張凱鵬

(洛陽(yáng)石化工程設(shè)計(jì)有限公司 ， 河南 洛陽(yáng) 471012)

氫氣是一種寶貴而又潔凈的能量資源，在石化行業(yè)中，它既是石油煉制和石油化工的副產(chǎn)品，又是石油煉制和石油化工加氫工藝的重要原料。近年來(lái)，隨著原油資源儲(chǔ)量的日益減少，原油的高硫化、酸質(zhì)化現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重，我國(guó)煉油企業(yè)通過(guò)不斷進(jìn)行技術(shù)升級(jí)和結(jié)構(gòu)調(diào)整改造以適應(yīng)原油劣質(zhì)化的現(xiàn)狀。為了降低汽車尾氣中的SO2、NOx、CO等有害物質(zhì)的含量，車用汽油、柴油中的硫、烯烴、芳烴含量等指標(biāo)控制越來(lái)越嚴(yán)格。深度加氫工藝是油品實(shí)現(xiàn)脫硫、烯烴飽和、降低芳烴含量、滿足國(guó)家新標(biāo)準(zhǔn)的有效手段。隨著加氫工藝日益廣泛的應(yīng)用，對(duì)氫氣的需求也迅速增加。氫氣已成為煉油企業(yè)提高輕油收率、改善產(chǎn)品質(zhì)量不可缺少的基本原料，氫氣成本已經(jīng)是煉廠原料成本中僅次于原油的第二位成本要素。氫源已經(jīng)成為制約煉油工業(yè)生存發(fā)展的瓶頸，提高氫氣利用率日益重要。本文主要是對(duì)煉廠產(chǎn)氫耗氫裝置和氫氣資源現(xiàn)狀進(jìn)行分析，通過(guò)氫氣資源優(yōu)化利用，挖掘廉價(jià)氫源，降低氫氣成本，對(duì)煉廠氣中的氫氣進(jìn)行回收意義重大，對(duì)于提高煉廠的經(jīng)濟(jì)效益尤為重要。

1 全廠氫氣資源情況及優(yōu)化思路

1.1 主要產(chǎn)氫耗氫裝置

中國(guó)石油化工股份有限公司洛陽(yáng)石化公司(以下簡(jiǎn)稱洛陽(yáng)石化)主要耗氫裝置有260萬(wàn)t/a柴油加氫裝置、220萬(wàn)t/a蠟油加氫裝置、80萬(wàn)t/a催柴加氫裝置、150萬(wàn)t/a S-Zorb裝置、80萬(wàn)t/a航煤加氫裝置。產(chǎn)氫裝置主要有70萬(wàn)t/a 1#連續(xù)重整裝置、4萬(wàn)Nm3/h制氫裝置、芳烴PSA裝置。其中70萬(wàn)t/a 1#連續(xù)重整裝置產(chǎn)氫量43 000 Nm3/h，4萬(wàn)Nm3/h制氫裝置因轉(zhuǎn)化爐能耗高裝置處于停工狀態(tài)，芳烴PSA裝置產(chǎn)氫量約3 000 Nm3/h，氫氣缺口靠外購(gòu)氫的氫氣管網(wǎng)補(bǔ)足。優(yōu)化前全廠氫氣平衡情況見(jiàn)表1。

1.2 氫氣資源優(yōu)化的思路

依據(jù)目前洛陽(yáng)石化的生產(chǎn)情況，需外購(gòu)濟(jì)源氫15 000～20 000 Nm3/h，才能滿足全廠氫氣平衡。隨著加工原油性質(zhì)變差，以及油品質(zhì)量的升級(jí)，全廠對(duì)氫氣的需求還將進(jìn)一步增加。1#重整裝置設(shè)計(jì)處理量為87.5 t/h，目前處理量維持在93 t/h，產(chǎn)氫能力受原料影響較大。在全廠加工高硫油期間，重整進(jìn)料中的環(huán)烷烴為28%～32%，餾程67～175 ℃，產(chǎn)氫量為39 000～42 000 Nm3/h。在全廠加工低硫油期間，重整進(jìn)料中的環(huán)烷烴為35%～39%，餾程為69～175 ℃，產(chǎn)氫量為44 000～46 000 Nm3/h，綜合產(chǎn)氫能力約43 000 Nm3/h，而因預(yù)處理單元與重整單元長(zhǎng)期超過(guò)設(shè)計(jì)負(fù)荷，導(dǎo)致部分設(shè)備卡邊操作，處理量已到極限，因此在原料性質(zhì)不變的情況下，產(chǎn)氫量已無(wú)空間。芳烴PSA正常運(yùn)行，但因氫氣壓縮機(jī)出口壓力低，制約了氫氣的產(chǎn)量。并且經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，洛陽(yáng)石化各類加氫裝置所產(chǎn)生的低分氣等含氫氣含量較高的富氫氣體沒(méi)有進(jìn)行回收，直接并入瓦斯管網(wǎng)中作為瓦斯燒掉，存在一定的資源浪費(fèi)。通過(guò)優(yōu)化芳烴PSA氫管網(wǎng)壓力及增設(shè)富氫氣體回收設(shè)施能夠增產(chǎn)氫氣，減少外購(gòu)氫氣量，達(dá)到降低生產(chǎn)成本，增加經(jīng)濟(jì)效益的目的。

