王 婷

(中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

催化重整是石油煉制主要加工過程之一,是使石腦油轉(zhuǎn)變成富含芳烴的重整生成油,并副產(chǎn)氫氣的過程,是煉油廠芳烴以及廉價(jià)氫氣的重要來源[1-2]。21世紀(jì)連續(xù)重整在國內(nèi)迅猛發(fā)展,截至2021年我國有110余套連續(xù)重整裝置,年加工能力達(dá)140 Mt。到2020年,我國連續(xù)重整裝置加工能力超過80%采用引進(jìn)技術(shù),對(duì)國外技術(shù)依賴度高,其中規(guī)模2.0 Mt/a以上的全部采用國外專利技術(shù)。催化重整能耗高,占煉油廠總能耗的15%～30%。開發(fā)低碳高效逆流連續(xù)重整成套技術(shù)是“加快建設(shè)科技強(qiáng)國,實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)”的迫切要求。

1998年中國石化工程建設(shè)有限公司(簡稱SEI)前身中國石化北京設(shè)計(jì)院提出“逆流”連續(xù)重整新理念,與中石化石油化工科學(xué)研究院有限公司、清華大學(xué)、中國石油大學(xué)等多家單位聯(lián)合攻關(guān),歷經(jīng)二十余年,形成逆流連續(xù)重整成套技術(shù)[3]。連續(xù)重整反應(yīng)物料從第一反應(yīng)器(簡稱一反)流向第四反應(yīng)器(簡稱四反),反應(yīng)難度逐漸增加;采用傳統(tǒng)技術(shù)再生后新鮮催化劑由四反流向一反,積炭量從四反到一反逐漸增加,活性則逐漸下降。該技術(shù)發(fā)明了催化劑與反應(yīng)物料在反應(yīng)器間逆向流動(dòng)新工藝,這種催化劑的循環(huán)使得較難進(jìn)行的反應(yīng)利用較高活性的催化劑,容易進(jìn)行的反應(yīng)利用相對(duì)低活性的催化劑,從而解決了催化劑活性狀態(tài)與反應(yīng)難易程度不相匹配的問題。

2013年,世界上首套采用中國石油化工集團(tuán)有限公司開發(fā)的逆流連續(xù)重整工藝裝置成功投產(chǎn)。裝置安全平穩(wěn)運(yùn)行至今,反應(yīng)高效,提高了重整純氫產(chǎn)率、C5+液體收率及芳烴產(chǎn)率,有效提升了資源利用率,增加了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益[3-4]。之后,進(jìn)行了持續(xù)的技術(shù)改進(jìn),先后成功投產(chǎn)了2套1.0 Mt/a逆流連續(xù)重整裝置。

未來一定時(shí)期內(nèi),隨著頁巖氣利用技術(shù)、乙烯原料替代技術(shù)的開發(fā)以及全球經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的變化,石腦油供應(yīng)量相對(duì)增加,必將為連續(xù)重整等石腦油加工利用技術(shù)帶來新的發(fā)展機(jī)遇。從裝置規(guī)模看,為了提高裝置運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益,連續(xù)重整裝置正在向大型化方向發(fā)展。

裝置規(guī)模大于2.0 Mt/a后,對(duì)反應(yīng)器、加熱爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),平面布置及大型管線應(yīng)力設(shè)計(jì),裝置節(jié)能減排等方面提出了更高要求。以下從流程、控制、節(jié)能、關(guān)鍵大型裝備、平面布置及管道應(yīng)力等方面闡述大型逆流連續(xù)重整技術(shù)的開發(fā)及工業(yè)應(yīng)用,為超大規(guī)模逆流連續(xù)重整技術(shù)工程化研究提供參考。

1 工藝流程升級(jí)開發(fā)

1.1 再生流程

研究表明,氧氯化區(qū)氧濃度提高有利于催化劑金屬中心的分散,提升催化劑再生效果[5-8]。為了提高氧氯化區(qū)的氧濃度,開發(fā)了燒焦區(qū)和氧氯化區(qū)氣體獨(dú)立循環(huán)的再生流程。氧氯化區(qū)及冷卻、干燥區(qū)完全使用空氣,優(yōu)化了氧氯化條件,提升了催化劑再生效果。氧氯化與燒焦的循環(huán)氣體獨(dú)立為兩個(gè)循環(huán)回路,滿足燒焦區(qū)低氧、氧氯化區(qū)高氧控制要求,燒焦區(qū)氣體不再受氧氯化區(qū)氣體量制約,使催化劑燒焦過程簡單、安全、環(huán)保、易于操控。考慮裝置規(guī)模增大后,如采用一次通過流程將大幅增加空氣用量,造成浪費(fèi),通過設(shè)置空氣壓縮機(jī),將氧氯化區(qū)氣體進(jìn)行循環(huán)利用,大幅減少了外排再生廢氣量。

