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        煤柴油加氫聯(lián)合裝置擴(kuò)能升級(jí)瓶頸問(wèn)題探討

        2018-06-07 04:33:38張漢民
        山東化工 2018年10期
        關(guān)鍵詞:催化劑

        張漢民

        (中國(guó)石化青島煉油化工有限責(zé)任公司,山東 青島 266500)

        某煉廠煤油加氫裝置原設(shè)計(jì)規(guī)模60萬(wàn)t/a,年操作時(shí)間8400h。2015年大檢修進(jìn)行擴(kuò)能改造,通過(guò)增加一臺(tái)反應(yīng)器,將空速由5.0 h-1降至2.5 h-1,以及換熱器擴(kuò)容、增加機(jī)泵等一系列措施,裝置規(guī)模提至100萬(wàn)t/a,最大處理量可達(dá)120萬(wàn)t/a。

        柴油加氫裝置原設(shè)計(jì)規(guī)模410萬(wàn)t/a,年操作時(shí)間8400h,以直餾柴油、焦化汽柴油、催化柴油為原料。2015年進(jìn)行國(guó)Ⅴ柴油質(zhì)量升級(jí)改造,通過(guò)新增一臺(tái)反應(yīng)器、催化劑空速由2.5h-1降至1.0-1,可生產(chǎn)硫含量低于10μg/g的國(guó)Ⅴ柴油。采用撫順石油化工研究院開發(fā)的FHUDS-5、FHUDS-6、FHUDS-8系列柴油加氫精制催化劑。

        煤油加氫與柴油加氫設(shè)計(jì)為聯(lián)合裝置,兩套裝置共用一套公用工程系統(tǒng)、余熱回收系統(tǒng)。煤油加氫裝置氫氣為一次通過(guò)方案,不設(shè)置循環(huán)氫系統(tǒng),所需氫氣由柴油加氫新氫壓縮機(jī)一級(jí)出口提供,反應(yīng)后的煤油加氫低分氣返回氫氣管網(wǎng)。此外,煤油加氫汽提塔底重沸器熱量由柴油加氫裝置精制柴油供應(yīng)。

        在航煤需求不斷增長(zhǎng)、汽柴油需求降低的市場(chǎng)環(huán)境下,煤油加氫裝置需進(jìn)一步擴(kuò)能改造至150萬(wàn)t/a;全面生產(chǎn)國(guó)Ⅴ柴油苛刻條件下,柴油加氫裝置需要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行至少2年的目標(biāo)。根據(jù)以上兩個(gè)要求,結(jié)合裝置當(dāng)前運(yùn)行情況,分析煤柴油加氫聯(lián)合裝置的擴(kuò)能升級(jí)瓶頸問(wèn)題,并針對(duì)問(wèn)題的解決策略進(jìn)行了探討。

        1 擴(kuò)能升級(jí)瓶頸問(wèn)題

        1.1 煤油加氫

        1.1.1 精制航煤總硫超標(biāo)

        煤油加氫裝置航煤產(chǎn)品執(zhí)行3#噴氣燃料標(biāo)準(zhǔn),下表給出了GB6537-94質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及120t/h工況下的航煤產(chǎn)品性質(zhì)。

        表1 精制航煤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及目前性質(zhì)

        由表1可見,在裝置進(jìn)料120t/h、折合100萬(wàn)t/a負(fù)荷下,精制航煤總硫0.195%,接近質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)上限。如果進(jìn)一步提高加工能力,精制航煤總硫?qū)㈦y以滿足質(zhì)量要求。

        2.1.2 反應(yīng)產(chǎn)物空冷能力不足

        在當(dāng)前負(fù)荷150t/h工況下,夏季煤油加氫反應(yīng)產(chǎn)物空冷出口溫度已高于60℃。如果進(jìn)一步擴(kuò)能,則反應(yīng)產(chǎn)物冷卻能力不足問(wèn)題將更加突出。按擴(kuò)能至150萬(wàn)t/a、空冷冷后溫度降至40℃計(jì),核算反應(yīng)產(chǎn)物空冷所需負(fù)荷,具體數(shù)據(jù)見表2。

        表2 煤油加氫反應(yīng)產(chǎn)物空冷負(fù)荷核算數(shù)據(jù)

