柳能軍，戚元慶

(鎮(zhèn)海石化工程股份有限公司設(shè)計部，浙江　寧波　315040)

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柴油質(zhì)量升級改造要點

柳能軍，戚元慶

(鎮(zhèn)海石化工程股份有限公司設(shè)計部，浙江寧波315040)

隨著環(huán)保問題的日益突出，車用柴油排放標準的要求日益嚴格。根據(jù)國家環(huán)保部要求，2017年柴油質(zhì)量全國要執(zhí)行硫質(zhì)量分數(shù)低于10 μg/g的國Ⅴ排放標準,很多煉油廠面臨著柴油質(zhì)量升級問題。以某廠一套柴油加氫裝置改造為例，為將柴油質(zhì)量從國Ⅲ升級到國Ⅴ質(zhì)量標準,對所面臨的加氫裝置升級改造主要問題進行了探討。從工藝技術(shù)選擇、催化劑及反應器內(nèi)件、裝置系統(tǒng)瓶頸核算等方面闡述了柴油質(zhì)量升級改造的要點。

加氫裝置；柴油；反應器；國五排放標準改造

隨著中國國民經(jīng)濟的持續(xù)快速增長，汽車工業(yè)得到了迅速發(fā)展，同時帶來的汽車排放污染等已被列為城市主要大氣污染源之一。對此,各國政府相應制定了嚴格的汽車排放標準，要求在改進和提高汽車發(fā)動機設(shè)計和制造水平的同時，將提高油品質(zhì)量作為降低汽車尾氣排放的重要措施。根據(jù)國家環(huán)保部要求，2017年柴油質(zhì)量全國要執(zhí)行硫質(zhì)量分數(shù)低于10 μg/g的國Ⅴ柴油標準，而原先執(zhí)行的國Ⅲ硫含量為350 μg/g。因此，很多煉油企業(yè)從2012年開始規(guī)劃柴油質(zhì)量升級到國五標準，在2015-2016年進行了加氫裝置停工改造。

某廠的柴油加氫裝置設(shè)計規(guī)模300萬噸/年，操作彈性60%～100%，年操作時間8400小時。裝置原設(shè)計用于生產(chǎn)硫含量小于0.05%的國標車用柴油，后經(jīng)改換催化劑并調(diào)整原料和操作條件，2013年可以生產(chǎn)國三標準柴油。根據(jù)總部柴油質(zhì)量升級規(guī)劃安排，要求升級一次到位，使該裝置具備生產(chǎn)國Ⅴ標準柴油的能力。

根據(jù)某廠加氫裝置的實際情況，擬通過增加第二反應器對該裝置進行適應性改造，主要改造內(nèi)容是增加一個反應器，保持氫油比不變、降低反應空速，使裝置改造后具備生產(chǎn)國 V 柴油的能力。下面以此次改造出發(fā)，從工藝技術(shù)選擇、催化劑及反應器內(nèi)件、裝置系統(tǒng)瓶頸核算等方面闡述了柴油質(zhì)量升級改造的要點。

1　原料來源、產(chǎn)品性質(zhì)

1.1原料來源及規(guī)格

1.1.1原料油

該加氫裝置所加工的混合原料為催柴12.88wt%、常二線占21.56wt%、常三線占24.36wt%、減一線占23.00wt%、焦柴占18.20wt%。原料及目前原料油的性質(zhì)見表1。邊界條件為：50℃，0.6MPa(G)。

表1　原料油組成及性質(zhì)表

續(xù)表1

10%23621027327524623530%26023029829527527050%28124531731630029270%31026533533532532190%34728636535435235195%359299380365370365EBP370312390380385387

1.1.2氫氣

裝置所需氫氣可采用PSA管網(wǎng)氫，也可采用化肥氫，需保證氫氣純度≮97mol%，計劃以化肥氫為主，不足部分采用煉油PSA管網(wǎng)氫補充?；蕷涞倪吔鐥l件為：

