大型逆流連續(xù)重整技術開發(fā)及工業(yè)應用

王 婷

(中國石化工程建設有限公司，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氫氣的重要來源[1-2]。21世紀連續(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%采用引進技術,對國外技術依賴度高,其中規(guī)模2.0 Mt/a以上的全部采用國外專利技術。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)重整成套技術是“加快建設科技強國,實現(xiàn)高水平科技自立自強”的迫切要求。

1998年中國石化工程建設有限公司(簡稱SEI)前身中國石化北京設計院提出“逆流”連續(xù)重整新理念,與中石化石油化工科學研究院有限公司、清華大學、中國石油大學等多家單位聯(lián)合攻關,歷經(jīng)二十余年,形成逆流連續(xù)重整成套技術[3]。連續(xù)重整反應物料從第一反應器(簡稱一反)流向第四反應器(簡稱四反),反應難度逐漸增加;采用傳統(tǒng)技術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。該技術發(fā)明了催化劑與反應物料在反應器間逆向流動新工藝,這種催化劑的循環(huán)使得較難進行的反應利用較高活性的催化劑,容易進行的反應利用相對低活性的催化劑,從而解決了催化劑活性狀態(tài)與反應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)運行至今,反應高效,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)濟效益[3-4]。之后,進行了持續(xù)的技術改進,先后成功投產(chǎn)了2套1.0 Mt/a逆流連續(xù)重整裝置。

未來一定時期內(nèi),隨著頁巖氣利用技術、乙烯原料替代技術的開發(fā)以及全球經(jīng)濟形勢的變化,石腦油供應量相對增加,必將為連續(xù)重整等石腦油加工利用技術帶來新的發(fā)展機遇。從裝置規(guī)?？?為了提高裝置運行的經(jīng)濟效益,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,對反應器、加熱爐的結構設計,平面布置及大型管線應力設計,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、關鍵大型裝備、平面布置及管道應力等方面闡述大型逆流連續(xù)重整技術的開發(fā)及工業(yè)應用,為超大規(guī)模逆流連續(xù)重整技術工程化研究提供參考。

1 工藝流程升級開發(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)氣體獨立為兩個循環(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?？紤]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,通過設置空氣壓縮機,將氧氯化區(qū)氣體進行循環(huán)利用,大幅減少了外排再生廢氣量。

1.2 壓縮機級間流程

在催化重整裝置中,重整產(chǎn)氫氣需要經(jīng)增壓機增壓后,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。重整氫增壓機入口及級間分液罐罐底液體輸送的不同方案選擇會影響壓縮機、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。

針對某2.6 Mt/a連續(xù)重整裝置,對增壓機級間流程進行優(yōu)化。原有設計為重整氫增壓機入口及級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,分別設置重整氫增壓機入口分液罐罐底泵和重整氫增壓機級間分液罐罐底泵,兩級增壓機入口分液罐罐底的液相不再返回重整產(chǎn)物分離罐,而是分別通過兩臺罐底泵輸送到脫戊烷塔進料脫氯罐入口,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,固定投資費用增加60萬元,但每年減少操作費用47.1萬元,一年半可回收投資,經(jīng)濟上更為合理。

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)化效果對比

2 再生控制技術升級

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

催化劑再生黑白燒轉換時,存在氧氯化區(qū)及冷卻干燥區(qū)空氣和氮氣的瞬間切換。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,造成緊急停車。為了解決這一問題,創(chuàng)新開發(fā)一鍵無擾動黑燒轉白燒控制技術,使氧氯化區(qū)、干燥冷卻區(qū)的進氣及排氣管線上9個聯(lián)鎖閥、控制閥自動配合執(zhí)行相應動作,實現(xiàn)黑燒轉白燒參數(shù)智能切換功能和黑燒模式自動判斷開啟功能,優(yōu)化后的控制可實現(xiàn)黑白燒智能判斷、自動切換、平穩(wěn)過渡,避免操作參數(shù)波動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)能技術開發(fā)