        該空冷目前共4臺(tái),設(shè)計(jì)冷卻能力為:進(jìn)料72t/h,自170℃降至40℃,折合負(fù)荷5900kW。空冷出口溫度過(guò)高,存在兩個(gè)問(wèn)題:(1)溶解氫問(wèn)題。氫氣在油中的溶解度隨溫度升高而升高,空冷冷后溫度升高,將造成低分油中的氫含量增加,進(jìn)入汽提塔后自塔頂干氣排出,最終進(jìn)入燃料氣管網(wǎng),造成氫氣流失;(2)對(duì)PSA系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊。煤油加氫低分氣去向?yàn)榧託涮幚硌b置PSA系統(tǒng)。過(guò)高的冷后溫度,必然造成煤油加氫低分氣攜帶重?zé)N,進(jìn)而污染PSA系統(tǒng)的分子篩吸附劑。

        2.2 柴油加氫

        2.2.1 新氫壓縮機(jī)供氫能力不足

        目前,柴油加氫裝置新氫壓縮機(jī)供氫能力不足,造成裝置加工能力難以滿足全廠生產(chǎn)平衡要求。

        根據(jù)目前公司柴油產(chǎn)品配置計(jì)劃,結(jié)合各種牌號(hào)柴油的十六烷指數(shù)(值)要求,以及焦化汽柴油需實(shí)時(shí)加工的生產(chǎn)實(shí)際,在加氫裂化加工15t/h催化柴油的前提下,統(tǒng)籌得出柴油加氫裝置月度原料分配表,見表3。

        表3 柴油加氫裝置月度原料分配表

        對(duì)柴油加氫裝置按以上原料配比條件下、裝置氫氣消耗進(jìn)行計(jì)算,詳見下表。

        表4 柴油加氫裝置氫耗數(shù)據(jù)

        表4的數(shù)據(jù)表明:生產(chǎn)出口柴油期間,按該加工量、該原料配比,裝置總氫耗達(dá)到66516 m3/h,裝置目前最大供氫能力61000m3/h(包含蠟油加氫裝置供氫9000 m3/h),供氫能力缺口5516 m3/h。

        2.2.2 催化劑失活較快

        2017年3月份,柴油加氫裝置檢修換劑投產(chǎn)后,催化劑失活速度相對(duì)較快。在投產(chǎn)前3個(gè)月期間,一反催化劑失活速度達(dá)到2.69℃/月,二反催化劑失活速度達(dá)到2.03℃/月??紤]初期快速失活因素、以及國(guó)Ⅳ、國(guó)Ⅴ頻繁切換,此處統(tǒng)計(jì)投產(chǎn)4個(gè)月后、2017年8月1日至今、穩(wěn)定生產(chǎn)國(guó)Ⅴ柴油的催化劑失活數(shù)據(jù),見圖1。

        圖1 柴油加氫催化劑失活曲線(2017.8~2018.1)

        由圖1可見,經(jīng)歷初期快速失活階段后、在穩(wěn)定生產(chǎn)國(guó)V柴油、平均進(jìn)料390t/h工況下,一反催化劑失活速度為1.67℃/月,二反催化劑失活速度為1.33℃/月,平均失活速度為1.50℃/月。

        柴油加氫裝置一反平均溫度設(shè)計(jì)末期370℃,二反平均溫度設(shè)計(jì)末期390℃。以目前的催化劑工作溫度及失活速度推算,一反催化劑運(yùn)行周期為21個(gè)月;二反催化劑運(yùn)行周期為23個(gè)月。

        對(duì)于柴油加氫催化劑失活較快原因進(jìn)行分析,主要因素有3個(gè):(1)催化柴油比例較高,平均占比達(dá)17.9%。催化柴油中的多環(huán)芳烴縮合,造成催化劑結(jié)焦;(2)焦化汽柴油比例高,平均占比達(dá)28.9%。焦化汽柴油中含硅,造成催化劑硅中毒;(3)原料氮含量高,平均氮含量達(dá)300mg/kg,原料中的氮對(duì)脫硫反應(yīng)有抑制作用,并且會(huì)造成催化劑氮中毒。

