煉廠氫氣系統(tǒng)優(yōu)化與管理

楊國濤

(寧波中金石化有限公司 技術(shù)部,浙江 寧波 315200)

氫氣在化工生產(chǎn)和石油煉制過程中是一種重要的、寶貴的清潔原料?，F(xiàn)代煉廠需要開發(fā)各類低成本氫源,合理規(guī)劃和利用氫氣資源,使氫氣資源的綜合利用最優(yōu)化。優(yōu)化氫氣系統(tǒng)平衡和產(chǎn)氫裝置、耗氫裝置合理運行,使得產(chǎn)品生產(chǎn)過程用氫成本最低,這是實現(xiàn)煉廠經(jīng)濟效益和社會效益的雙豐收、提高煉廠綜合競爭力的重要手段[1-2]。優(yōu)化氫氣資源利用是在滿足煉廠產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和質(zhì)量標準的情況下,優(yōu)化氫氣系統(tǒng)平衡,合理調(diào)整煉廠各系統(tǒng)流程,實現(xiàn)煉廠經(jīng)濟效益最大化[3]。

公司裝置投產(chǎn)后,氫氣系統(tǒng)平衡和燃料氣系統(tǒng)平衡較設(shè)計值偏差較大,存在加氫裝置氫氣不足、燃料氣系統(tǒng)富裕的情況。公司氫氣系統(tǒng)主要有產(chǎn)氫裝置、氫氣管網(wǎng)和耗氫裝置三部分組成。根據(jù)氫氣來源點和使用點的不同,采用統(tǒng)一用氫的管理方式。具體又分為兩條氫氣管網(wǎng):一條是壓力等級為1.7 MPa,純度為93.8%(體積分數(shù))重整氫管網(wǎng);另一條是壓力等級為1.7 MPa,純度為99.9%(體積分數(shù))高純氫管網(wǎng)。在總流程中,連續(xù)重整裝置生產(chǎn)的重整氫是最大和成本最低的氫氣來源。由于氫氣無法大量儲存,因此氫氣管理難度較大,如果短時間內(nèi)無法平衡利用氫氣,只能把多余氫氣排入燃料氣或火炬管網(wǎng)燒掉。如果氫氣不足,則只能降低耗氫裝置負荷來平衡管網(wǎng)氫氣。連續(xù)重整裝置反應(yīng)和再生系統(tǒng)正常運行對穩(wěn)定性要求高,一般不做頻繁調(diào)整。因此,為了保證氫氣管網(wǎng)中的氫氣不外排燃料氣系統(tǒng)和火炬系統(tǒng),明確氫氣管網(wǎng)平衡運行由調(diào)整加氫改質(zhì)裝置生產(chǎn)負荷來控制。由于燃料氣系統(tǒng)富裕,為了平衡公司燃料氣系統(tǒng)導(dǎo)致生產(chǎn)合成氣的焦氣化裝置開工率較低,即時焦氣化裝置開工,生產(chǎn)運行負荷也是很低。另外合成氣作為燃料氣存在熱值低、合成氣中氫資源浪費等問題。因為系統(tǒng)中氫氣不足,加氫改質(zhì)裝置無法滿負荷運行。存在根據(jù)公司氫氣系統(tǒng)平衡情況,頻繁調(diào)整加氫改質(zhì)裝置生產(chǎn)負荷。這存在很大的操作安全隱患,不利于加氫改質(zhì)裝置安全平穩(wěn)生產(chǎn),同時也不利于加氫改質(zhì)裝置上游裝置的安全平穩(wěn)生產(chǎn)。

近年來,針對以上情況公司在生產(chǎn)低成本氫氣、富氫氣體回收利用方面采取了一系列措施,取得了良好的效果。利用現(xiàn)有的合成氣裝置實施技術(shù)改造,增加變換、脫硫、脫碳、PSA提濃等單元來增產(chǎn)氫氣,滿足了公司耗氫裝置對氫氣的需求,實現(xiàn)了加氫裝置的滿負荷平穩(wěn)生產(chǎn)。另外,還有富裕氫氣可以供給周邊化工企業(yè)使用,這有力地提高公司經(jīng)濟效益和市場競爭力。

1 合成氣制氫前氫氣系統(tǒng)

焦氣化裝置生產(chǎn)的合成氣在改造為制氫產(chǎn)氫前,公司產(chǎn)氫裝置為連續(xù)重整和PSA,具體產(chǎn)氫情況見表1。從表1可知連續(xù)重整產(chǎn)氫量為115 265 m3/h(1個標準大氣壓下),其中79 913 m3/h(1個標準大氣壓下)的重整氫進入PSA提濃,其余重整氫進耗氫裝置石腦油加氫、硫磺回收、異構(gòu)化、石腦油預(yù)加氫和歧化裝置。另外從表1還可知,氫氣系統(tǒng)管網(wǎng)的主要氫氣來源為連續(xù)重整裝置生產(chǎn)的重整氫。