1.2 壓縮機(jī)級(jí)間流程

在催化重整裝置中,重整產(chǎn)氫氣需要經(jīng)增壓機(jī)增壓后,與從重整產(chǎn)物分離罐罐底分離出的重整生成油混合后去再接觸。重整氫增壓機(jī)入口及級(jí)間分液罐罐底液體輸送的不同方案選擇會(huì)影響壓縮機(jī)、泵、空氣冷卻器(簡稱空冷器)的能耗及冷卻器的循環(huán)水量,特別是隨著裝置規(guī)模大型化,影響更加顯著,因此合理選擇此部分液體的走向非常重要。

針對(duì)某2.6 Mt/a連續(xù)重整裝置,對(duì)增壓機(jī)級(jí)間流程進(jìn)行優(yōu)化。原有設(shè)計(jì)為重整氫增壓機(jī)入口及級(jí)間分液罐罐底的液相直接返回到重整產(chǎn)物分離罐的入口,如圖1所示。為降低能耗,分別設(shè)置重整氫增壓機(jī)入口分液罐罐底泵和重整氫增壓機(jī)級(jí)間分液罐罐底泵,兩級(jí)增壓機(jī)入口分液罐罐底的液相不再返回重整產(chǎn)物分離罐,而是分別通過兩臺(tái)罐底泵輸送到脫戊烷塔進(jìn)料脫氯罐入口,與再接觸罐罐底重整生成油匯合(見圖2)。優(yōu)化后的結(jié)果見表1。從表1可以看出,該優(yōu)化方案由于增加了罐底泵,固定投資費(fèi)用增加60萬元,但每年減少操作費(fèi)用47.1萬元,一年半可回收投資,經(jīng)濟(jì)上更為合理。

圖1 液相直接返回重整產(chǎn)物分離罐的系統(tǒng)流程示意

圖2 液體與再接觸吸收罐罐底重整生成油匯合的系統(tǒng)流程示意

表1 優(yōu)化效果對(duì)比

2 再生控制技術(shù)升級(jí)

催化劑正常燒焦時(shí),燒焦后的催化劑進(jìn)入氧氯化區(qū),催化劑不含碳,為白燒狀態(tài)。操作異常時(shí),含碳催化劑進(jìn)入氧氯化區(qū),在高氧環(huán)境下劇烈燃燒,會(huì)導(dǎo)致再生器內(nèi)件及催化劑損壞,需立即由正常白燒轉(zhuǎn)為黑燒模式。

催化劑再生黑白燒轉(zhuǎn)換時(shí),存在氧氯化區(qū)及冷卻干燥區(qū)空氣和氮?dú)獾乃查g切換。隨著裝置規(guī)模的增加,氧氯化及冷卻干燥系統(tǒng)容積增大;白燒狀態(tài)采用循環(huán)模式,黑燒狀態(tài)采用一次通過模式。以上因素都易產(chǎn)生壓力波動(dòng),造成緊急停車。為了解決這一問題,創(chuàng)新開發(fā)一鍵無擾動(dòng)黑燒轉(zhuǎn)白燒控制技術(shù),使氧氯化區(qū)、干燥冷卻區(qū)的進(jìn)氣及排氣管線上9個(gè)聯(lián)鎖閥、控制閥自動(dòng)配合執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)黑燒轉(zhuǎn)白燒參數(shù)智能切換功能和黑燒模式自動(dòng)判斷開啟功能,優(yōu)化后的控制可實(shí)現(xiàn)黑白燒智能判斷、自動(dòng)切換、平穩(wěn)過渡,避免操作參數(shù)波動(dòng)引起再生部分緊急停車,使再生過程更簡單、安全、易于操控。

3 耦合節(jié)能技術(shù)開發(fā)

3.1 重整-芳烴熱能耦合利用節(jié)能新技術(shù)