        3 解決策略探討

        3.1 煤油加氫

        3.1.1 精制航煤總硫問(wèn)題

        對(duì)于精制航煤總硫問(wèn)題,參考相關(guān)文獻(xiàn),認(rèn)為有以下兩種解決思路:

        (1)改用新型催化劑。根據(jù)文獻(xiàn)[1]報(bào)道,采用FF-46催化劑,在反應(yīng)壓力2.5MPa、反應(yīng)器入口275℃條件下,對(duì)硫含量0.24%的航煤原料進(jìn)行加氫精制,可得到產(chǎn)品總硫90mg/kg的航煤產(chǎn)品。但是,該文獻(xiàn)沒有給出產(chǎn)品航煤的硫醇硫數(shù)值及顏色數(shù)據(jù)。因此,有待進(jìn)一步試驗(yàn)、論證。

        (2)對(duì)裝置設(shè)備進(jìn)行改造,提高設(shè)備溫度等級(jí)。石科院的研究表明[2],采用RSS-2催化劑(目前在用),在氫分壓1.6MPa、一反溫度360℃、二反溫度260℃條件下,對(duì)硫含量0.21%的航煤原料進(jìn)行加氫精制,可得到產(chǎn)品總硫3mg/kg的合格航煤產(chǎn)品。

        煤油加氫裝置一反設(shè)計(jì)溫度302℃、二反設(shè)計(jì)溫度340℃,設(shè)計(jì)溫度相對(duì)偏低。如果考慮方案2,需要更換兩臺(tái)反應(yīng)器,投資較大。此外,需注意反應(yīng)程度不能過(guò)深,國(guó)內(nèi)同類裝置工業(yè)數(shù)據(jù)表明:在7.0MPa壓力下,煤油加氫裝置需降溫操作,原因在于硫是天然抗氧劑,脫硫過(guò)于徹底會(huì)造成抗氧性變差、顏色變深等問(wèn)題。綜上,建議考慮方案1,采取加氫脫硫催化劑與脫硫醇催化劑組合方式,在現(xiàn)有設(shè)計(jì)壓力等級(jí)下滿足脫硫要求。

        3.1.2 反應(yīng)產(chǎn)物空冷能力不足

        對(duì)于煤油加氫反應(yīng)產(chǎn)物空冷冷卻能力不足問(wèn)題,解決思路為:

        (1)對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物換熱器E101擴(kuò)容。在150t/h進(jìn)料、換熱器存在結(jié)垢情況下,目前,空冷入口溫度為150℃。如果對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物換熱器E101擴(kuò)容,將空冷入口溫度冷卻至120℃,換熱器平均換熱效率按300W/m2·K計(jì),則需換熱面積2843m2。目前A/B/C三臺(tái)總換熱面積為1806m2,需將E101D面積擴(kuò)容至1037m2。表5給出了換熱面積核算結(jié)果。

        表5 煤油加氫E101換熱面積核算結(jié)果

        由表5可見,將冷后溫度降至120℃比較合理。如果追求110℃,則換熱面積增幅近1倍,從經(jīng)濟(jì)性來(lái)講是不合理的。根據(jù)空冷負(fù)荷計(jì)算結(jié)果,如果將空冷入口溫度降120℃,所需空冷負(fù)荷為8621kW?,F(xiàn)有空冷能力為5900kW,尚有2721kW的缺口。

        (2)由于空冷能力仍有缺口,建議在空冷前增加一臺(tái)除鹽水換熱器。

        3.2 柴油加氫

        3.2.1 新氫壓縮機(jī)供氫能力不足

        目前,柴油加氫裝置新氫壓縮機(jī)在100%負(fù)荷下,一級(jí)出口供應(yīng)煤油加氫新氫8000m3/h,出口供應(yīng)柴油加氫氫氣量52000 m3/h。為提高柴油加氫裝置供氫量,考慮煤油加氫裝置新增一臺(tái)循環(huán)氫壓縮機(jī),從而將柴油加氫供應(yīng)煤油加氫氫氣量降至反應(yīng)需要的3000 m3/h,提高新氫壓縮機(jī)供應(yīng)柴油加氫裝置氫氣量。