溫度40℃，壓力7.2MPa(G)，其組成見表2。

表2　化肥氫組成

1.2產(chǎn)品規(guī)格

本裝置主要產(chǎn)品為精制柴油，副產(chǎn)品是石腦油，石腦油可作為乙烯原料或汽油調(diào)合組分，精制后的柴油產(chǎn)品滿足國Ⅴ標準。國V標準柴油性質(zhì)[1]見表3。根據(jù)混合原料油性質(zhì)和產(chǎn)品性質(zhì)要求以及工藝技術(shù)特點，預測的目的產(chǎn)品性質(zhì)見表4和表5。

表3　國Ⅴ柴油標準

表4　石腦油產(chǎn)品性質(zhì)預測

表5　柴油產(chǎn)品性質(zhì)預測

2　改造方案選擇要點

對于面臨柴油質(zhì)量升級改造的裝置，需根據(jù)具體實際情況確定改造方案，原則是充分利用原有設(shè)備，減少設(shè)備改造投資，獲得經(jīng)濟效益最大化。

2.1工藝技術(shù)選擇

對于改造裝置，原加氫反應器壓力在8.0MPa 以上，體積空速在1.5 h-1以下，可以通過更換高性能催化劑達到國Ⅴ柴油質(zhì)量升級的目的。若反應器壓力較低或空速較高，可適當降低裝置處理量或串/并聯(lián)一臺反應器，通過增加催化劑體積量補償操作壓力，滿足體積空速，但是要考慮系統(tǒng)壓力降的影響[2]。該加氫裝置的反應壓力等級為6.0MPa，從反應器壓力方面來看宜增加一臺第二反應器。

由于該加氫裝置的反應壓力等級為6.0MPa，若以現(xiàn)有的催化劑進行超深度加氫脫硫，需要將平均反應溫度提高30～50℃，而過高的反應溫度會使柴油產(chǎn)品的顏色和顏色穩(wěn)定性變差，甚至顏色達不到產(chǎn)品規(guī)格的要求。通過降低空速的辦法也可以實現(xiàn)超深度脫硫，但對現(xiàn)有裝置來說，這就意味降低了裝置的處理量；即使對新建裝置，這種方案也需要增加反應器的投資，是煉廠所不愿接受的。

因此，采用增加第二反應器的工藝技術(shù)并更換高性能催化劑是個恰當?shù)倪x擇。

在現(xiàn)有裝置增加第二反應器也是目前國際上進行國Ⅴ柴油質(zhì)量升級的一個重要的工藝技術(shù)，該技術(shù)采用一種或兩種非貴金屬加氫精制催化劑，將柴油的超深度加氫脫硫通過兩個反應器完成。第一反應器為高溫、高空速反應區(qū)，在第一個反應區(qū)中完成大部分易脫硫的硫化物的脫除和幾乎全部氮化物的脫除；第二反應區(qū)為低溫、高空速反應區(qū)，脫除了氮化物的原料在第二個反應區(qū)中完成剩余硫化物的徹底脫除和多環(huán)芳烴的加氫飽和，并改善油品顏色。主要工藝原理見圖1。

圖1　增加第二反應器工藝原理圖

2.2催化劑及反應器內(nèi)件

柴油加氫催化劑作為柴油加氫技術(shù)的核心，其性能的本質(zhì)性提升是實現(xiàn)柴油超深度脫硫最經(jīng)濟的選擇。從歐美等國的煉油廠生產(chǎn)超低硫柴油的經(jīng)驗來看，當原來生產(chǎn)硫質(zhì)量分數(shù)為50 μg/g 柴油的加氫脫硫裝置用于生產(chǎn)硫質(zhì)量分數(shù)為10 μg/g柴油時，往往出現(xiàn)運轉(zhuǎn)周期縮短、處理量被迫降低等問題。這些煉油廠解決上述問題的主要措施是采用活性更高、穩(wěn)定性更好的超深度脫硫催化劑。采用高活性催化劑可以降低加氫裝置的操作苛刻度，延長催化劑使用壽命；在相同操作條件下可以提高空速，增加裝置處理量。故該次改造擬采用已有成功應用的國外催化劑。