表1 優(yōu)化前全廠氫氣平衡情況

------------------------------

2 氫氣資源的優(yōu)化

2.1 提高芳烴PSA的氫氣產(chǎn)量

芳烴PSA原料氣為1#催化裂化裝置和2#催化裂化裝置脫硫后的催化干氣，目前因芳烴PSA的氫氣壓縮機(jī)因機(jī)組原因出口壓力較低，而全廠氫氣管網(wǎng)壓力為3.5 MPa，故產(chǎn)品氫并網(wǎng)困難，制約了氫氣產(chǎn)量。通過(guò)對(duì)芳烴聯(lián)合裝置氫氣流程的優(yōu)化，為芳烴PSA裝置尋找部分低壓氫氣用戶，降低芳烴PSA裝置內(nèi)氫管網(wǎng)壓力至3.0 MPa，保證PSA裝置各機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，為提高裝置負(fù)荷創(chuàng)造條件。改造后芳烴PSA裝置催化原料氣處理量由原來(lái)的8 000Nm3/h提高至12 000 Nm3/h，能夠多回收氫氣約1 300 Nm3/h，提高了芳烴PSA裝置的效益。

2.2 富氫氣體氫氣回收

2.2.1富氫氣體排查

洛陽(yáng)石化各加氫裝置所產(chǎn)干氣種類20余種，通過(guò)排查篩選富氫氣體(氫氣體積分?jǐn)?shù)50%以上)，全廠富氫氣體組成和主要參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 全廠富氫氣體組成和主要參數(shù)

由表2可見(jiàn)，洛陽(yáng)石化全廠各加氫裝置產(chǎn)出約11 400 Nm3/h富氫氣體，通過(guò)對(duì)這些富氫氣體加以回收提純其中的氫氣，既能將廉價(jià)的瓦斯氣轉(zhuǎn)化為價(jià)值較高的氫氣，提高石油利用率，增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益；又能夠減少瓦斯氣中的氫氣，可增加瓦斯氣的燃燒熱值，提高瓦斯管網(wǎng)的穩(wěn)定性和加熱爐系統(tǒng)的安全性。

2.2.2氫提純工藝介紹

氫氣提純的主要工藝有：膜分離、變壓吸附等。其工藝技術(shù)的特性各不相同。在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，選擇合適的氫提純法，不僅要考慮裝置的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)也要考慮工藝的靈活性、可靠性、擴(kuò)大裝置能力的難易程度、尾氣回收價(jià)值等。

2.2.2.1膜分離技術(shù)

膜分離技術(shù)是近十幾年來(lái)發(fā)展較快的一種新的氣體分離方法。膜分離方法利用不同氣體組分在膜材料中滲透速率的差異實(shí)現(xiàn)分離，滲透率較高的氣體在膜的滲透?jìng)?cè)富集，而滲透速率較低的氣體則在滲余側(cè)富集。與有機(jī)蒸氣膜分離不同，氫氣膜分離技術(shù)的膜材料對(duì)氫氣選擇性較大，氫氣在膜材料中滲透速率較大，而分子較大的氮?dú)狻⒓淄?、輕烴等分子透過(guò)速率較慢。

該工藝的缺點(diǎn)是膜組件對(duì)原料預(yù)處理要求比較嚴(yán)格，對(duì)機(jī)械雜質(zhì)、胺液、烴類凝液比較敏感，如果預(yù)處理效果不好直接影響膜壽命。比較適合成分相對(duì)穩(wěn)定的原料氣的處理，對(duì)于煉油廠各裝置的混合氣，其成分復(fù)雜，對(duì)膜壽命有較大影響，膜的回收效率也會(huì)隨著運(yùn)行周期的延長(zhǎng)而降低。

2.2.2.2變壓吸附技術(shù)(PSA)

變壓吸附的基本原理是利用吸附劑對(duì)不同氣體的吸附能力、吸附力、吸附量隨壓力的不同而不同的性質(zhì)。對(duì)被分離的氣體混合物的各組分有選擇吸附的特性來(lái)提純氫氣。雜質(zhì)在高壓下被吸附劑吸附，使得吸附容量極小的氫得以提純，然后雜質(zhì)在低壓下脫附，使吸附劑獲得再生。多塔流程的變壓吸附操作可以獲得高氫氣純度，PSA工業(yè)裝置通常用4～12個(gè)吸附器，可以生產(chǎn)純度為99%～99.999%的氫氣。變壓吸附尾氣通常作為燃料氣使用，但其壓力為常壓，需要額外的壓縮設(shè)備將尾氣增壓后排入瓦斯管網(wǎng)。該工藝技術(shù)成熟，投資少，能耗低，在煉廠中得到廣泛應(yīng)用。

