煉化企業(yè)氫氣資源優(yōu)化綜合利用

田 金 光

(陜西延長石油(集團)有限責(zé)任公司煉化公司，陜西 延安 727406)

陜西延長石油(集團)有限責(zé)任公司煉化公司300 kt/a丙烷/異丁烷混合脫氫裝置(簡稱混合脫氫裝置)采用UOP公司的OLEFLEX工藝，通過連續(xù)催化再生脫氫技術(shù)將丙烷、飽和液化氣、烷基化C4、醚后C4轉(zhuǎn)化成丙烯、富異丁烯和其他副產(chǎn)品。裝置主要由原料預(yù)處理單元、OLEFLEX反應(yīng)單元、產(chǎn)品回收單元、選擇性加氫(SHP)單元、催化劑連續(xù)再生 (CCR)單元、氧化物脫除單元、全加氫(CSP)單元和公用工程系統(tǒng)組成，所產(chǎn)富氫氣體一部分作為循環(huán)氫至反應(yīng)系統(tǒng)；其余部分主要是通過等溫變壓吸附(PSA)單元提純分離后成為高純氫氣，主要用于反應(yīng)系統(tǒng)的內(nèi)構(gòu)件吹掃、密封和還原催化劑，剩余部分再分配給預(yù)處理單元的CSP、分離單元的SHP及外供給烷基化加氫單元；PSA剩余的解吸氣則供給產(chǎn)物干燥器(RED)用于產(chǎn)物干燥劑的再生(脫除水和芳烴溶劑油)，再生干燥后的富氫氣體通過芳烴溶劑回收及堿洗塔后，進入燃料氣系統(tǒng)，作為反應(yīng)加熱爐燃料。

目前，氫能作為一種清潔、高效、安全、可持續(xù)的新能源，被視為21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉矗侨祟惖膽?zhàn)略能源發(fā)展方向[1-3]。作為輕烴綜合利用項目的核心裝置，混合脫氫裝置副產(chǎn)大量的氫氣，除自用外，剩余氫氣僅作為補充燃料氣，造成資源的大量浪費。在當(dāng)前社會經(jīng)濟發(fā)展日新月異的大環(huán)境下，氫氣資源的優(yōu)化利用顯得越來越重要。對氫氣用途進行重新評估，混合脫氫裝置剩余氫氣可作為2.40 Mt/a柴油精制裝置和1.80 Mt/a汽油精制裝置的備用氫源，以及200 kt/a聚丙烯裝置的常用氫源，以實現(xiàn)氫氣資源效益最大化。

1 氫氣來源和用途

酯后C4及醚后C4經(jīng)過烷基化裝置加工處理，烷基化油及正丁烷作為產(chǎn)品送出裝置[4]。烷基化反應(yīng)后剩余的烷基化C4(含有異丁烷、丙烷等)，與來自罐區(qū)的丙烷、飽和液化氣一同進入丙烷/異丁烷混合脫氫裝置原料分離單元，分離出的正丁烷作為民用液化氣，送出裝置；其余的丙烷、異丁烷進入混合脫氫單元，反應(yīng)脫氫后的丙烯供給聚丙烯裝置作為丙烯原料，富異丁烯的混合C4供給甲基叔丁基醚(MTBE)裝置作原料。圖1為氫氣來源工藝流程示意。

圖1 氫氣來源工藝流程示意

裝置所產(chǎn)富氫氣體除一部分作為冷箱內(nèi)部循環(huán)氫外，其余部分主要是通過PSA單元提純分離后再利用。富氫氣體經(jīng)PSA提純分離后，高純氫氣主要用于反應(yīng)系統(tǒng)的內(nèi)構(gòu)件吹掃、密封和還原催化劑；其他剩余部分再分配給預(yù)處理單元的CSP、分離單元的SHP及外供給烷基化加氫單元。氫氣系統(tǒng)流程示意如圖2所示。

圖2 氫氣系統(tǒng)流程示意

PSA提純后另外一部分解吸氣作為高含氫氣源，主要是通過壓縮機增壓后進入混合脫氫裝置的RED，作為主要再生氣源(再生氣的另外一路來自分離單元脫乙烷塔塔頂氣)。RED正常運行時，一臺在線運行，另一臺進行再生；RED的再生步驟按照順控自動進行，由RED再生控制系統(tǒng)(DRCS)實現(xiàn)。再生干燥后的富氫氣體通過芳烴溶劑回收及堿洗塔后進入燃料氣系統(tǒng)，供給反應(yīng)加熱爐。