首次采用芳烴聯(lián)合裝置低溫?zé)峄厥债a(chǎn)生的0.5 MPa的低低壓蒸汽直接驅(qū)動(dòng)超大功率重整氫氣壓縮機(jī)組,實(shí)現(xiàn)機(jī)組長周期安全平穩(wěn)運(yùn)行,解決了大型重整-芳烴聯(lián)合裝置低溫?zé)狁詈匣厥崭咝Ю脝栴}。

本裝置核心設(shè)備重整循環(huán)氫壓縮機(jī)K-201及重整氫增壓機(jī)K-202功率均約為15 000 kW,采用芳烴聯(lián)合裝置塔頂冷凝熱發(fā)生171 t/h的0.5 MPa蒸汽驅(qū)動(dòng)。為了提高機(jī)組效率及運(yùn)行安全性,放棄同類型常規(guī)進(jìn)汽汽輪機(jī)采用噴嘴配汽的方案。通過汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和安全性兩方面研究,汽輪機(jī)采用全周節(jié)流配汽的方式,汽輪機(jī)通流葉片采用AIBT通流優(yōu)化技術(shù),采用全新的3D彎扭葉片,使得在高負(fù)荷時(shí)有較高的通流效率,同時(shí)低負(fù)荷時(shí)可以大幅度提高機(jī)組的安全性。

2.6 Mt/a連續(xù)重整及0.8 Mt/a對(duì)二甲苯裝置應(yīng)用節(jié)能減碳技術(shù)效果顯著:重整-芳烴聯(lián)合裝置能耗降低64.9 kgOE/t(1 kgOE=41.8 MJ);每年減少CO2排放228 kt,節(jié)約碳排放費(fèi)用1 140萬元。

3.2 集成應(yīng)用原料預(yù)處理“二塔合一”等節(jié)能技術(shù),實(shí)現(xiàn)大幅節(jié)能降碳

集成多項(xiàng)節(jié)能技術(shù)實(shí)現(xiàn)裝置節(jié)能減排,具體包括:

(1)原料預(yù)處理部分流程研究。根據(jù)輕石腦油的比例,將傳統(tǒng)的兩塔分餾流程(設(shè)置汽提塔和分餾塔)變?yōu)槎弦涣鞒?在蒸發(fā)塔完成分餾和汽提的功能,實(shí)現(xiàn)裝置節(jié)能降耗和節(jié)省投資、占地。2.6 Mt/a連續(xù)重整裝置采用新流程后能耗可降低8%以上,每年可減少1 749 t CO2排放。

(2)重整反應(yīng)進(jìn)出料換熱器“夾點(diǎn)”研究。該換熱器具有換熱量大、溫度交叉大、允許壓降低等特點(diǎn),同時(shí)起到冷卻反應(yīng)產(chǎn)物和加熱反應(yīng)進(jìn)料的作用,換熱越充分(即其熱端溫差和冷端溫差低),則進(jìn)料加熱爐的熱負(fù)荷將越小,冷卻反應(yīng)產(chǎn)物空冷器的熱負(fù)荷也將越小。通過對(duì)重整進(jìn)料換熱器工藝設(shè)計(jì)采用“夾點(diǎn)”研究,選擇適宜“夾點(diǎn)”,實(shí)現(xiàn)裝置節(jié)能,2.6 Mt/a重整裝置每年減少CO2排放5 848 t。

(3)煙氣熱量高效利用的研究。重整裝置中的加熱爐是最重要的單體設(shè)備,也是能耗最大的設(shè)備[9]。重整反應(yīng)爐(F201/202)和中間加熱爐(F203/204)對(duì)流段設(shè)置余熱鍋爐,用于發(fā)生3.7 MPa蒸汽。從對(duì)流室余熱鍋爐出來的煙氣進(jìn)入煙氣余熱回收系統(tǒng)進(jìn)一步回收熱量,使加熱爐的設(shè)計(jì)熱效率達(dá)到95%以上。加熱爐熱量回收流程示意見圖3。應(yīng)用于2.6 Mt/a重整裝置加熱爐的投資僅增加約200萬元,但每年節(jié)約燃料氣費(fèi)用2 241萬元,減少CO2排放15 kt。

圖3 重整反應(yīng)爐和中間加熱爐熱量回收示意

4 關(guān)鍵大型裝備開發(fā)