加氫反應器的性能不僅取決于所裝填的催化劑，也取決于反應器內(nèi)部構(gòu)件的設(shè)計。理想的反應器內(nèi)件應夠消除流體不良徑向分布、使徑向溫差做到最?。皇估錃淇焖倩旌暇鶆?；結(jié)構(gòu)扁平。特別是對于生產(chǎn)國Ⅴ標準的柴油加氫裝置，反應器內(nèi)件性能好壞對發(fā)揮催化劑性能、保證產(chǎn)品質(zhì)量起著重要作用。本次改造擬從國外引進先進的反應器內(nèi)件，由于其獨特的結(jié)構(gòu)設(shè)計，一方面可以保證流體分布均勻、充分發(fā)揮催化劑性能，另一方面由于內(nèi)件扁平化，可以節(jié)約內(nèi)件的安裝空間，使反應器有更多的空間裝填催化劑，以達到反應所要求的空速條件。

2.3反應操作條件及裝置系統(tǒng)瓶頸核算

2.3.1反應操作條件

表6　反應操作條件

續(xù)表6

床層入口/出口溫度342/355380/392催化劑床層溫升1312平均反應溫度/℃341386化學氫耗/wt%0.90.84反應器入口氫油比/(Nm3/m3)300

2.3.2反應系統(tǒng)瓶頸核算

(1)反應器

更換加氫精制反應器R2101內(nèi)件和催化劑，催化劑采用密相裝填。

新增反應器R2102與R2101串聯(lián)，規(guī)格DN4600×6400(TL)，設(shè)單催化劑床層，催化劑采用普通裝填，以減小壓降，空速4.0 h-1。增加一個反應器后的裝置總反應空速為1.14 h-1。

(2)循環(huán)氫壓縮機

原循環(huán)氫壓縮機C2101的額定排量為145000 Nm3/h，進口壓力5.2MPaG，出口壓力6.8MPaG，采用1.0MPa蒸汽凝氣式透平驅(qū)動，汽輪機采用空冷器凝水。

此次升級改造需要的排氣量及壓縮機廠家對C2101核算的排氣量見表7，末期的最大排量為140800 Nm3/h，不能滿足末期工況151200 Nm3/h。

表7　C2101最大排氣量核算

改造前循環(huán)氫系統(tǒng)的總壓差為1.2MPa，此次改造操作初期循環(huán)氫系統(tǒng)壓差總計增加0.35MPa，即總壓差為1.55MPa(見表8)，已接近壓縮機的最大設(shè)計壓差。操作末期由于催化劑床層壓降上升、換熱器結(jié)焦等情況引起循環(huán)氫系統(tǒng)壓降升高，增加壓差約0.25MPa，即操作末期總壓差約1.8MPa，超出了壓縮機的設(shè)計負荷，裝置需要降低負荷10%～20%，才可以保證壓縮機正常操作。

表8　操作初期反應系統(tǒng)壓降核算

綜上所述，盡管循環(huán)氫壓縮機能夠滿足操作初期100%負荷工況下的需要，但是在反應中、后期無法滿足。若更換循環(huán)氫壓縮機和汽輪機，需要對基礎(chǔ)進行補樁，但是根據(jù)現(xiàn)場實際情況缺乏工程施工的可行性。但是可考慮在汽輪機基本不變的前提下更換壓縮機轉(zhuǎn)子部件，以期將壓縮機能力提高到最大水平。離心機廠家經(jīng)過核算建議更換轉(zhuǎn)子及定子(含機殼)，改造后的壓縮機出口壓力可以達到7.1MPaG，額定流量為160320 Nm3/h，可以滿足末期工況(見表9)；汽輪機僅需較少內(nèi)容的適應性改造，主要是轉(zhuǎn)子和導葉等改造。

