柴油加氢装置石脑油直供重整工艺技术应用

周海峰，王贤山，杨金生，孙向文

(正和集团股份有限公司，山东 东营 257342)

华贲教授提出的能量结构三环节理论，是关于合理用能的科学总结，其在能量利用环节中指出“能量综合利用不仅应在独立装置中开展，还应在装置与装置间展开，在技术条件许可的情况下，进行最大程度的能量综合利用(热出料、直供料及低温热利用等)”。

在炼油化工过程的工艺核心部分，能量主要都是通过热和机械功两种形式传给物流而被利用的，并且热量占绝大部分。但是炼油、化工厂从外界获得供给的能源一般总是含有化学能的燃料和点，少数有外供蒸汽。因此，能量的转换和传输是各种工艺过程用能的一个共同的不可或缺的环节，它主要包括将化学能转变为热量的各种炉子和将电能或工质的内能转变为机械功及物流的水力能的各种机泵。

炼油和大部分化工过程的另一个重要特点是工艺物料多为传热性能很好的流体，主要工艺多为热过程，所需要的热量分布的温度范围很广。这就使主要工艺过程完成后物流携出的能量有可能得到最大限度的回收重复利用，从而大大减少需要供入的能量。

1 装置间直供料

1.1 技术原理

装置单元间的热联合是炼油厂热量回收利用的一项重要措施，装置间热联合打破以往装置用能自成体系的局面，打破装置界限，在多个装置间进行冷热流的优化匹配，在全公司范围内进行冷热流的优化匹配，避免“高能低用”造成能量损失和改变此处冷却而在另一处加热的充分换热的不合理局面，达到能量多次利用，节省燃料和冷却水，提高换热深度，减少冷却负荷，降低水耗。

热进料是指中间产品出装置前不经冷却，直接进入下游加工装置，减少冷却与加热的过程，节能效果显著，如常减压蒸馏装置热渣油直接供催化装置，催化柴油直接供加氢装置等。主要包括将化学能转变为热量的各种炉子和将电能或工质的内能转变为机械功及物流的水力能的各种机泵。炼油和大部分化工过程的另一个重要特点是工艺物料多为传热性能很好的流体，主要工艺多为热过程，所需要的热量分布的温度范围很广。这就使主要工艺过程完成后物流携出的能量有可能得到最大限度的回收重复利用，从而大大减少需要供入的能量。

1.2 直供料装置情况

某公司新建连续重整装置，配套建设柴油加氢改质装置。按照能量三环节理论分析，装置间存在着较大的节能潜力。目前运行状态下，连续重整装置原料为常减压装置直馏石脑油和柴油加氢改质装置石脑油，加氢石脑油的硫含量、氮含量和有害金属含量较直馏石脑油低得多，已经接近重整进料标准，如果加氢石脑油的产品质量能够达到重整进料标准，这部分原料就能够避开重整原料预处理系统，直接进入重整系统，从而降低原料预处理的能耗，并延长催化剂的使用寿命。

柴油加氢装置石脑油(馏分油加氢石脑油)外送至重整装置时，一般外送至重整预加氢单元石脑油罐，与其余种类石脑油(比如常压减压装置来的直馏石脑油、自焦化汽柴油加氢来的焦化石脑油)一起进行再进行加氢精制、汽提、从而给重整单元提供合格的原料；该工艺流程较长，能耗较高，但是柴油加氢装置石脑油质量品质较高，而自常减压装置来的直馏石脑油、自焦化汽柴油加氢来的焦化石脑油品质较低，三种石脑油混合后，需要经过换热流程及预加氢进料加热炉、预加氢反应器等流程进行处理，使高品质的柴油加氢装置石脑油重新走了一遍加氢处理流程，从而使能耗增加，操作工艺难度增加，安全隐患增加。

随着设备可靠程度的提高、仪表控制水平的提高，加氢改质装置所产石脑油完全可以与连续重整装置实现直供料，在满足工艺装置生产安全性的同时，不再进储罐区中转，可有效减少罐区轻烃组分的挥发损耗和周转过程的热量损失。因此，重整装置与其上游装置为实现直供料，储运的处理量大为降低，装置直接实现了高度的热集成，同时还可降低挥发损失，节能效果十分明显。

2 国内外技术现状

2.1 国外技术现状

炼油和化工行业既是生产能源和基础原材料的工艺，又是高能耗工业。在国际市场上，美国能源部正在通过“2020年梦想计划”推进能源节约，由公司、政府部门、大学和专业组织组成联合体共同开发一些技术，例如包括陶氏化学、普莱克斯、休斯敦大学和科克-格律希公司组成的集团开发的成果，起到了非常良好的节能效果。近年来，日益严格的环境保护要求生产的柴油硫含量越来越低，2001年欧洲要求生成硫含量≤350 μg/g的低硫柴油，2005年要求硫的含量≤50 μg/g，2009年要求硫含量≤10 μg/g的超低硫柴油，同时对十六烷值、芳烃等提出了新的要求，由于不同的国家、地区的不同要求，各国公司分别开发了自己的技术，如美国开发了Albemarle公司开发了一段和两段工艺、美国UOP公司开发了MQD(Unionfining/Unisar)工艺、美国Exxon公司开发了DODD工艺等，进一步增强了石油的环保型减少了能耗的浪费现象。