2 氫氣綜合利用分析

廠區(qū)1.40 Mt/a柴油加氫改質(zhì)裝置、2.40 Mt/a柴油精制裝置和1.80 Mt/a汽油精制裝置所需氫氣主要來源于1.20 Mt/a連續(xù)重整裝置副產(chǎn)的氫氣。若1.20 Mt/a連續(xù)重整裝置遇異常停工，上述3套裝置亦需緊急停工，嚴重影響全廠物料平衡及生產(chǎn)任務(wù)的順利完成。

此外，200 kt/a聚丙烯裝置[4]現(xiàn)用氫氣主要來源于該裝置制氫站單元，制氫站額定電壓為122 V，額定電流為4 650 A，額定氫氣產(chǎn)量為120 m3/h，產(chǎn)氫純度(φ)大于99.8%。由于制氫站采用電解水制氫，電解槽的直流電由整流柜提供，屬高電能消耗撬裝設(shè)備，每年消耗大量的電能。

混合脫氫裝置富余氫氣量為1 000～16 000 m3/h，可以滿足2.40 Mt/a柴油精制裝置和1.80 Mt/a汽油精制裝置運行的最低氫氣需求量(見表1)?？赏ㄟ^技術(shù)改造，將混合脫氫裝置的富余氫氣進行重新回收后再利用，作為2.40 Mt/a柴油精制裝置、1.80 Mt/a汽油精制裝置和200 kt/a聚丙烯裝置的備用氫源，優(yōu)化生產(chǎn)組織，即1.20 Mt/a連續(xù)重整裝置異常停工后，只需要將1.40 Mt/a柴油加氫改質(zhì)裝置停車，2.40 Mt/a柴油精制裝置和1.80 Mt/a 汽油精制裝置氫氣來源切至混合脫氫裝置，均能維持低負荷正常生產(chǎn)運行。另外，由于混合脫氫裝置產(chǎn)氫純度(φ)大于96%，進一步提高純度后，可作為聚丙烯裝置常用氫源，替代制氫站氫源，從而節(jié)約大量的電能。

表1 各裝置產(chǎn)、耗氫氣量

3 氮氣對產(chǎn)物壓縮機(REC)干氣密封的影響

REC是混合脫氫裝置的重要設(shè)備，其正常運行與否關(guān)系著整套裝置的安全平穩(wěn)長周期運行。機組分為高、低壓缸，即兩級增壓循環(huán)，額定功率分別為6 225 kW和6 101 kW，進口流量為123 076 kg/h。主要是將反應(yīng)生成的氫氣、丙烯、異丁烯及未反應(yīng)的丙烷、異丁烷和其他烴類等的混合物增壓、分離出副產(chǎn)品氫氣和純度(φ)99.6%以上的丙烯、富異丁烯產(chǎn)品。機組干氣密封有4套，所用介質(zhì)為0.8 MPa的氮氣和冷箱所產(chǎn)0.5 MPa的干氣。在裝置正常開車過程中，由于氮氣混入系統(tǒng)，常常造成開工進度滯后、機組壓縮介質(zhì)密度重新調(diào)整及冷箱高、低壓膨脹機開機緩慢等問題，需對系統(tǒng)進行置換排放，浪費大量的氫氣和丙烷。

4 改造方案

4.1 氫氣綜合利用改造措施1

首先，將RED的再生氣(富含大量氫氣)在堿洗塔中進行充分洗滌脫除硫化氫，剩余干凈氣體接至尾氣壓縮機的進口，輸送至氫氣管網(wǎng)；其次，再生氣經(jīng)20 000 m3/h制氫裝置的氫氣增壓機，將壓力由(0.4±0.1) MPa增至(2.0±0.2) MPa后，進入全廠2.0 MPa的氫氣管網(wǎng)，供給2.40 Mt/a柴油精制裝置及1.80 Mt/a汽油精制裝置，詳細改造流程如圖3所示。改造后，這2套裝置可以避免因連續(xù)重整裝置停車而引起的二次停車，保證了裝置連續(xù)運行，優(yōu)化了生產(chǎn)組織。