表9　新舊機型的參數(shù)對比表

(3)反應換熱器

現(xiàn)有反應流出物/反應進料換熱器4臺，型號DIU1600-6.1/7.2-924-6/19-2，為螺紋鎖緊環(huán)式換熱器。

生產(chǎn)國V柴油時反應熱較目前有大幅增加，一反出口溫度也相應提高，反應流出物的換熱負荷(一反+二反出口)較原設(shè)計增大28%～34%。通過熱平衡計算，混氫原料油與反應流出物換熱后的溫度可以達到反應器入口所需溫度，理論上可以停反應加熱爐。但是停用反應爐不利于反應溫度控制。為此需降低混氫原料油與反應流出物的換后溫度，以使反應爐保持合適的溫差。本次改造擬采用 “加氫反應熱負荷轉(zhuǎn)移技術(shù)”，將反應流出物多余的熱量與分餾塔底重沸爐進料換熱，既充分利用了反應熱，又可以降低分餾爐的加熱負荷，從而降低裝置的能耗。

表10　反應流出物/混合進料換熱器熱負荷變化對比表

反應換熱器改造方案為：一反后增加一臺反應流出物/分餾塔底重沸爐進料換熱器E2110，型號DIU1600-6.5-914-6/19-2。原反應流出物/混合進料換熱器E2101A～D利舊，改變用途，移至二反出口，作為二反反應流出物/混合進料換熱器。

(4)熱高分/混合氫換熱器、熱高分空冷器

現(xiàn)有熱高分/混合氫換熱器1臺，型號BIU1000-5.8/7.2-168-4/25-2，熱高分氣空冷器4臺，管束型號P10.5×2.5-6-180-6.4S-23.4/DR-II。

由于反應溫度高，空速低，氣體產(chǎn)量增加，并且循環(huán)量較原來有一定提高，熱高分氣量較原設(shè)計增加較多，熱高分氣的冷卻負荷相應增加。改造方案：熱高分/混合氫換熱器(E2102)更新放大，采用兩臺串聯(lián)(E2102AB)。熱高分器空冷器四臺全部更新放大，同時可以解決目前操作中存在夏天冷卻不到設(shè)計溫度的問題。熱高分器空冷器采用10.5×3-8-301型號管束，換熱面積增加66%。

表11　熱高分/混合氫換熱器、熱高分空冷器熱負荷變化對比表

(5)循環(huán)氫脫硫系統(tǒng)

生產(chǎn)國V柴油對循環(huán)氫中的H2S含量有一定要求。供應商提出需將循環(huán)氫中H2S脫除至30 vppm以下，最低要求不超過100 vppm，根據(jù)車間提供的數(shù)據(jù)，現(xiàn)有裝置能達到50 vppm，基本能滿足要求。

(6)新氫壓縮機

新氫以化肥氫直供為主，不足部分采用煉油PSA管網(wǎng)氫經(jīng)新氫壓縮機壓縮后補充。

根據(jù)供應商提供的裝置的化學氫耗，計算的初期和末期新氫用量(包括溶解氫損失)，經(jīng)核算現(xiàn)有新氫壓縮機C2102A、B的額定排量能滿足改造后工況需求。

(7)加氫進料泵

因裝置處理量沒有增大，而物料密度跟原有物料接近，經(jīng)計算原有泵能滿足流量及出口壓力的要求，不需要改造。

(8)自控儀表

經(jīng)過核算，原反應換熱器的副線溫控調(diào)節(jié)閥用于二反出口換熱器溫控調(diào)節(jié)無法滿足工況要求。為了控制原料油與精制柴油的換熱溫度，因此需要新增一反出口換熱器溫控調(diào)節(jié)閥、二反出口換熱器溫控調(diào)節(jié)閥；為了控制一反的入口溫度，需要新增原料油/精制柴油換熱器溫控調(diào)節(jié)閥。另外需要增加反應器測溫熱電偶、反應器壓力遠傳和壓差遠傳、換熱器的壓力遠傳等儀表。

