柳能軍，戚元慶

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

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柴油質(zhì)量升級(jí)改造要點(diǎn)

柳能軍，戚元慶

(鎮(zhèn)海石化工程股份有限公司設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)的要求日益嚴(yán)格。根據(jù)國(guó)家環(huán)保部要求，2017年柴油質(zhì)量全國(guó)要執(zhí)行硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于10 μg/g的國(guó)Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn),很多煉油廠面臨著柴油質(zhì)量升級(jí)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(guó)Ⅲ升級(jí)到國(guó)Ⅴ質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),對(duì)所面臨的加氫裝置升級(jí)改造主要問題進(jìn)行了探討。從工藝技術(shù)選擇、催化劑及反應(yīng)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(jí)改造的要點(diǎn)。

加氫裝置；柴油；反應(yīng)器；國(guó)五排放標(biāo)準(zhǔn)改造

隨著中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速增長(zhǎng)，汽車工業(yè)得到了迅速發(fā)展，同時(shí)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(duì)此,各國(guó)政府相應(yīng)制定了嚴(yán)格的汽車排放標(biāo)準(zhǔn)，要求在改進(jìn)和提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和制造水平的同時(shí)，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(guó)家環(huán)保部要求，2017年柴油質(zhì)量全國(guó)要執(zhí)行硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于10 μg/g的國(guó)Ⅴ柴油標(biāo)準(zhǔn)，而原先執(zhí)行的國(guó)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(jí)到國(guó)五標(biāo)準(zhǔn)，在2015-2016年進(jìn)行了加氫裝置停工改造。

某廠的柴油加氫裝置設(shè)計(jì)規(guī)模300萬噸/年，操作彈性60%～100%，年操作時(shí)間8400小時(shí)。裝置原設(shè)計(jì)用于生產(chǎn)硫含量小于0.05%的國(guó)標(biāo)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(guó)三標(biāo)準(zhǔn)柴油。根據(jù)總部柴油質(zhì)量升級(jí)規(guī)劃安排，要求升級(jí)一次到位，使該裝置具備生產(chǎn)國(guó)Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)柴油的能力。

根據(jù)某廠加氫裝置的實(shí)際情況，擬通過增加第二反應(yīng)器對(duì)該裝置進(jìn)行適應(yīng)性改造，主要改造內(nèi)容是增加一個(gè)反應(yīng)器，保持氫油比不變、降低反應(yīng)空速，使裝置改造后具備生產(chǎn)國(guó) 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(yīng)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(jí)改造的要點(diǎn)。

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(jì)劃以化肥氫為主，不足部分采用煉油PSA管網(wǎng)氫補(bǔ)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(guó)Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)V標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)，預(yù)測(cè)的目的產(chǎn)品性質(zhì)見表4和表5。

表3　國(guó)Ⅴ柴油標(biāo)準(zhǔn)

表4　石腦油產(chǎn)品性質(zhì)預(yù)測(cè)

表5　柴油產(chǎn)品性質(zhì)預(yù)測(cè)

2　改造方案選擇要點(diǎn)

對(duì)于面臨柴油質(zhì)量升級(jí)改造的裝置，需根據(jù)具體實(shí)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(jì)效益最大化。

2.1工藝技術(shù)選擇

對(duì)于改造裝置，原加氫反應(yīng)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(dá)到國(guó)Ⅴ柴油質(zhì)量升級(jí)的目的。若反應(yīng)器壓力較低或空速較高，可適當(dāng)降低裝置處理量或串/并聯(lián)一臺(tái)反應(yīng)器，通過增加催化劑體積量補(bǔ)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(yīng)壓力等級(jí)為6.0MPa，從反應(yīng)器壓力方面來看宜增加一臺(tái)第二反應(yīng)器。

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

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

在現(xiàn)有裝置增加第二反應(yīng)器也是目前國(guó)際上進(jìn)行國(guó)Ⅴ柴油質(zhì)量升級(jí)的一個(gè)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(gè)反應(yīng)器完成。第一反應(yīng)器為高溫、高空速反應(yīng)區(qū)，在第一個(gè)反應(yīng)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(yīng)區(qū)為低溫、高空速反應(yīng)區(qū)，脫除了氮化物的原料在第二個(gè)反應(yīng)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(yīng)器工藝原理圖

2.2催化劑及反應(yīng)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(shí)現(xiàn)柴油超深度脫硫最經(jīng)濟(jì)的選擇。從歐美等國(guó)的煉油廠生產(chǎn)超低硫柴油的經(jīng)驗(yàn)來看，當(dāng)原來生產(chǎn)硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50 μg/g 柴油的加氫脫硫裝置用于生產(chǎn)硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10 μg/g柴油時(shí)，往往出現(xiàn)運(yùn)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(zhǎng)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(yīng)用的國(guó)外催化劑。

加氫反應(yīng)器的性能不僅取決于所裝填的催化劑，也取決于反應(yīng)器內(nèi)部構(gòu)件的設(shè)計(jì)。理想的反應(yīng)器內(nèi)件應(yīng)夠消除流體不良徑向分布、使徑向溫差做到最小；使冷氫快速混合均勻；結(jié)構(gòu)扁平。特別是對(duì)于生產(chǎn)國(guó)Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)的柴油加氫裝置，反應(yīng)器內(nèi)件性能好壞對(duì)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(guó)外引進(jìn)先進(jìn)的反應(yīng)器內(nèi)件，由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(yīng)器有更多的空間裝填催化劑，以達(dá)到反應(yīng)所要求的空速條件。

