(青島蘭石重型機(jī)械設(shè)備有限公司 山東 266555)
在加工石油原油的時候,出于高質(zhì)量加工產(chǎn)品獲取及化工原料產(chǎn)量顯著增加的考慮,加氫工藝及其裝置應(yīng)運(yùn)而生,同時這項(xiàng)工藝技術(shù)也能在劣質(zhì)原油及硫元素含量較高的原油加工環(huán)境中良好的運(yùn)行。作為加氫裂化裝置核心組成部分的加氫反應(yīng)器,以當(dāng)前的技術(shù)視野看來,可以劃分為加氫精制、裂化反應(yīng)器兩類。這一裝置的核心作用就是為石油原油和氫氣提供承載反應(yīng)所需催化劑及溫度條件的場所。在當(dāng)前煉油技術(shù)持續(xù)更迭發(fā)展的影響下,熱壁結(jié)構(gòu)的加氫反應(yīng)器因其在加工效率、故障發(fā)生率、組成結(jié)構(gòu)等方面具備的優(yōu)勢得以在加氫裝置中規(guī)?;瘧?yīng)用。
①冷壁結(jié)構(gòu)
冷壁電抗器在設(shè)備內(nèi)壁設(shè)有非金屬絕緣層,或內(nèi)襯不銹鋼護(hù)套。整個反應(yīng)器的設(shè)計壁溫降到300℃以下,H2和H2S的腐蝕速率大大降低,對鋼材的要求不如熱壁反應(yīng)器高。由于冷壁反應(yīng)器的保溫層占據(jù)了內(nèi)殼空間,降低了反應(yīng)器容積的利用率。在介質(zhì)的沖刷作用下,熱流體滲入墻體,導(dǎo)致墻體過熱。因此,反應(yīng)堆的安全隱患大大增加,嚴(yán)重時甚至造成裝置被迫停運(yùn)。
②熱壁結(jié)構(gòu)
熱壁反應(yīng)器使用更安全,不易發(fā)生局部過熱。它能充分利用反應(yīng)器容積,有效容積利用率可達(dá)80%-90%。熱壁反應(yīng)器施工周期短,生產(chǎn)維護(hù)方便。但熱壁反應(yīng)器沒有內(nèi)保溫層,且筒壁溫度與內(nèi)反應(yīng)溫度相差不大,因此對整體鋼材要求較高。目前,隨著材料的進(jìn)步和發(fā)展,加氫串聯(lián)反應(yīng)器的設(shè)計多為熱壁式。
關(guān)于加氫反應(yīng)器發(fā)展主要可以分成四個階段:
第一階段,20世紀(jì)60年代末,日本生產(chǎn)了第一臺加氫反應(yīng)器。反應(yīng)堆頂蓋由拼焊結(jié)構(gòu)制成。反應(yīng)器外殼材料逐漸發(fā)展為鉻鉬鋼板和鍛件,內(nèi)殼材料為帶狀堆焊不銹鋼。
第二階段,20世紀(jì)70年代,經(jīng)過幾年的使用,逐漸暴露出材料脆化的問題。反應(yīng)堆封頭從拼接結(jié)構(gòu)發(fā)展到整體結(jié)構(gòu)。隨著焊接技術(shù)的快速發(fā)展,反應(yīng)堆封頭的質(zhì)量比第一階段有了很大的提高。在這個階段,中國的石化工業(yè)開始逐步發(fā)展,加氫裂化反應(yīng)器也逐漸引進(jìn)。
第三階段,20世紀(jì)80年代,加氫反應(yīng)器的設(shè)計制造趨于成熟,我國開始研究制造鍛造焊接結(jié)構(gòu)的加氫反應(yīng)器。1989年,我國首臺1000噸鍛焊結(jié)構(gòu)熱壁加氫反應(yīng)器在遼寧省投產(chǎn)。
第四階段,20世紀(jì)90年代,為保證加氫裝置長期連續(xù)運(yùn)行的良好可靠性,開發(fā)了在450℃以上高溫下仍能滿足高強(qiáng)度要求的鉻鉬鋼和添加釩的改進(jìn)型鉻鉬鋼。
高溫高壓加氫技術(shù)因其獨(dú)有的一些優(yōu)勢在石油煉油工業(yè)中已經(jīng)應(yīng)用持續(xù)近半個世紀(jì)的時間。在進(jìn)入現(xiàn)代科技社會之后,加氫裂化及脫硫兩項(xiàng)工藝也處于一種持續(xù)完善發(fā)展的狀態(tài)下。出于輕質(zhì)油品需求持續(xù)提升、裂解重質(zhì)石油原油之后的精制等諸多方面的考慮,與加氫反應(yīng)器、加氫精制裝置和加氫裂化裝置的相關(guān)的設(shè)施制造核心技術(shù)得到了持續(xù)的研究及升級,并且這些裝置制造所用的材料也隨著材料學(xué)的發(fā)展逐漸更新。