渣油加氫裝置單系列停工過程優(yōu)化分析

聞金海

渣油加氫裝置單系列停工過程優(yōu)化分析

聞金海

（中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086）

固定床渣油加氫裝置催化劑運(yùn)行周期短，需要頻繁停工更換催化劑，這就造成了停工周期與全廠停工周期不匹配的問題。各大煉廠往往通過雙系列設(shè)置，單開單停的方式解決該問題。以某4.0 Mt·a-1渣油加氫裝置為例經(jīng)過雙系列4個周期的運(yùn)行，通過經(jīng)驗(yàn)積累與總結(jié)，不斷優(yōu)化停工步驟，分析操作重難點(diǎn)問題，已形成一套相對安全、穩(wěn)定、快速的單系列停工方案，有助于后續(xù)裝置停工。

渣油加氫；單系列；停工；優(yōu)化

渣油加氫裝置以常減壓渣油為主要原料，摻煉部分蠟油、催化循環(huán)油等相對較輕油品調(diào)和原料，加工原料性質(zhì)差、反應(yīng)過程高溫高壓。在催化劑運(yùn)行周期中，催化劑活性衰退和反應(yīng)器床層壓差升高為制約催化劑壽命的關(guān)鍵因素[1]。固定床渣油加氫催化劑壽命明顯短于其他輕質(zhì)油加氫催化劑的壽命，在設(shè)計(jì)負(fù)荷狀態(tài)下催化劑壽命普遍在15～20個月之間，往往跟全廠停工大檢修時(shí)間不符[2]。在此情況下，渣油加氫裝置采用雙系列設(shè)置，能夠?qū)崿F(xiàn)兩個系列的單開單停，對于全廠物料平衡及年處理量的提升發(fā)揮了重要作用。由于裝置兩個系列分別停工換劑，催化劑壽命較短，造成了裝置停工頻繁、停工難度大、安全風(fēng)險(xiǎn)增加，在此情況下優(yōu)化裝置單系列停工過程，使裝置單系列安全而快速的停下顯得尤為關(guān)鍵。

1 裝置概況

1.1 裝置設(shè)計(jì)

某4.0 Mt·a-1渣油加氫裝置采用雪佛龍（簡稱CLG）的固定床渣油加氫工藝技術(shù)，其原料反應(yīng)系統(tǒng)、熱高分系統(tǒng)、熱低分系統(tǒng)和循環(huán)氫系統(tǒng)采用雙系列設(shè)置，冷低分系統(tǒng)和分餾系統(tǒng)兩個系列共用。單系列設(shè)計(jì)進(jìn)料量為238 t·h-1，水力學(xué)彈性范圍60%～110%。選用爐前混氫的高壓換熱流程，原料油和混氫先混合再換熱，最后進(jìn)反應(yīng)進(jìn)料加熱爐。這樣設(shè)計(jì)具有傳熱系數(shù)高、換熱器渣油側(cè)不易結(jié)焦、節(jié)省換熱面積的優(yōu)點(diǎn)。本裝置主要加工的原料為高硫原油減壓塔下的減壓渣油，濾后混合原料油質(zhì)量指標(biāo)如表1所示。

表1 濾后混合原料油質(zhì)量指標(biāo)

由表1可知，硫含量、金屬含量、殘?zhí)贾迪鄬^高，并且裝置的操作壓力高、空速較低（0.18 h-1）、反應(yīng)器規(guī)格大，為達(dá)到理想的反應(yīng)深度應(yīng)使循環(huán)氫濃度保持較高值，為此設(shè)計(jì)了循環(huán)氫脫硫系統(tǒng)和膜分離系統(tǒng)[3]，有效控制了循環(huán)氫中的氫純度，保證了氫分壓。

1.2 補(bǔ)充氫系統(tǒng)

補(bǔ)充氫部分采用氫氣站的方式供氫，3臺新氫機(jī)可以互為備用，反應(yīng)壓力16 MPa。對于雙系列設(shè)置的加氫裝置來講采用氫氣站的方式供氫，供氫靈活性大大提高，可根據(jù)裝置耗氫量選擇開1臺新氫機(jī)還是2臺新氫機(jī)，其余新氫機(jī)備用。當(dāng)裝置耗氫量不大時(shí)可1臺新氫機(jī)正常運(yùn)行，1臺新氫機(jī)檢修，另外1臺新氫機(jī)備用，相對于1臺新氫機(jī)專供一系列的設(shè)計(jì)，氫氣站的優(yōu)勢不僅方便于不停工檢修新氫機(jī)，還可以在新氫機(jī)故障停機(jī)時(shí)減輕對系統(tǒng)的影響，提高操作穩(wěn)定性。