3.1 重整-芳烴熱能耦合利用節(jié)能新技術

首次采用芳烴聯(lián)合裝置低溫熱回收產(chǎn)生的0.5 MPa的低低壓蒸汽直接驅(qū)動超大功率重整氫氣壓縮機組,實現(xiàn)機組長周期安全平穩(wěn)運行,解決了大型重整-芳烴聯(lián)合裝置低溫熱耦合回收高效利用問題。

本裝置核心設備重整循環(huán)氫壓縮機K-201及重整氫增壓機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。為了提高機組效率及運行安全性,放棄同類型常規(guī)進汽汽輪機采用噴嘴配汽的方案。通過汽輪機的經(jīng)濟性和安全性兩方面研究,汽輪機采用全周節(jié)流配汽的方式,汽輪機通流葉片采用AIBT通流優(yōu)化技術,采用全新的3D彎扭葉片,使得在高負荷時有較高的通流效率,同時低負荷時可以大幅度提高機組的安全性。

2.6 Mt/a連續(xù)重整及0.8 Mt/a對二甲苯裝置應用節(jié)能減碳技術效果顯著: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)約碳排放費用1 140萬元。

3.2 集成應用原料預處理“二塔合一”等節(jié)能技術,實現(xiàn)大幅節(jié)能降碳

集成多項節(jié)能技術實現(xiàn)裝置節(jié)能減排,具體包括:

(1)原料預處理部分流程研究。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)重整反應進出料換熱器“夾點”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,同時起到冷卻反應產(chǎn)物和加熱反應進料的作用,換熱越充分(即其熱端溫差和冷端溫差低),則進料加熱爐的熱負荷將越小,冷卻反應產(chǎn)物空冷器的熱負荷也將越小。通過對重整進料換熱器工藝設計采用“夾點”研究,選擇適宜“夾點”,實現(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備,也是能耗最大的設備[9]。重整反應爐(F201/202)和中間加熱爐(F203/204)對流段設置余熱鍋爐,用于發(fā)生3.7 MPa蒸汽。從對流室余熱鍋爐出來的煙氣進入煙氣余熱回收系統(tǒng)進一步回收熱量,使加熱爐的設計熱效率達到95%以上。加熱爐熱量回收流程示意見圖3。應用于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)約燃料氣費用2 241萬元,減少CO2排放15 kt。

圖3 重整反應爐和中間加熱爐熱量回收示意

4 關鍵大型裝備開發(fā)

4.1 反應器

重整反應器底部封頭通常為橢圓形、蝶形,均存在催化劑死區(qū)或流動緩慢區(qū)域,是催化劑結焦的主要原因。催化劑結焦嚴重時會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)定運行。另外,不斷生成的焦塊碳含量遠遠超出設計值,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,減少反應器內(nèi)催化劑流動緩慢區(qū)域體積成為優(yōu)化方向。創(chuàng)新性地提出錐形封頭結構,錐形封頭半頂角與催化劑自流角度一致,結合新穎的、更便于現(xiàn)場安裝的內(nèi)件支撐結構,實現(xiàn)催化劑零死區(qū)。

研發(fā)過程中,對橢圓封頭和錐形封頭結構從催化劑流動、受力情況、強度計算、制造難度、內(nèi)件安裝等多方面進行了詳細的對比。針對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狀態(tài)、減少了催化劑在封頭內(nèi)的死區(qū),降低了結焦的風險。錐形封頭受力情況雖略遜于橢圓封頭,但采用應力分析等手段對反應器進行結構研究(見圖4),保障結構本質(zhì)安全。