石油作为重要能源之一，需求量再不断的增加，庞大的消费市场对轻质油品及中间馏分油的需求不断增长，汽柴油质量标准又在不断的升级，环境保护问题也日益受到各国的重视，清洁燃料的推广和普及已经提上议事日程，纵观国内外现代化的炼油厂和企业，几乎无一例外的选择了加氢精制工艺，减少能耗、环保生产无疑成为了目前石油发展的最大目标。

2.2 国内技术现状

随着国民经济的快速发展，作为重要能源的石油需求量在逐年增加，中国的炼油工业也获得了极大的发展，同时柴油加氢的技术也在不断发展：

2010年，上海高桥石化通过优化调整，实现加氢裂化石脑油热直供连续重整装置，加氢裂化出装置温度由≯40℃提高到140℃，停掉了加氢裂化装置的两台空冷器、一台水冷器。

2015年，经过持续优化调整，广州石化3号焦化装置热轻蜡和热柴油直供系统实现平稳运行，轻蜡油和柴油中70%的富余热量被成功回收，装置的能耗同比下降了0.68%。

2016年，石家庄炼化不断优化上下游装置间的直供料流程，大力推进装置间“口对口”供料工作，其中S-Zorb、三气分、260万吨加氢、三催化等装置基本实现100%的直供料。

物料直供能够有效减少中间输送环节，腾出罐容，拓宽流程优化空间，减少能耗和物料损失。广州石化不断完善上下游装置之间的直供料流程，大力推进装置之间“口对口”供料工作，炼油区热联合、直供料比例同比提高了10.3%，其中气体分馏、加氢裂化、MTBE、焦化汽油加氢等装置已经实现100%的直供料，不仅消除了生产运行瓶颈，提升了装置的加工负荷和长周期运行水平，而且降低了炼油近1%的能耗，提升了企业的整体效益。

3 总体技术方案

3.1 技术方案内容

3.1.1 优化调整柴油加氢装置反应压力和循环氢纯度

通过提高反应压力，可以减少缩合和迭合反应，改善碳平衡，减少催化剂结焦。最大限度的提高反应压力和循环氢纯度。循环氢组成与低分气组成对比表。

3.1.2 优化调整柴油加氢装置反应温度

在催化剂不变的情况下，提高脱硫率、脱氮率等反应转化率，提高产品质量。使反应器中的催化剂均匀发挥功效，得到最佳的产品分布与产品质量。

3.1.3 优化调整反应氢油比

提高氢油比，有利于加氢反应。既提高了产品质量，又减少了催化剂结焦。本公司控制反应器入口氢油比570，反应器出口氢油比960。周密控制进料流率、反应操作压力、循环氢流率、循环氢纯度、反应温度(或催化剂平均温度)、氢油比等几个主要操作参数，使操作能满足规定的产品收率和质量要求。

3.1.4 优化柴油加氢改质装置汽提塔和分馏系统

传质过程它是实现分离目的的一种最基本、最重要的手段。采用6Σ方法，结合DMAIC的控制方案，提高石脑油与精制柴油切割精度，使两种组分在采用恩氏蒸馏方法分析时实现脱空。

3.1.5 调整及改造连续重整装置预加氢单元

结合直供料情况，调整连续重整装置预加氢单元进料流程，进行适应性改造。

图1 重整预加氢单元进料调整位置示意图(原设计自下图左侧向右燕尾箭头处供料，本设计改为供料至右侧向下箭头处)

3.2 技术方案关键点

柴油加氢改质经过研发，优化生产了合格的重整原料，这部分石脑油不经过预加氢单元的加氢精制，直接进入汽提塔，能够降低重整预处理单元原料泵负荷22%，降低加热炉负荷25%，降低催化剂空速25%，重整预加氢单元节能15%左右。

3.2.1 反应温度

在装置运行中反应温度主要有两个指标，一是径向温差，是指在一个催化剂床层中的一个水平面上一组四个或多个热偶的简单算术差。径向温差可以表现物料在反应器中的平均分布情况，径向温差大说明物料在反应器内有一定的偏流，催化剂做功大小不一，径向温差小说明物料在反应器内分布均匀，催化剂做功大小一致。本公司控制径向温差小于3℃，为保证该指标符合要求，在催化剂装填时大胆采用密相装填方式，使催化剂径向和纵向相对均匀的分布在同一个水平面上，避免催化剂塌陷和沟流。