2.3.3分餾系統(tǒng)瓶頸核算

(1)汽提塔系統(tǒng)

汽提蒸汽調(diào)整為5 t/h，塔頂回流量與原設(shè)計相比變化不大，汽提塔系統(tǒng)不需改造。

(2)產(chǎn)品分餾塔系統(tǒng)

分餾系統(tǒng)流程不變，仍采用雙塔流程。當石腦油產(chǎn)乙烯料時，分餾塔頂回流泵P2104AB流量增加較多，原泵不能滿足需要，因此本次改造對P2104AB進行更新放大。

改造后分餾塔頂冷卻負荷增加，見表12，分餾塔頂空冷器A2103A～D需更新放大。

表12　分餾塔頂冷卻負荷變化對比表

產(chǎn)品分餾塔塔內(nèi)件：基本能滿足改造工況。

(3)自控儀表

當石腦油產(chǎn)乙烯料時，由于產(chǎn)品中石腦油產(chǎn)量的大幅增加，原有調(diào)節(jié)閥和流量計已不能滿足要求，需要更換。

2.3.4核算后工藝流程圖

2.3.4.1反應部分

圖2　反應部分原則流程圖

2.3.4.2分餾部分

圖3　分餾部分原則流程圖

2.4裝置布置及配管

新增設(shè)備布置時需遵循：

(1)按流程順序布置，減少溫降和壓降。

(2)高壓設(shè)備集中布置,節(jié)約高壓不銹鋼管線。

(3)方便設(shè)備安裝與檢修。

(4)滿足節(jié)約與節(jié)能要求。

3　結(jié)　論

(1)根據(jù)柴油質(zhì)量升級時間表，國內(nèi)煉油廠面臨著柴油國Ⅴ質(zhì)量升級的巨大挑戰(zhàn)。柴油裝置的升級改造必須從本裝置的特點出發(fā)從源頭上選擇好工藝技術(shù)。

(2)確定好工藝技術(shù)方案后，選擇可靠的催化劑和反應器內(nèi)件也相當關(guān)鍵。

(3)消除反應系統(tǒng)和分餾系統(tǒng)存在的瓶頸也同樣重要。由于生產(chǎn)國Ⅴ標準柴油時，反應熱較大，熱平衡的核算是重點。

(4)合理布置新增的高壓設(shè)備可以有效減少投資。

[1]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.GB 19147-2013 車用柴油(Ⅴ) [S].北京:中國標準出版社,2013:2-5．

[2]劉瑞萍,辛若凱,王國旗,等.柴油國Ⅴ質(zhì)量升級問題的探討[J].煉油技術(shù)與工程,2013,43(10):53-56．

Study on Diesel Upgrading with Hydrogenation Unit Revamping

LIU Neng-jun,QI Yuan-qing

(Zhenhai Petrochemical Engineering Co.,Ltd.,Zhejiang Ningbo 315040,China)

With more stringent environmental protection regulations,quality improvement of the diesel has become increasingly necessary and impending.According to the requirements of Ministry of Environmental Protection,GuoⅤ diesel with sulfur content of 10 μg/g will be implemented nationwide in 2017,thus,many refineries faces with a great challenge of upgrading the diesel to GuoⅤemission standard.Using a diesel hydrogenation unit revampingin a factoryas an example,the main problems of the diesel upgrading from GuoⅢ emission standardsto GuoⅤwere discussed.It explained the main points of the diesel upgrading in terms of technology choice,catalyst and reactor internals,system bottlenecks checking.

hydrogenation unit; diesel; reactor; GuoⅤ emission standards; revamping

柳能軍(1981-)，男，2008年7月畢業(yè)于浙江大學生物化工專業(yè)，工學碩士，工程師，主要從事石油化工工程設(shè)計。

TE624

B

1001-9677(2016)011-0200-05