2.2.3利用閑置的制氫裝置PSA單元部分回收富氫氣體

洛陽(yáng)石化制氫裝置設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為4×104Nm3/h工業(yè)氫，年開(kāi)工時(shí)數(shù)為8 400 h，相當(dāng)于產(chǎn)純氫3.02×104t/a。裝置采用烴類水蒸氣轉(zhuǎn)化法造氣和變壓吸附氫氣提純工藝，裝置由原料加氫脫硫、水蒸氣轉(zhuǎn)化、中溫變換、PSA氫氣提純及余熱回收系統(tǒng)五部分組成。裝置原料為加氫干氣、焦化干氣、芳烴氣體，干氣供給量不足時(shí)以罐區(qū)提供的石腦油為補(bǔ)充原料，產(chǎn)品為純度99.9%的工業(yè)氫氣。PSA單元原設(shè)計(jì)為輕烴轉(zhuǎn)化制氫裝置配套設(shè)施，由10臺(tái)吸附塔、4臺(tái)緩沖罐組成。采用10-2-4 PSA工藝流程。其吸附和再生工藝過(guò)程由吸附、連續(xù)4次均壓降壓、順?lè)?、沖洗、連續(xù)4次均壓升壓和產(chǎn)品最終升壓等步驟組成。為了發(fā)揮制氫裝置PSA單元的潛力，可通過(guò)調(diào)整吸附劑的配比和對(duì)已有的工藝流程進(jìn)行改造，使富氫氣體進(jìn)入PSA單元進(jìn)行提純回收氫氣。

2.2.4富氫氣體回收工藝流程優(yōu)化

將來(lái)自各加氫裝置的原料富氫氣體利用蠟油加氫裝置現(xiàn)有的脫硫塔T5105進(jìn)行統(tǒng)一脫硫，脫硫后富氫氣體經(jīng)制氫裝置原料氣壓縮機(jī)C6101A/B從0.6 MPa升壓至2.4 MPa，進(jìn)入制氫裝置原有中變冷卻系統(tǒng)；利用中變系統(tǒng)空冷A6101和水冷器E6107冷卻至40 ℃左右，經(jīng)分水罐V6105分水后，再進(jìn)行聚結(jié)器分離液滴后；進(jìn)入PSA單元預(yù)處理罐，處理后的氣體再進(jìn)入氫氣提純吸附塔提純氫氣，PSA的解吸氣經(jīng)壓縮機(jī)升壓后送至瓦斯管網(wǎng)。

根據(jù)混合原料富氫氣體的性質(zhì)，將吸附塔內(nèi)吸附劑更換為能夠有效脫除原料富氫氣體中雜質(zhì)的吸附劑。經(jīng)計(jì)算確定吸附流程采用10-2-4變壓吸附工藝技術(shù)，逆放和沖洗時(shí)間更長(zhǎng)，使得吸附劑的吸附和再生效果更好；同時(shí)，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)控制參數(shù)和操作時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，提高氫氣回收率，達(dá)到回收富氫氣體的目的。

2.2.5富氫氣體回收效果

通過(guò)富氫氣體氫氣資源優(yōu)化回收利用，4×104Nm3/h制氫裝置可回收富氫氣體11 400 Nm3/h，氫氣回收率約為77%，能夠回收氫氣6 200 Nm3/h(純度≥99%)，解吸氣5 200 Nm3/h。優(yōu)化后全廠氫氣資源平衡見(jiàn)表3。

表3 優(yōu)化后全廠氫氣資源平衡表

3 結(jié)語(yǔ)

①通過(guò)優(yōu)化芳烴PSA氫管網(wǎng)壓力，改造后芳烴PSA裝置處理量由原來(lái)的8 000 Nm3/h提高至12 000 Nm3/h，能夠多回收氫氣約1 300 Nm3/h；②挖掘現(xiàn)有裝置潛力，依托現(xiàn)有設(shè)施，并對(duì)已有部分裝置進(jìn)行合理的流程改造，實(shí)現(xiàn)了對(duì)全廠富氫氣體的回收利用，能夠回收氫氣6 200 Nm3/h(純度≥99%)，減少外購(gòu)氫7 500 Nm3/h；③氫氣資源優(yōu)化利用充分，提高石油產(chǎn)品利用率，提高煉廠經(jīng)濟(jì)效益。按照2019年2月外購(gòu)氫氣到廠價(jià)格1.15元/Nm3計(jì)算，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，全年可減少外購(gòu)氫費(fèi)用為9 000余萬(wàn)元，實(shí)現(xiàn)洛陽(yáng)石化降本增效的目標(biāo)。