表1 合成氣制氫前產(chǎn)氫裝置情況

公司耗氫裝置為石腦油加氫,加氫改質(zhì),硫磺回收、石腦油預(yù)加氫,歧化,異構(gòu)化裝置,具體情況見表2。從表2可知,加氫改質(zhì)裝置是氫氣系統(tǒng)管網(wǎng)中主要的耗氫裝置,大部分氫氣都被加氫改質(zhì)裝置消耗掉。從表2還可知,除了加氫改質(zhì)裝置消耗純度為99.9%的高純氫外,其余耗氫裝置均消耗純度為93.8%(體積分數(shù))的重整氫。這主要是由于不同的加氫工藝對氫氣純度的要求不同。硫磺回收和石腦油加氫裝置還可以使用更低純度的氫氣,也能滿足工藝加氫反應(yīng)的要求。

表2 合成氣制氫前耗氫裝置情況

耗氫裝置產(chǎn)出的富氫氣體具體情況見表3。加氫改質(zhì)低分氣和歧尾氫進PSA裝置,充分回收利用氫氣資源。石腦油加氫低分氣排放量非常少,只有12 m3/h(1個標準大氣壓下),壓力為0.8 MPa,基本沒有回收利用價值,作為補充燃料進燃料氣管網(wǎng)供加熱爐使用。設(shè)計工況異構(gòu)化裝置的尾氫基本沒有,而實際生產(chǎn)時異構(gòu)化尾氫排放量為5 636 m3/h(1個標準大氣壓下),純度為85%(體積分數(shù)),壓力為0.8 MPa。異構(gòu)化尾氫該股物料作為補充燃料進燃料氣管網(wǎng),這沒有實現(xiàn)對異構(gòu)化尾氫中氫氣資源的充分回收利用,所以異構(gòu)化尾氫還有優(yōu)化利用的空間。

表3 合成氣制氫前耗氫裝置產(chǎn)富氫氣體情況

加氫改質(zhì)裝置滿負荷生產(chǎn)時設(shè)計耗氫量為138 981 m3/h(1個標準大氣壓下)。從表1和表2可知,連續(xù)重整和PSA產(chǎn)氫氣量不能滿足加氫改質(zhì)裝置滿負荷生產(chǎn)所需求的氫氣量。為了保證連續(xù)重整芳烴聯(lián)合裝置的滿負荷生產(chǎn),采取了通過調(diào)整加氫改質(zhì)裝置負荷來平衡氫氣系統(tǒng)管網(wǎng)中的氫氣量。由于產(chǎn)氫裝置產(chǎn)氫的量不穩(wěn)定,這種調(diào)節(jié)方法非常不利于加氫改質(zhì)裝置及其上游裝置的安全平穩(wěn)生產(chǎn)。頻繁調(diào)整加氫改質(zhì)裝置負荷,導(dǎo)致該裝置多次出現(xiàn)生產(chǎn)異常波動現(xiàn)象,甚至出現(xiàn)加裂反應(yīng)器飛溫現(xiàn)象。這對加裂反應(yīng)催化劑造成不可逆的損害,影響加氫改質(zhì)裝置目標產(chǎn)品重石腦油收率和裝置氫耗。這種頻繁調(diào)整也不利于上游燃料油分離裝置電脫鹽和預(yù)分餾塔平穩(wěn)運行,電脫鹽和預(yù)分餾塔也多次出現(xiàn)生產(chǎn)異常波動。這種頻繁調(diào)整也不利于渣油輕質(zhì)化裝置一爐兩塔平穩(wěn)運行,焦化爐結(jié)焦清焦周期變短,增加焦化爐切爐并爐操作風(fēng)險。因此,這給公司各裝置的安全平穩(wěn)生產(chǎn)帶來了一系列的問題。

2 合成氣制氫后氫氣系統(tǒng)