1.3 循環(huán)流程

精制渣油出裝置空冷采用分段隔離流程，共有4臺空冷，其中2臺可與分餾塔底渣油隔離，空冷后設(shè)計(jì)長短循環(huán)線，這樣單系列開停工循環(huán)以及事故狀態(tài)下能獨(dú)立操作，另一系列正常生產(chǎn)。停工循環(huán)流程為改通熱低分油至空冷流程，熱低分油停止向分餾進(jìn)料，通過空冷后長循環(huán)線將熱低分油引至原料油緩沖罐，具體流程示意見圖1。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行蠟油或者柴油置換時(shí)還可以將空冷后流程改至另一系列原料油緩沖罐，摻煉置換油。如系統(tǒng)內(nèi)油比較臟或者不滿足摻煉條件時(shí)還可以改至低溫重污油線，外甩系統(tǒng)內(nèi)存油。

圖1 停工循環(huán)流程

2 停工過程

自2017年裝置首開以來，本套渣油加氫裝置經(jīng)過4個周期的運(yùn)行，經(jīng)過多次的停工已經(jīng)對其停工過程進(jìn)行了多次總結(jié)優(yōu)化，形成了一套安全系數(shù)高、平穩(wěn)快速的停工過程。裝置從工藝停工到加盲板交出檢修共需9天，停工降溫降壓曲線如圖2。

圖2 停工降溫降壓曲線

2.1 反應(yīng)系統(tǒng)降溫降量、切除減壓渣油

反應(yīng)系統(tǒng)降溫降量時(shí)應(yīng)遵循加氫裝置先降溫后降量的基本原則，由于降溫降量及蠟油置換階段產(chǎn)品還是走正常供料流程，應(yīng)確保產(chǎn)品合格，降溫速度不應(yīng)過快。通過調(diào)節(jié)加熱爐出口溫度及冷氫閥開度以3～5 ℃·h-1的速度降低每個反應(yīng)器的入口溫度，進(jìn)料量以10～15 t·h-1的速度降低進(jìn)料量至 167 t·h-1（70%負(fù)荷），同時(shí)以10～20 t·h-1的速度降低渣油摻煉量。當(dāng)進(jìn)料量降至167 t·h-1后維持進(jìn)料量不變，在繼續(xù)減少渣油摻煉量的同時(shí)增加減壓蠟油摻煉量直至渣油全部切除。由于原料反沖洗過濾器反沖洗油為精制渣油，在切除渣油進(jìn)料后應(yīng)對過濾器手動強(qiáng)制停運(yùn)，防止渣油繼續(xù)進(jìn)入該列反應(yīng)系統(tǒng)。與此同時(shí)對該系列相關(guān)管線及換熱器管線進(jìn)行置換，確保置換無死角。原料油升壓泵、反應(yīng)進(jìn)料泵、貧胺液泵等相關(guān)備用泵改至正常生產(chǎn)一列。由于此時(shí)氫氣消耗量減少，氫氣站負(fù)荷降低，適時(shí)停1臺新氫機(jī)。

2.2 裝置蠟油工況降溫降壓，改循環(huán)

停工系列在切除減壓渣油6 h小時(shí)后，每小時(shí)采熱低分油樣分析餾程，確認(rèn)蠟油置換完成后將該系列改成原料-反應(yīng)-低分-空冷-原料循環(huán)流程，如圖1所示。在增大循環(huán)量的同時(shí)減少熱低分油至分餾系統(tǒng)的量，直至熱低分油全部循環(huán)至原料油罐。在改循環(huán)的過程中應(yīng)緩慢進(jìn)行，防止大量溶解氫在原料油罐內(nèi)集中釋放，造成安全閥起跳，分餾系統(tǒng)應(yīng)及時(shí)調(diào)整，改循環(huán)后控好各塔罐液位。在降溫及循環(huán)過程中關(guān)注相關(guān)換熱器的換熱，注重?zé)嵩凑{(diào)整，由于原料部分取熱變少，精制渣油與原料換熱后溫度升高，如若不及時(shí)調(diào)整會使精制渣油汽包產(chǎn)氣量變大壓力超高，甚至?xí)?dǎo)致安全閥起跳。由于此時(shí)停工系列反應(yīng)部分的油停止向分餾輸送，根據(jù)分餾塔底泵的負(fù)荷，適時(shí)停運(yùn)1臺分餾塔底泵。