2.3反應(yīng)操作條件及裝置系統(tǒng)瓶頸核算

2.3.1反應(yīng)操作條件

表6　反應(yīng)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(yīng)溫度/℃341386化學(xué)氫耗/wt%0.90.84反應(yīng)器入口氫油比/(Nm3/m3)300

2.3.2反應(yīng)系統(tǒng)瓶頸核算

(1)反應(yīng)器

更換加氫精制反應(yīng)器R2101內(nèi)件和催化劑，催化劑采用密相裝填。

新增反應(yīng)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(gè)反應(yīng)器后的裝置總反應(yīng)空速為1.14 h-1。

(2)循環(huán)氫壓縮機(jī)

原循環(huán)氫壓縮機(jī)C2101的額定排量為145000 Nm3/h，進(jìn)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(dòng)，汽輪機(jī)采用空冷器凝水。

此次升級(jí)改造需要的排氣量及壓縮機(jī)廠家對(duì)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(jì)增加0.35MPa，即總壓差為1.55MPa(見表8)，已接近壓縮機(jī)的最大設(shè)計(jì)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(jī)的設(shè)計(jì)負(fù)荷，裝置需要降低負(fù)荷10%～20%，才可以保證壓縮機(jī)正常操作。

表8　操作初期反應(yīng)系統(tǒng)壓降核算

綜上所述，盡管循環(huán)氫壓縮機(jī)能夠滿足操作初期100%負(fù)荷工況下的需要，但是在反應(yīng)中、后期無法滿足。若更換循環(huán)氫壓縮機(jī)和汽輪機(jī)，需要對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行補(bǔ)樁，但是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況缺乏工程施工的可行性。但是可考慮在汽輪機(jī)基本不變的前提下更換壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子部件，以期將壓縮機(jī)能力提高到最大水平。離心機(jī)廠家經(jīng)過核算建議更換轉(zhuǎn)子及定子(含機(jī)殼)，改造后的壓縮機(jī)出口壓力可以達(dá)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(jī)僅需較少內(nèi)容的適應(yīng)性改造，主要是轉(zhuǎn)子和導(dǎo)葉等改造。

表9　新舊機(jī)型的參數(shù)對(duì)比表

(3)反應(yīng)換熱器

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

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

表10　反應(yīng)流出物/混合進(jìn)料換熱器熱負(fù)荷變化對(duì)比表

反應(yīng)換熱器改造方案為：一反后增加一臺(tái)反應(yīng)流出物/分餾塔底重沸爐進(jìn)料換熱器E2110，型號(hào)DIU1600-6.5-914-6/19-2。原反應(yīng)流出物/混合進(jìn)料換熱器E2101A～D利舊，改變用途，移至二反出口，作為二反反應(yīng)流出物/混合進(jìn)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(tái)，型號(hào)BIU1000-5.8/7.2-168-4/25-2，熱高分氣空冷器4臺(tái)，管束型號(hào)P10.5×2.5-6-180-6.4S-23.4/DR-II。

由于反應(yīng)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(jì)增加較多，熱高分氣的冷卻負(fù)荷相應(yīng)增加。改造方案：熱高分/混合氫換熱器(E2102)更新放大，采用兩臺(tái)串聯(lián)(E2102AB)。熱高分器空冷器四臺(tái)全部更新放大，同時(shí)可以解決目前操作中存在夏天冷卻不到設(shè)計(jì)溫度的問題。熱高分器空冷器采用10.5×3-8-301型號(hào)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(fù)荷變化對(duì)比表

(5)循環(huán)氫脫硫系統(tǒng)

生產(chǎn)國(guó)V柴油對(duì)循環(huán)氫中的H2S含量有一定要求。供應(yīng)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(dá)到50 vppm，基本能滿足要求。

(6)新氫壓縮機(jī)

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(jī)壓縮后補(bǔ)充。

根據(jù)供應(yīng)商提供的裝置的化學(xué)氫耗，計(jì)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(jī)C2102A、B的額定排量能滿足改造后工況需求。

(7)加氫進(jìn)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(jì)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(yīng)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(yīng)器測(cè)溫?zé)犭娕?、反?yīng)器壓力遠(yuǎn)傳和壓差遠(yuǎn)傳、換熱器的壓力遠(yuǎn)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(jì)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(dāng)石腦油產(chǎn)乙烯料時(shí)，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(duì)P2104AB進(jìn)行更新放大。

改造后分餾塔頂冷卻負(fù)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(fù)荷變化對(duì)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(dāng)石腦油產(chǎn)乙烯料時(shí)，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(jì)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(yīng)部分

圖2　反應(yīng)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(shí)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(jí)時(shí)間表，國(guó)內(nèi)煉油廠面臨著柴油國(guó)Ⅴ質(zhì)量升級(jí)的巨大挑戰(zhàn)。柴油裝置的升級(jí)改造必須從本裝置的特點(diǎn)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(yīng)器內(nèi)件也相當(dāng)關(guān)鍵。

(3)消除反應(yīng)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(guó)Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)柴油時(shí)，反應(yīng)熱較大，熱平衡的核算是重點(diǎn)。

(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(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB 19147-2013 車用柴油(Ⅴ) [S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2013:2-5．

[2]劉瑞萍,辛若凱,王國(guó)旗,等.柴油國(guó)Ⅴ質(zhì)量升級(jí)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(xué)生物化工專業(yè)，工學(xué)碩士，工程師，主要從事石油化工工程設(shè)計(jì)。

TE624

B

1001-9677(2016)011-0200-05