利用現(xiàn)有的合成氣裝置實施技術(shù)改造,增加變換、脫硫、脫碳、PSA提濃等單元來增產(chǎn)氫氣。合成氣制氫裝置的生產(chǎn)負荷可以靈活調(diào)整,對氫氣系統(tǒng)管網(wǎng)來說此調(diào)整方式反應(yīng)時間段,調(diào)整效果較為明顯。因此利用合成氣制氫裝置來調(diào)整氫氣系統(tǒng)管網(wǎng)是一種十分有利且奏效的調(diào)整手段。設(shè)計合成氣制氫產(chǎn)氫量為90 000 m3/h(1個標準大氣壓下),純度99.9%(體積分數(shù)),操作彈性4 040%～105%氣化裝置生產(chǎn)的合成氣在改造為制氫產(chǎn)氫后,產(chǎn)氫裝置為連續(xù)重整、制氫和PSA,具體產(chǎn)氫情況見表4。連續(xù)重整產(chǎn)氫量為153 661 m3/h(1個標準大氣壓下),其中91 046 m3/h(1個標準大氣壓下)的重整氫進入PSA提濃,重整氫經(jīng)PSA裝置提濃后,純度為99.9%(體積分數(shù)),供加氫改質(zhì)裝置使用。其余重整氫,純度為93.8%(體積分數(shù)),進耗氫裝置石腦油加氫、硫磺回收、異構(gòu)化、石腦油預(yù)加氫和歧化裝置。合成氣制氫裝置產(chǎn)氫量為40 851 m3/h(1個標準大氣壓下),純度為99.9%(體積分數(shù)),和PSA氫氣一起供加氫改質(zhì)裝置。從表5可知,加氫改質(zhì)裝置消耗純度為99.9%(體積分數(shù))的氫氣量為152 834 m3/h(1個標準大氣壓下),比設(shè)計所需耗氫量值138 981 m3/h(1個標準大氣壓下)高,才能滿足加氫改質(zhì)裝置滿負荷生產(chǎn)。加氫改質(zhì)裝置消耗氫氣量比設(shè)計值高,主要是由于加氫改質(zhì)反應(yīng)催化劑的活性逐漸降低引起的。從前面分析可知,合成氣制氫裝置生產(chǎn)負荷為45.4%,已能滿足公司內(nèi)部各裝置滿負荷生產(chǎn),實現(xiàn)氫氣系統(tǒng)平衡。焦氣化裝置生產(chǎn)的合成氣在改造為制氫產(chǎn)氫后,可以通過調(diào)整合成氣制氫產(chǎn)氫量來實現(xiàn)主裝置滿負荷平穩(wěn)生產(chǎn),避免了原來根據(jù)氫氣系統(tǒng)來頻繁調(diào)整加氫改質(zhì)裝置生產(chǎn)負荷的不利情況。氫氣系統(tǒng)優(yōu)化為公司的安穩(wěn)長滿優(yōu)生產(chǎn)奠定了堅實的基礎(chǔ)。另外,合成氣制氫富裕的負荷所生產(chǎn)的氫氣可以供園區(qū)其他用氫企業(yè),這有力地提高了公司的經(jīng)濟效益和市場競爭力。

表4 合成氣制氫后產(chǎn)氫裝置情況

表5 合成氣制氫后耗氫裝置情況

從表4和表5可知,合成氣改造為制氫裝置后不僅能滿足加氫改質(zhì)裝置滿負荷生產(chǎn)用氫需求,而且還能穩(wěn)定加氫改質(zhì)裝置安全生產(chǎn),不再需要對加氫改質(zhì)裝置生產(chǎn)負荷做頻繁的調(diào)整去平衡氫氣管網(wǎng)中的氫氣,這從根本上解決了氫氣不足的問題。在純度為99.9%(體積分數(shù))高純氫充足的情況下,還有兩點可以進一步優(yōu)化:(1)表5中耗氫裝置氫氣來源為93.8%(體積分數(shù))重整氫的改為高純氫,這有利于耗氫裝置加氫反應(yīng),延長加氫反應(yīng)催化劑的使用壽命,提高產(chǎn)品質(zhì)量,減少動力消耗等。重整氫全部進PSA產(chǎn)高純氫,PSA尾氣進燃料氣管網(wǎng),這避免了重整氫中的C1、C2和C3等組分在耗氫裝置壓縮循環(huán)再排放至燃料氣管網(wǎng)。(2)表6中異構(gòu)化尾氫純度達到85%(體積分數(shù))左右,異構(gòu)化尾氫排放量為2 704 m3/h(1個標準大氣壓下),壓力為0.8 MPa,該股富氫氣體可以進合成氣制氫裝置,充分回收利用其中的氫資源,避免直接進燃料氣管網(wǎng)燒掉造成氫資源的浪費。

表6 合成氣制氫后耗氫裝置產(chǎn)富氫氣體情況

3 優(yōu)化氫氣系統(tǒng)的措施

3.1 連續(xù)重整裝置高負荷運行

連續(xù)重整裝置以石腦油為原料,主要反應(yīng)是環(huán)烷烴脫氫生成芳烴,最大限度生產(chǎn)富含芳烴的汽油餾分,同時副產(chǎn)重整氫,液化石油氣、戊烷、C6餾分油、含硫燃料氣和酸性水等。連續(xù)重整裝置在生產(chǎn)高附加值芳烴的同時,大量副產(chǎn)純度93.8%(體積分數(shù))的重整氫氣,重整氫氣通過加工成本較低的PSA工序即可得到純度99.9%(體積分數(shù))的PSA氫氣。由于氫氣是連續(xù)重整裝置的副產(chǎn)品,因此連續(xù)重整裝置是煉廠中最經(jīng)濟的產(chǎn)氫裝置,另外連續(xù)重整裝置生產(chǎn)的氫氣是公司氫氣系統(tǒng)管網(wǎng)的主要來源。因此提高連續(xù)重整裝置生產(chǎn)運行負荷,是獲取氫資源最廉價的和最重要的手段。