4.1 反應(yīng)器

重整反應(yīng)器底部封頭通常為橢圓形、蝶形,均存在催化劑死區(qū)或流動(dòng)緩慢區(qū)域,是催化劑結(jié)焦的主要原因。催化劑結(jié)焦嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞中心管或扇形筒內(nèi)件,堵塞催化劑輸送管,影響裝置長周期穩(wěn)定運(yùn)行。另外,不斷生成的焦塊碳含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)值,造成下游再生器催化劑燒焦過程異常、不可控,因過燒造成催化劑侏儒化和再生器內(nèi)件損壞的情況頻頻出現(xiàn)。隨著裝置大型化,減少反應(yīng)器內(nèi)催化劑流動(dòng)緩慢區(qū)域體積成為優(yōu)化方向。創(chuàng)新性地提出錐形封頭結(jié)構(gòu),錐形封頭半頂角與催化劑自流角度一致,結(jié)合新穎的、更便于現(xiàn)場(chǎng)安裝的內(nèi)件支撐結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)催化劑零死區(qū)。

研發(fā)過程中,對(duì)橢圓封頭和錐形封頭結(jié)構(gòu)從催化劑流動(dòng)、受力情況、強(qiáng)度計(jì)算、制造難度、內(nèi)件安裝等多方面進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比。針對(duì)2.6 Mt/a逆流連續(xù)重整裝置,在相同的裝填體積下,相比橢圓封頭,錐形封頭可使催化劑無效體積減小8.4 m3,且很好地改善了催化劑流動(dòng)狀態(tài)、減少了催化劑在封頭內(nèi)的死區(qū),降低了結(jié)焦的風(fēng)險(xiǎn)。錐形封頭受力情況雖略遜于橢圓封頭,但采用應(yīng)力分析等手段對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行結(jié)構(gòu)研究(見圖4),保障結(jié)構(gòu)本質(zhì)安全。

圖4 重整反應(yīng)器底部結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析示意

在長期高溫操作條件下,由于生產(chǎn)波動(dòng)或催化劑結(jié)焦,扇形筒、中心管內(nèi)件損壞的案例時(shí)有發(fā)生,裝置大型化后,內(nèi)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理成為裝置能否穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。2.6 Mt/a逆流連續(xù)重整裝置反應(yīng)器內(nèi)件設(shè)計(jì)結(jié)合實(shí)際工程案例[10-11],優(yōu)化扇形筒結(jié)構(gòu),提高其整體強(qiáng)度,延長內(nèi)構(gòu)件的使用壽命;根據(jù)機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算,增大篩條和支撐桿間的結(jié)合力;制造時(shí)控制焊接條形篩網(wǎng)的分段長度,優(yōu)化制造工藝。

4.2 加熱爐

重整反應(yīng)爐為純輻射箱式爐,工藝介質(zhì)僅在輻射室加熱,對(duì)流室的主要功能是回收高溫?zé)煔庥酂帷?/p>

重整裝置大型化后,原有的四合一爐型不能很好地滿足工藝傳熱和設(shè)備模塊制造、運(yùn)輸?shù)囊?。為滿足工藝過程的需要,大型重整反應(yīng)爐設(shè)計(jì)為2臺(tái)雙輻射室單對(duì)流室并聯(lián)爐型,4個(gè)輻射室內(nèi)分別布置∩形輻射盤管以加熱工藝物料,每組∩形輻射盤管通過進(jìn)出口集合管與4臺(tái)反應(yīng)器一一對(duì)應(yīng)。每個(gè)輻射室可獨(dú)立精準(zhǔn)調(diào)節(jié)燃燒供熱,以滿足工藝過程的需要。經(jīng)ANSYS軟件分析,并結(jié)合爐底設(shè)置熱風(fēng)道的實(shí)際情況,確定采用大半徑的∩形輻射盤管結(jié)構(gòu)及支管的有效安全高度;為了改善爐管的受熱不均勻情況同時(shí)提高爐管的傳熱能力,輻射爐管采用雙面輻射形式。為了滿足工藝有效負(fù)荷及壓降等要求,優(yōu)化∩形輻射盤管規(guī)格、長度及并聯(lián)管程數(shù)量。本次大型化輻射盤管沿縱向具有較大擴(kuò)展能力,對(duì)于更大規(guī)模裝置具有良好的適應(yīng)性。

通過在∩形管排入口側(cè)、出口側(cè),出口側(cè)兩側(cè)燃燒器處設(shè)置的爐管壁溫?zé)犭娕紝?duì)管壁溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)與理論計(jì)算壁溫進(jìn)行對(duì)比,趨勢(shì)溫度和結(jié)果數(shù)值基本一致,驗(yàn)證了工藝介質(zhì)在輻射爐管流量分配均勻。工業(yè)應(yīng)用結(jié)果表明,加熱爐運(yùn)行良好。