圖3 氫氣綜合利用改造1流程示意

4.2 氫氣綜合利用改造措施2

目前，將閑置停用的20 000 m3/h制氫裝置的PSA提純單元檢修完善后再利用，將混合脫氫裝置產(chǎn)的氫氣經(jīng)PSA單元深度提純，通過長輸管道輸送至各氫氣用戶。詳細改造流程見圖4。

圖4 氫氣綜合利用改造2流程示意

4.3 REC干氣密封改造措施

自2.0 MPa氫氣管網(wǎng)來的重整氫氣是混合脫氫裝置開工期間的外供氫源。對于REC的密封，可改造為用氫氣進行，替換目前使用的干氣密封氣，從而可靈活調(diào)整開車進度，還可避免大量氫氣和丙烷的排放損失。具體技術(shù)改造措施為：在混合脫氫裝置界區(qū)與重整氫氣管線雙閥間引出一條直徑40 mm的氫氣支線，經(jīng)過新增設(shè)的聚結(jié)器除去物料中夾帶的少量液相組分，再經(jīng)過減壓閥及自力式調(diào)節(jié)閥將氫氣壓力穩(wěn)定控制在0.5 MPa，然后進入REC高、低壓缸的4套干氣密封系統(tǒng)。

5 改造后的效益

5.1 氫氣綜合利用經(jīng)濟效益

混合脫氫裝置氫氣綜合利用改造后，當(dāng)重整裝置發(fā)生異常停工，2.40 Mt/a柴油精制裝置和1.80 Mt/a汽油精制裝置無需緊急停車，可保持低負荷運行。根據(jù)單裝置利潤測算，2.40 Mt/a柴油精制裝置停工造成的經(jīng)濟損失為267.92萬元/d；1.80 Mt/a汽油精制裝置停工造成的經(jīng)濟損失為162.00萬元/d(數(shù)據(jù)來源于企業(yè)2019年單裝置利潤測算的平均值)，故混合脫氫裝置氫氣經(jīng)過綜合利用改造后產(chǎn)生的直接經(jīng)濟效益為429.92萬元/d。

聚丙烯裝置氫源切至混合脫氫裝置，可暫停高電耗的制氫站，將節(jié)約大量的電能。制氫站長期運行電流為2 000 A，制氫站按1年運行8 000 h計，工業(yè)用電價格為0.6元/(kW·h)，則電費為0.35萬元/d，即聚丙烯裝置使用混合脫氫裝置氫氣，每天可節(jié)省電費0.35萬元。

5.2 REC干氣密封改造為使用氫氣的效益

REC干氣密封未改造前，氮氣不間斷地泄漏至脫氫反應(yīng)系統(tǒng)中，延遲了冷箱高、低壓膨脹機的開機進度。為降低系統(tǒng)中的氮氣含量，需使用大量氫氣和丙烷進行置換，氫氣用量約為120 m3/h(單價12元/m3)，丙烷用量約為4 t/h(單價3 500元/t)，因而浪費了大量的氫氣和丙烷。改造后的經(jīng)濟效益主要從加快裝置開工進度和節(jié)約氫氣、丙烷資源等角度計算，為37.056萬元/d。

綜上可以看出，技術(shù)改造后，不但經(jīng)濟效益相當(dāng)可觀，而且優(yōu)化了全廠裝置開停車節(jié)點，使得生產(chǎn)組織變得更加靈活。

6 結(jié) 論

(1)針對混合脫氫裝置副產(chǎn)的大量氫氣，進行評估、平衡再利用，提高了氫氣利用率，進一步保障了2.40 Mt/a柴油精制裝置和1.80 Mt/a汽油精制裝置的長周期運行，優(yōu)化了生產(chǎn)組織，提高了企業(yè)經(jīng)濟效益。

(2)混合脫氫裝置剩余氫氣進一步提高純度后，其品質(zhì)和數(shù)量可滿足200 kt/a聚丙烯裝置用氫需求，替代現(xiàn)用制氫站撬裝單元，每年可節(jié)省大量的電費，提高了企業(yè)生產(chǎn)效益。

(3)REC干氣密封的改造，加快了混合脫氫裝置的開車進度，優(yōu)化了開車節(jié)點程序，節(jié)約了氫氣和丙烷資源，為混合脫氫裝置早日實現(xiàn)長、滿、優(yōu)運行提供了堅實的保障，也為同行業(yè)脫氫裝置的氫氣利用提供了一定的技術(shù)借鑒。