3.2 回收煉廠富氫氣體

隨著煉廠耗氫裝置耗氫量越來越多,因此應(yīng)盡量回收富氫氣體,從而降低用氫成本,提高經(jīng)濟效益。利用PSA變壓吸附和膜分離技術(shù),充分回收利用煉廠富氫氣體,達到盡量減少消耗新鮮氫氣的目的。目前公司的富氫氣體主要有加氫改質(zhì)裝置低分氣、歧化尾氫、異構(gòu)化尾氫、石腦油加氫低分氣及PSA尾氫?；厥諢拸S富氫氣體通常采用的技術(shù)有PSA變壓吸附、膜分離和深冷分離等,這些技術(shù)各有特點,成熟且有競爭力[4]。加裂低分氣、歧化尾氫和異構(gòu)化尾氫具有很好的氫氣回收利用價值。根據(jù)氫氣純度和壓力等級,加裂低分氣和歧化尾氫進PSA裝置;異構(gòu)化尾氫進合成氣制氫裝置。這充分回收了富氫氣體,實現(xiàn)了氫氣資源的利用,避免了富氫氣體直排燃料氣系統(tǒng)和火炬系統(tǒng),造成氫資源浪費。

3.3 按氫氣純度和壓力分級利用

硫磺回收裝置和石腦油加氫裝置對新氫純度要求較低,可以通過實施高低純度氫氣分級利用,這可實現(xiàn)氫氣資源物盡其用。按照氫氣純度和壓力分級利用氫資源,既保證了裝置安穩(wěn)長生產(chǎn),又避免生產(chǎn)成本無謂增加[5]。大煉廠一般建設(shè)有高壓和低壓氫氣管網(wǎng)系統(tǒng),加氫裝置多。這對擁有不同壓力等級氫氣管網(wǎng)的大煉廠,具有十分重要的意義。

3.4 精細化管理

煉廠建設(shè)前期氫氣系統(tǒng)平衡的設(shè)計優(yōu)化,從制氫裝置原料的選取,富氫氣體的回收,廢氫氣體的排放,氫氣提濃裝置的選擇等方面做好全廠氫氣系統(tǒng)平衡的設(shè)計優(yōu)化。這對煉廠各裝置的穩(wěn)定運行和氫氣系統(tǒng)管網(wǎng)的平衡調(diào)整具有決定性的意義。煉廠氫氣系統(tǒng)管網(wǎng)平衡的優(yōu)化調(diào)整,應(yīng)基于催化劑壽命的生產(chǎn)計劃優(yōu)化,應(yīng)基于生產(chǎn)調(diào)度周期的氫氣平衡優(yōu)化,應(yīng)基于廢氫氣體排放的回收優(yōu)化[3]。因此利用PI系統(tǒng)建立全廠的氫氣實時數(shù)據(jù)監(jiān)控,對氫氣系統(tǒng)管網(wǎng)產(chǎn)氫裝置的產(chǎn)氫壓力、流量和耗氫裝置的耗氫壓力、流量進行實時監(jiān)控。同時結(jié)合實際生產(chǎn)運行情況,給氫氣管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置合理的報警值,一旦出現(xiàn)異常狀況能夠及時處理。這種對氫氣系統(tǒng)管網(wǎng)的精細化管理,能夠最大程度減少氫氣外排至燃料氣管網(wǎng)或火炬系統(tǒng)。

4 結(jié)論

以上分析表明,煉化企業(yè)氫氣系統(tǒng)的優(yōu)化利用和管理是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程。在連續(xù)重整裝置和加氫改質(zhì)裝置滿負荷生產(chǎn)的基礎(chǔ)上,在滿足氫氣平衡需要的原則下,優(yōu)化氫氣系統(tǒng)才具有意義。選擇并提高低成本氫源,回收利用煉廠富氫氣體中的氫氣,強化氫氣系統(tǒng)管網(wǎng)實時監(jiān)控管理是石油化工企業(yè)降低生產(chǎn)成本、提高綜合經(jīng)濟效益和提高市場競爭力的重要手段。利用膜分離和PSA變壓吸附技術(shù)充分回收煉廠富氫氣體中的氫氣,根據(jù)氫氣壓力和純度優(yōu)化分級利用氫氣資源,強化用氫監(jiān)控管理等手段,已經(jīng)成為煉廠效益持續(xù)增長的強有力方法。