3.2.2 反应压力

在加氢过程中，有效的压力不是总压而是氢分压，氢分压的大小取决于补充新氢的纯度、系统总压、冷高分温度、循环氢排放量、原料油的汽化率及反应气体产率等多种因素。反应压力高会促进加氢裂化反应的进行，选择性变差，因而造成液收率下降，耗氢增加，氢纯度降低，过高的压力会增加设备投资和操作费用，同时对设备制造也带来一定的困难。通过提高系统总压(操作尽量接近装置冷高分上安全阀的设定压力的95%)，补充新氢纯度，提高排放气流率及循环氢的氢纯度，降低冷高分的温度等方式提高氢分压，控制反应压力。因重整装置原料量不足，在优化产品结构的同时，提升石脑油收率，因此提高了反应器入口压力、温度，分别提高了2.0 MPa、15℃，调整后控制参数为：改质反应器入口温度控制320～330℃、压力(10.0±0.5) MPa，氢油比控制560～610，空速控制0.80～0.95 h-1。在调整参数的过程中，对不适应新的操作条件的设施进行了更换，确保运行安全。

3.2.3 反应氢油比

装置反应器入口处的循环氢(包括补充新氢)中的纯氢与原料油在标准状态下的体积比称为氢油比。大量的氢气通过反应器可以把反应的生成热携带出来，起着保护催化剂的作用，保证反应器内温度平衡，由于加氢过程中大量的氢气与原料混合，使原料通过催化剂床层时，分布更均匀。提高氢油比，有利于加氢反应，因为氢气与原料的分子比增加了，原料分子浓度增加，则有利于反应向生成物方向进行，既提高了产品质量，又减少了催化剂结焦，但是氢油比过大，原料与催化剂接触时间缩短，反过来又不利于加氢反应，加氢深度下降，系统压降也增加。控制反应器入口氢油比570，反应器出口氢油比960。周密控制进料流率、反应操作压力、循环氢流率、循环氢纯度、反应温度(或催化剂平均温度)、氢油比等几个主要操作参数，使操作能满足规定的产品收率和质量要求。在调整参数的过程中，对不适应新的操作条件的设施进行更换，确保运行安全。图2为柴油加氢装置流程示意图。

图2 柴油加氢装置流程示意图

3.2.4 汽提塔和分馏系统操作优化

根据拉乌尔分压定律，利用汽提塔底的汽提蒸汽将加氢生成油中的轻组分，如C4～C1，H2S等轻组分从塔顶分离。蒸馏是利用液体混合物中各组份沸点和蒸汽压(即相对挥发度)的不同，在精馏塔内，轻组份不断汽化上升而提浓，重组份不断冷凝下降而提浓，相互间不断进行传热传质。在塔顶得到纯度较高的轻组份产物，在塔底得到纯度较高的重组份产物。本技术采用6Σ方法，结合DMAIC的控制方案，不断提高石脑油与精制柴油切割精度，使两种组分在采用恩氏蒸馏方法分析时实现脱空。通过不断研究与试验，最终形成了分馏系统操作参数为：分馏系统汽提塔注汽量控制1.5～2.5 t/h，分馏塔塔顶温度控制(145±10)℃，塔底温度控制(255±15)℃。

3.2.5 连续重整装置预加氢进料流程调整

预加氢部分主要操作参数为：反应器入口温度280/320℃(初期/末期)，反应器入口压力3.50 MPa(G)，预加氢气液分离器压力3.20 MPa(G)，反应空速(体) 4.0 h-1，氢油体积比≥100∶1。

汽提塔、石脑油分馏塔、预加氢部分各塔操作条件见表1。

表1 操作条件

通过研究连续重整装置预加氢单元的流程，预加氢单元经过反应器反应后，再进汽提塔。预加氢原料性质较为宽松，但精制产品性质较为严苛。因此，如果加氢石脑油不进预加氢，相应预加氢单元进料量减少，反应器内停留时间延长，因此需要增加氢油比，相应降低进料温度和压力，尽量保证产品性质达标的基础上，降低产品能耗。

调整过程采用了DMAIC的优化方法，对反应-汽提各流程均进行详细分析，最终形成调整参数如下：

反应器入口温度280～320℃、反应系统压力(3.2±0.1)MPa、氢油比≥100 Nm3/m3，T-1101塔顶温度(70±10)℃，塔底温度(186±10)℃。

4 主要技术指标

技术实施后主要技术指标见表2。

表2 柴油加氢装置石脑油直供重整工艺技术指标参数表

5 结论

柴油加氢装置石脑油直供重整工艺已在笔者公司应用，装置生产的0号国VI柴油产品获得了客户出具的产品使用报告，并且经山东省产品质量检验研究院认可，具有一定的推广应用价值。