4.3 設(shè)備布置及應(yīng)力優(yōu)化

針對(duì)裝置大型化布置特點(diǎn),對(duì)進(jìn)出加熱爐、進(jìn)出反應(yīng)器的高溫管道,進(jìn)出汽輪機(jī)的蒸汽管道,進(jìn)出離心壓縮機(jī)、往復(fù)式壓縮機(jī)的工藝管道布置需特別考慮管道柔性因素;反應(yīng)爐與反應(yīng)框架相對(duì)位置關(guān)系及反應(yīng)-再生框架的規(guī)劃著重考慮重要管道應(yīng)力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行合理布置;管道設(shè)計(jì)中利用改變管道走向增加柔性,采取冷緊措施以減小管道對(duì)設(shè)備、法蘭以及固定架的作用力和力矩,從而降低大型化風(fēng)險(xiǎn)。

本裝置轉(zhuǎn)油線公稱直徑為1 300 mm,尺寸較大,重整反應(yīng)進(jìn)料爐集合管與轉(zhuǎn)油線進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì),加熱爐各集合管采用不同程度的偏裝等措施,合理解決大口徑管線熱膨脹帶來的問題,大幅改善該部分的大口徑管線應(yīng)力水平,同時(shí)較大幅度改善了反應(yīng)器的受力狀況,提高了重整反應(yīng)器、重整反應(yīng)爐的運(yùn)行安全性。圖5為爐管集合管偏裝安裝現(xiàn)場(chǎng),冷緊量降低了48%,冷緊的管道數(shù)量減少了50%。

圖5 爐管集合管偏裝安裝現(xiàn)場(chǎng)

5 工業(yè)應(yīng)用

2.6 Mt/a連續(xù)重整裝置以直餾石腦油和加氫裂化石腦油為原料,包括預(yù)加氫單元、重整單元、催化劑再生單元、抽提單元、變壓吸附(PSA)單元,生產(chǎn)富含C8及C8以上芳烴的重整生成油、苯、甲苯、氫氣、戊烷、液化氣及燃料氣,年操作時(shí)間8 400 h。重整及催化劑再生單元采用逆流連續(xù)重整技術(shù),催化劑采用中石化石油化工科學(xué)研究院有限公司研制的PS-Ⅵ催化劑[12]。裝置于2019年4月開始建設(shè),2020年12月22日一次性投料開車成功。2021年1月8日,催化劑再生順利完成黑燒轉(zhuǎn)白燒過程,再生催化劑性能良好,標(biāo)志著裝置進(jìn)入正常生產(chǎn)階段。

裝置進(jìn)行了72 h的性能全面標(biāo)定,標(biāo)定結(jié)果見表2。從表2可以看出:生成油的研究法辛烷值(RON)達(dá)到設(shè)計(jì)值,重整產(chǎn)物C5+液體收率、重整純氫產(chǎn)率均優(yōu)于設(shè)計(jì)值;逆流連續(xù)重整達(dá)到了預(yù)期的效果,PS-Ⅵ催化劑用于本裝置的反應(yīng)性能良好,滿足設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的要求。標(biāo)定期間催化劑提升流暢、循環(huán)量調(diào)節(jié)方便,運(yùn)行平穩(wěn)。催化劑粉塵量為3 kg/d,優(yōu)于設(shè)計(jì)值。標(biāo)定期間催化劑燒焦操作平穩(wěn),催化劑再生過程平穩(wěn)且再生后催化劑性能良好。標(biāo)定期間各設(shè)備運(yùn)行情況良好?！八暮弦弧敝卣磻?yīng)爐的過剩氧體積分?jǐn)?shù)平均為2.3%,排煙溫度為93.4 ℃,加熱爐平均熱效率達(dá)95%。

表2 標(biāo)定結(jié)果

6 結(jié) 論

2.6 Mt/a逆流連續(xù)重整裝置的工業(yè)應(yīng)用結(jié)果表明,逆流連續(xù)重整技術(shù)在工藝流程、控制、節(jié)能減排及主要裝備的優(yōu)化方面均取得成功。隨著裝置規(guī)模增大,國產(chǎn)連續(xù)重整技術(shù)大型化開發(fā)越來越受到重視。對(duì)以上技術(shù)的優(yōu)化總結(jié)為超大規(guī)模的裝置建設(shè)提供了思路。