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循环氢系统工艺设计研究

本文工艺设计的煤焦油加氢装置(进料规模62.5t/h)的原料是经过脱渣、脱盐、脱水、脱金属等预处理后的中低温煤焦油全馏分油(规格见表1),采用固定床两段加氢处理工艺,在高温、高压和临氢条件下,经过加氢精制和加氢改质技术,将煤焦油所含的金属杂质、灰分和S、N、O等杂原子脱除,生产附加值较高的石脑油和柴油等主要产品。来自三相(油、气、水)精制和改质冷高压分离系统的循环氢经混合后经压缩机升压至17.1MPa,一部分循环氢作为控制反应床层温度的冷氢。另一部分循环氢与补充的新氢混合,经换热升温后作为反应循环氢送至反应系统。循环氢缓冲罐出口管线设有流量控制的放空系统,用于去除反应副产的不凝性轻组分,以保证循环氢浓度。反应的催化剂是由抚顺石油化工研究院研制生产的煤焦油加氢催化剂。

1氢耗

根据文献,计算氢耗可分为化学氢耗、溶解氢耗、泄漏氢耗和排放氢耗。化学氢耗:加氢精制反应的化学氢耗为[10-11]烯烃加氢饱和、加氢脱硫、加氢脱氮、加氢脱氧。加氢改质的化学氢耗目的是使得未转化油进一步裂化成改质轻组分,提高轻油收率。遵从催化剂研究厂家提供的数据,装置的总化学氢耗取原料量的7%~7.7%。工艺设计时取最大值,化学氢耗为52500Nm3/h。溶解氢耗:溶解氢耗是在高压下溶于油中的气体在减压时排出,这部分氢耗与高压分离器的操作压力、温度和生成油的性质、气体的溶解度有关。近似估算,取10Nm3/m3原料油,溶解氢耗设定为680Nm3/h。泄漏氢耗:管道或高压设备的法兰连接处及循环氢压缩机运动部位等设备漏损,取1~15Nm3/m3原料油。工艺设计时取最大值,装置泄漏氢耗为1020Nm3/h。排放氢耗:为维持循环氢浓度而排放出一部分循环氢,可取5~10Nm3/m3原料油。工艺设计时取最大值,装置排放氢耗为680Nm3/h。上述项加和,装置工艺设计总氢耗设定为54880Nm3/h,该氢耗需要新氢来补充。

2循环氢出口压力

循环氢缓冲罐的出口压力为整个反应系统的压力控制点,压缩机的出口压力应满足加氢精制和加氢改质反应器所需的最大压力,考虑到压缩机出口到反应器入口的管道、阀门阀件、仪表等的压力损失,出口压力工艺设计设置为17.10MPa。

3结果与讨论

装置已建成并处于运行初期。反应器及循环氢压缩机的工艺设计参数和现场运行(运行2个月)参数见表2。由表2可知,装置运转初期时,加氢精制反应器和加氢改质反应器的操作温度和操作压力均比工艺设计值略低,这主要是催化剂在运转初期时活性较好,反应温度适当低一些。但是在运转后期,由于催化剂表面积碳增加,催化剂活性下降,为了保持一定的加氢深度,反应温度就要逐步提高一些。加氢精制和加氢改质是一个大量放热的反应过程。反应温度增加则反应速度加快,释放出来的反应热也相应增加,因此,在各床层注入冷氢来控制催化剂床层温度,以保护催化剂。反应压力的实际因素是氢分压。氢分压提高,可促进加氢精制与改质反应的进行,减少结焦,保持催化剂活化,提高催化剂的稳定性。研究表明,反应压力在12~14MPa增加时,产品的密度、硫含量、氮含量和残碳含量降低较快,转化率较高,但是随着反应压力继续升高,数据变化不明显。装置的工艺设计和初期运行的反应压力不同(均大于14MPa),对加氢产物的分布影响不大。运转初期时,催化剂活性较好,床层压降较小,所需反应器入口压力可低些,因此压缩机出口压力较低,氢分压就较低,补充的新氢消耗为48000Nm3/h,与装置的工艺设计值相比较,误差14%。运转后期时,由于催化剂表面积碳增加,催化剂活性下降,床层压降较大,反应器入口压力增大,压缩机出口压力升高,氢分压升高,所需的新氢量将升高。工艺设计时,反应器和压缩机的设计参数是根据催化剂厂家提供的运转初、末期等不同工况提供的实验参数,同时,考虑不同运行时期催化剂的活性和反应器床层压降等,反应器的操作压力、循环氢压缩机出口压力、新氢压缩机的流量应设置的略高。根据项目规模、产品方案、工艺参数以及业主倾向等,可以选用精制加氢反应和改质加氢反应各用一套循环氢系统(两套循环氢系统),也可以共用一套循环氢系统。根据装置循环氢压缩机进出口压力、压比、流量、以及以往项目经验,当采用两套循环氢系统时,精制反应系统和改质反应系统的各控制参数相对独立,精制循环氢压缩机和改质循环氢压缩机需选择回流调节控制的往复式压缩机各2台(1开1备),按市场价格,每台压缩机约为300万元,两套循环氢系统成本约为1200万元。装置采用一套循环氢系统,由于改质分离系统的循环氢压力为15.8MPa,在改质分离系统至循环氢缓冲罐的进口管线上设置调节阀降压至与精制循环氢压力相同,保证压力均衡。循环氢压缩机可选择采用变频和防喘振回流系统控制的1台离心式压缩机就能够满足工艺设计的要求,市场价格约为750万。压缩机系统设备成本可节约37.5%。

4结论

工艺设计时,反应器和压缩机的各工艺参数需要考虑催化剂运转初、末期等的不同工况,设计值应涵盖实际运行可能出现的所有工况。装置初期运行时,得到的实际耗氢数据与工艺模拟计算得到的数据进行比较,误差在14%。压缩机出口压力能够满足加氢精制反应和加氢改质反应所需得操作压力。相比两套循环氢系统,装置运用一套压缩机系统时,压缩机设备成本节省37.5%。工艺设计是从设计角度出发,考虑催化剂参数以及各种不同工况来设计循环氢系统,需要后续工业生产进行实践验证,本文可以对类似煤焦油加氢装置提供参考。

参考文献:

[1]张晓静.中低温煤焦油加氢技术[J].煤炭学报,2011,36(5).

[2]张毓莹,蒋东红,胡志海,等.一种两段法煤焦油加氢改质方法[P].中国专利:CN101307257,2007-05-6.

[3]李庆华,郭朝辉,佘喜春,等.一种煤焦油加氢改质生产燃料油的方法[P].中国专利:CN1903994,2006-08-03.

作者:王艳梅 单位:福斯特惠勒(河北)工程设计有限公司上海分公司

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