但不可忽視的是加氫反應(yīng)器在使用中也逐漸暴露出一些使用問題,其維護(hù)和壽命延長技術(shù)越來越受到人們的重視。事實(shí)上,從20世紀(jì)60年代至今,一直存在著加氫反應(yīng)器失靈的問題。以2009年華北某石油廠發(fā)生的一起事故為例,爐管上彎頭突然破裂爆燃,引發(fā)爐膛火災(zāi),這是由于局部應(yīng)力集中導(dǎo)致熱爐管破裂所致。從本質(zhì)上也說明了加氫反應(yīng)器本身存在的問題,加氫反應(yīng)是放熱反應(yīng),會使床層溫度升高,但不會發(fā)生局部過熱,一旦發(fā)生,就有可能發(fā)生此類生產(chǎn)事故。
①設(shè)計技術(shù)不斷優(yōu)化
加氫反應(yīng)器設(shè)計最重要的準(zhǔn)則是安全性原則。從設(shè)計觀點(diǎn)和方法上看,之前慣用的常規(guī)設(shè)計已經(jīng)不再適用于當(dāng)今技術(shù)背景下的加氫反應(yīng)器設(shè)計中,將塑性及彈性破壞準(zhǔn)則二者作為基礎(chǔ)的分析設(shè)計逐漸取代了單一化將彈性破壞準(zhǔn)則作為基礎(chǔ)的常規(guī)設(shè)計。通過計算其中高應(yīng)力及溫度區(qū)流場和應(yīng)力使用流體分析模型及應(yīng)力分析技術(shù),極大的提高整體計算結(jié)果的精準(zhǔn)程度。
②應(yīng)用材料逐漸改良
我國在制造加氫反應(yīng)器的發(fā)展歷程中,2.25Cr-1Mo鋼作為常見且使用最廣的材料,在全面總結(jié)其使用經(jīng)驗(yàn)的前提下,研發(fā)出了改進(jìn)版的2.25Cr-1Mo鋼以及2.25Ct-I0鋼兩種滿足當(dāng)前制造需求的加氫反應(yīng)器材料,前者其抗拉強(qiáng)度較之之前傳統(tǒng)的鋼提升了70MPa左右,達(dá)到了585~760MPa。這種改進(jìn)版的型鋼材料只是在傳統(tǒng)型鋼中添加了0.2%~0.3%釩金屬元素,使得傳統(tǒng)的型鋼材料在強(qiáng)度水平、抗高溫回火脆性、對焊層抗氫剝離性能得到了極大的提升。
近年來,隨著我國原油資源消耗量的不斷上升,原油進(jìn)口總量也在不斷增加。由于進(jìn)口原油劣質(zhì)、重質(zhì)化程度遠(yuǎn)未嚴(yán)重,煉油化工領(lǐng)域也面臨著巨大的發(fā)展壓力。加氫技術(shù)的出現(xiàn)使重油變得更輕、更清潔,實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)和能源的高效轉(zhuǎn)化成為石化企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。目前,固定床加氫技術(shù)廣泛應(yīng)用于劣質(zhì)稠油的處理。氫氣和原料油經(jīng)加熱后,從頂部進(jìn)入反應(yīng)器,通過催化劑床層,大部分硫、氮、金屬和其他高碳化合物可以被脫除。工作壓力一般可達(dá)20MPa,轉(zhuǎn)化率可達(dá)50%以上。
今后需要指出的是,原油的劣質(zhì)程度進(jìn)一步加劇,這就迫切需要不斷提高劣質(zhì)重油資源的利用率,實(shí)現(xiàn)輕量化、清潔化處理。要進(jìn)一步加大對多功能復(fù)合催化劑的研究,不斷提高催化劑的脫硫率、脫碳率和脫金屬率,充分保證催化劑在整個處理過程中的進(jìn)料率控制在0.5%~5%之間,實(shí)現(xiàn)催化劑的循環(huán)利用整個加氫處理工藝,有效降低催化劑的使用成本。在加氫技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中,通常會有一定量的渣油外排。如果能進(jìn)一步優(yōu)化對接處理工藝,合理利用渣油,就可以避免環(huán)境污染,促進(jìn)我國能源供應(yīng)的穩(wěn)定發(fā)展,這也是今后重點(diǎn)研究方向。
近年來,市場對各類油品,特別是優(yōu)質(zhì)中餾分油產(chǎn)品的需求不斷增加,因此,改變生產(chǎn)方案、提升生產(chǎn)工藝十分必要。非晶態(tài)加氫裂化催化劑在加氫裂化過程中曾是最大限度地生產(chǎn)中間餾分油的主要工藝,但其缺點(diǎn)是反應(yīng)起始溫度較高。