圖4 重整反應器底部結構應力分析示意

在長期高溫操作條件下,由于生產(chǎn)波動或催化劑結焦,扇形筒、中心管內(nèi)件損壞的案例時有發(fā)生,裝置大型化后,內(nèi)件結構設計是否合理成為裝置能否穩(wěn)定運行的關鍵。2.6 Mt/a逆流連續(xù)重整裝置反應器內(nèi)件設計結合實際工程案例[10-11],優(yōu)化扇形筒結構,提高其整體強度,延長內(nèi)構件的使用壽命;根據(jù)機械強度和穩(wěn)定性計算,增大篩條和支撐桿間的結合力;制造時控制焊接條形篩網(wǎng)的分段長度,優(yōu)化制造工藝。

4.2 加熱爐

重整反應爐為純輻射箱式爐,工藝介質(zhì)僅在輻射室加熱,對流室的主要功能是回收高溫煙氣余熱。

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備模塊制造、運輸?shù)囊?。為滿足工藝過程的需要,大型重整反應爐設計為2臺雙輻射室單對流室并聯(lián)爐型,4個輻射室內(nèi)分別布置∩形輻射盤管以加熱工藝物料,每組∩形輻射盤管通過進出口集合管與4臺反應器一一對應。每個輻射室可獨立精準調(diào)節(jié)燃燒供熱,以滿足工藝過程的需要。經(jīng)ANSYS軟件分析,并結合爐底設置熱風道的實際情況,確定采用大半徑的∩形輻射盤管結構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展能力,對于更大規(guī)模裝置具有良好的適應性。

通過在∩形管排入口側、出口側,出口側兩側燃燒器處設置的爐管壁溫熱電偶對管壁溫度進行監(jiān)測。將現(xiàn)場實際運行數(shù)據(jù)與理論計算壁溫進行對比,趨勢溫度和結果數(shù)值基本一致,驗證了工藝介質(zhì)在輻射爐管流量分配均勻。工業(yè)應用結果表明,加熱爐運行良好。

4.3 設備布置及應力優(yōu)化

針對裝置大型化布置特點,對進出加熱爐、進出反應器的高溫管道,進出汽輪機的蒸汽管道,進出離心壓縮機、往復式壓縮機的工藝管道布置需特別考慮管道柔性因素;反應爐與反應框架相對位置關系及反應-再生框架的規(guī)劃著重考慮重要管道應力計算結果進行合理布置;管道設計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設備、法蘭以及固定架的作用力和力矩,從而降低大型化風險。

本裝置轉油線公稱直徑為1 300 mm,尺寸較大,重整反應進料爐集合管與轉油線進行聯(lián)合優(yōu)化設計,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力水平,同時較大幅度改善了反應器的受力狀況,提高了重整反應器、重整反應爐的運行安全性。圖5為爐管集合管偏裝安裝現(xiàn)場,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

5 工業(yè)應用

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,催化劑采用中石化石油化工科學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,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白燒過程,再生催化劑性能良好,標志著裝置進入正常生產(chǎn)階段。

裝置進行了72 h的性能全面標定,標定結果見表2。從表2可以看出:生成油的研究法辛烷值(RON)達到設計值,重整產(chǎn)物C5+液體收率、重整純氫產(chǎn)率均優(yōu)于設計值;逆流連續(xù)重整達到了預期的效果,PS-Ⅵ催化劑用于本裝置的反應性能良好,滿足設計和生產(chǎn)的要求。標定期間催化劑提升流暢、循環(huán)量調(diào)節(jié)方便,運行平穩(wěn)。催化劑粉塵量為3 kg/d,優(yōu)于設計值。標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。標定期間各設備運行情況良好。“四合一”重整反應爐的過剩氧體積分數(shù)平均為2.3%,排煙溫度為93.4 ℃,加熱爐平均熱效率達95%。

表2 標定結果

6 結 論

2.6 Mt/a逆流連續(xù)重整裝置的工業(yè)應用結果表明,逆流連續(xù)重整技術在工藝流程、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)重整技術大型化開發(fā)越來越受到重視。對以上技術的優(yōu)化總結為超大規(guī)模的裝置建設提供了思路。