氢进合成气制氢装置。这充分回收了富氢气体,实现了氢气资源的利用,避免了富氢气体直排燃料气系统和火炬系统,造成氢资源浪费。

3.3 按氢气纯度和压力分级利用

硫磺回收装置和石脑油加氢装置对新氢纯度要求较低,可以通过实施高低纯度氢气分级利用,这可实现氢气资源物尽其用。按照氢气纯度和压力分级利用氢资源,既保证了装置安稳长生产,又避免生产成本无谓增加[5]。大炼厂一般建设有高压和低压氢气管网系统,加氢装置多。这对拥有不同压力等级氢气管网的大炼厂,具有十分重要的意义。

3.4 精细化管理

炼厂建设前期氢气系统平衡的设计优化,从制氢装置原料的选取,富氢气体的回收,废氢气体的排放,氢气提浓装置的选择等方面做好全厂氢气系统平衡的设计优化。这对炼厂各装置的稳定运行和氢气系统管网的平衡调整具有决定性的意义。炼厂氢气系统管网平衡的优化调整,应基于催化剂寿命的生产计划优化,应基于生产调度周期的氢气平衡优化,应基于废氢气体排放的回收优化[3]。因此利用PI系统建立全厂的氢气实时数据监控,对氢气系统管网产氢装置的产氢压力、流量和耗氢装置的耗氢压力、流量进行实时监控。同时结合实际生产运行情况,给氢气管网监控系统设置合理的报警值,一旦出现异常状况能够及时处理。这种对氢气系统管网的精细化管理,能够最大程度减少氢气外排至燃料气管网或火炬系统。

4 结论

以上分析表明,炼化企业氢气系统的优化利用和管理是一项复杂的系统工程。在连续重整装置和加氢改质装置满负荷生产的基础上,在满足氢气平衡需要的原则下,优化氢气系统才具有意义。选择并提高低成本氢源,回收利用炼厂富氢气体中的氢气,强化氢气系统管网实时监控管理是石油化工企业降低生产成本、提高综合经济效益和提高市场竞争力的重要手段。利用膜分离和PSA变压吸附技术充分回收炼厂富氢气体中的氢气,根据氢气压力和纯度优化分级利用氢气资源,强化用氢监控管理等手段,已经成为炼厂效益持续增长的强有力方法。