重、劣質(zhì)原料加工難度大。為了避免原料中有機(jī)氮化物對加氫裂化催化劑活性的不利影響,應(yīng)優(yōu)化整體工藝流程,提高餾分油質(zhì)量。以提高中間餾分油收率的加氫裂化方法為例,將新鮮原料油同時平行流引入加氫反應(yīng)器Ⅰ和加氫反應(yīng)器Ⅱ。在“順序流”加氫裂化工段,加氫處理與加氫裂化串聯(lián),加氫反應(yīng)器Ⅱ內(nèi)填充分子篩加氫裂化催化劑。在“平行流”加氫裂化工段,僅使用非晶態(tài)加氫裂化催化劑對尾油進(jìn)行循環(huán)裂化,可獲得約50%的氫產(chǎn)品,提高整體反應(yīng)空速,減少整個裝置的反應(yīng)器體積。該方法可以最大限度地生產(chǎn)中間餾分油,根據(jù)情況靈活調(diào)整生產(chǎn)方案,最大限度地生產(chǎn)柴油或噴氣燃料。技術(shù)進(jìn)步給我們的工作帶來了更多的可能性。經(jīng)過多年的發(fā)展,我國自主研發(fā)的成套技術(shù)和自主集成創(chuàng)新的大型技術(shù)已得到成功應(yīng)用,但事實(shí)上,關(guān)鍵技術(shù)仍需從國外引進(jìn),國內(nèi)技術(shù)應(yīng)用還比較狹窄。因此,必須加強(qiáng)技術(shù)研究,提升技術(shù)含量,不斷系統(tǒng)地創(chuàng)新、改造、優(yōu)化、提高,從而增強(qiáng)其核心競爭力。
我國企業(yè)要想提升市場競爭力,就要做好產(chǎn)品研究,積極擴(kuò)寬海外市場,尤其是在當(dāng)下,隨著我國化工行業(yè)的飽和,產(chǎn)能過剩的問題不可避免,而本質(zhì)上更需要在滿足國內(nèi)市場的需求基礎(chǔ)上,提升出口量,并解決國內(nèi)的產(chǎn)能過剩的問題,由于下游的需求量適中是有限的,當(dāng)下產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨著更大的競爭,因此需要綜合考慮項(xiàng)目的發(fā)展,結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際發(fā)展情況分析,避免不必要的經(jīng)濟(jì)損失。在產(chǎn)能調(diào)整和整體的勞動力成本提升的前提之下,更應(yīng)當(dāng)建立平衡機(jī)制,優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局,運(yùn)用各種方式協(xié)調(diào)產(chǎn)業(yè)鏈的不平衡等一系列的問題。同時,目前我國加氫生產(chǎn)裝置的用途比較固定,長此以往也會產(chǎn)生市場風(fēng)險,因此需要積極拓寬新興市場,規(guī)避化工需求空間,以降低化工生產(chǎn)的市場風(fēng)險問題。
總而言之,在當(dāng)今的市場背景之下,逐漸優(yōu)化加氫反應(yīng)器的運(yùn)用模式,優(yōu)化運(yùn)行效能已經(jīng)成為必然趨勢,而總的來說,加氫反應(yīng)器的發(fā)展應(yīng)朝著高質(zhì)量和協(xié)調(diào)的方向發(fā)展。因此,解決加氫反應(yīng)器反應(yīng)中存在的一些問題至關(guān)重要。例如,最常見的問題是高溫氫腐蝕、氫脆、H2S腐蝕和聚磺酸的應(yīng)力腐蝕開裂。因此,在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)提高整體設(shè)計效率。創(chuàng)建高質(zhì)量的項(xiàng)目。加氫反應(yīng)器的優(yōu)化和發(fā)展與整個行業(yè)的發(fā)展息息相關(guān),更應(yīng)當(dāng)做好技術(shù)的研究,提升加氫反應(yīng)器本身的穩(wěn)定性。同時還應(yīng)當(dāng)提升反應(yīng)的效率,降低反應(yīng)污染物的排放,進(jìn)而不斷提升企業(yè)的核心競爭力,降低生產(chǎn)風(fēng)險。