        煤油加氫裝置低分氣目前去向?yàn)榧託涮幚硌b置PSA系統(tǒng),占用PSA處置能力5000 m3/h。按此方案,加氫處理裝置PSA系統(tǒng)負(fù)荷過(guò)高問(wèn)題可得到有效解決。但是,煤油加氫裝置能耗將有所增加。

        3.2.2 催化劑失活較快

        國(guó)Ⅴ柴油質(zhì)量升級(jí)后,催化劑失活較快、運(yùn)行周期縮短是一個(gè)普遍性問(wèn)題。從生產(chǎn)實(shí)際出發(fā),追求4年的長(zhǎng)周期目標(biāo)已不現(xiàn)實(shí)。結(jié)合當(dāng)前公司4年一修的運(yùn)行要求,保證柴油加氫裝置穩(wěn)定運(yùn)行2年是比較理想的水平。為確保這一目標(biāo),需要從原料、工藝、催化劑三個(gè)方面著手。

        (1)原料方面,建議適當(dāng)降低催化柴油加工比例、控制催化柴油干點(diǎn)不高于350℃,撫順石油化工研究院的研究表明:催化柴油中>350℃餾分的三環(huán)芳烴含量達(dá)50%;控制常三線干點(diǎn)不高于370℃,研究發(fā)現(xiàn):直餾柴油干點(diǎn)由370℃提至380℃,柴油加氫反應(yīng)溫度需提高3~5℃;硅會(huì)導(dǎo)致加氫催化劑通道堵塞,金屬組分活性降低[3],建議控制焦化汽柴油中的硅含量不高于1mg/kg;氮會(huì)抑制脫硫反應(yīng),建議控制總氮小于200 mg/kg。

        (2)較高的氫分壓、充足的氫油比,有利于延緩催化劑失活速度。目前,柴油加氫裝置循環(huán)氫純度在80%左右,需提高新氫純度、提高排廢氫量,進(jìn)而提高氫分壓;同時(shí),在循環(huán)氫壓縮機(jī)能力范圍內(nèi),盡可能提高氫油比至300的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

        (3)催化劑級(jí)配方面,需要催化劑供應(yīng)商結(jié)合柴油加氫裝置原料組成,進(jìn)一步優(yōu)化催化劑級(jí)配方案,選用芳烴脫硫性能更佳、耐硅能力更強(qiáng)的催化劑。

        4 結(jié)語(yǔ)

        根據(jù)以上探討,結(jié)論如下:

        (1)對(duì)于精制航煤總硫超標(biāo)問(wèn)題,建議選用加氫脫硫催化劑與脫硫醇催化劑組合方式,在現(xiàn)有設(shè)計(jì)壓力等級(jí)下滿足脫硫要求。

        (2)對(duì)于煤油加氫空冷冷卻能力不足問(wèn)題,建議對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物換熱器擴(kuò)容至2843m2,將空冷入口溫度降至120℃、增加除鹽水換熱器;或者考慮將反應(yīng)產(chǎn)物換熱器更換為纏繞管換熱器。

        (3)對(duì)于柴油加氫裝置供氫能力不足問(wèn)題,建議煤油加氫裝置增加一臺(tái)循環(huán)氫壓縮機(jī),從而將柴油加氫供煤油加氫氫氣量由8000 m3/h降至3000 m3/h,提高柴油加氫裝置氫氣供應(yīng)量。

        (4)對(duì)于柴油加氫裝置催化劑長(zhǎng)周期問(wèn)題,建議從原料、工藝、催化劑三方面著手,優(yōu)化裝置原料、工藝參數(shù),調(diào)整催化劑級(jí)配方案,實(shí)現(xiàn)2年的長(zhǎng)周期運(yùn)行目標(biāo)。

        [1] 焦 峰.FF-46再生催化劑在航煤加氫裝置中的應(yīng)用[J].當(dāng)代化工,2016,45(5):1032-1035.

        [2] 張 銳,習(xí)遠(yuǎn)兵.直餾煤油低壓加氫精制生產(chǎn)3#噴氣燃料技術(shù)開發(fā)[C].RIPP加氫技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用新進(jìn)展會(huì)議論文集,2018:49-54.

        [3] 徐大海,孫 皓,徐勁瑤,等.含硅化合物在焦化汽柴油加氫催化劑上的沉積[J].石油煉制與化工,2015,46(11),62-64.

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