2.3 反應(yīng)系統(tǒng)降壓至6.0 MPa，300 ℃恒溫脫氫

裝置改蠟油循環(huán)后，繼續(xù)以5～10 ℃·h-1的速度降低各反應(yīng)器床層溫度至300 ℃，以1.5 MPa·h-1的速度將系統(tǒng)壓力降至6.0 MPa。隨著反應(yīng)溫度降低，熱高分溫度也會同步降低，熱高分氣后的汽包產(chǎn)氣量會隨之降低，當(dāng)產(chǎn)氣量較少時(shí)適時(shí)將汽包蒸汽改放空。全關(guān)循環(huán)氫脫硫塔旁路閥，讓全部循環(huán)氫通過脫硫塔，保持該系列胺液脫硫系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)使系統(tǒng)內(nèi)的硫化氫濃度盡量低。系統(tǒng)壓力降至6.0 MPa后，控制反應(yīng)溫度穩(wěn)定在300 ℃進(jìn)行24 h恒溫解氫操作。為防止氫脆的發(fā)生，停工期間通常進(jìn)行24～48 h的恒溫解氫，這樣可以使氫徹底地釋放出來，當(dāng)反應(yīng)器器壁繼續(xù)降溫時(shí)，氫濃度可以達(dá)到安全氫值以下，防止發(fā)生氫脆，影響鋼材的機(jī)械性能[4]。

2.4 反應(yīng)系統(tǒng)降溫至250 ℃，恒溫解氫，引柴油置換系統(tǒng)

300 ℃恒溫解氫完成后，以5～10 ℃·h-1的速度將反應(yīng)溫度降至250 ℃進(jìn)行24 h恒溫解氫。引入開工柴油的第9、12、15個小時(shí)，在熱低分油采樣器處采樣分析油品黏度，小于12 mm2·s-1（50 ℃）則柴油置換合格，柴油置換量如表2所示。

表2 柴油置換量

2.5 反應(yīng)系統(tǒng)繼續(xù)降溫，注成膜劑

固定床渣油加氫催化劑普遍不進(jìn)行再生處理，在停工時(shí)采用注成膜劑的方法進(jìn)行不動態(tài)化處理，在170 ℃下，成膜劑在催化劑表面形成保護(hù)膜，隔絕空氣與催化劑的接觸，防止催化劑卸劑時(shí)自燃。反應(yīng)系統(tǒng)250 ℃恒溫脫氫及柴油置換結(jié)束后以5～10 ℃·h-1的速度向220 ℃降溫，根據(jù)循環(huán)空冷出口溫度逐步將反應(yīng)進(jìn)料提高到220 t·h-1，停高低壓注水。確認(rèn)反應(yīng)溫度降至220 ℃以下后開始在濾后原料油罐出口注入成膜劑。降溫的過程中應(yīng)注意防止羰基鎳的生成，羰基鎳的生成與溫度、CO濃度以及反應(yīng)壓力有關(guān)，溫度越低越易生成羰基鎳[5]。采樣分析循環(huán)氫中CO含量，確保反應(yīng)溫度降至205 ℃前CO含量小于10×10-6。CO含量合格后以3～5 ℃·h-1的速度降低反應(yīng)溫度，反應(yīng)溫度降至170 ℃前保證柴油循環(huán)12 h以上，對催化劑進(jìn)行不動態(tài)化處理，根據(jù)循環(huán)油的黏度、閃點(diǎn)、傾點(diǎn)等指標(biāo)的分析結(jié)果確認(rèn)成膜操作結(jié)束。

2.6 反應(yīng)床層降溫至130 ℃后停進(jìn)料泵，繼續(xù)降溫降壓

催化劑170 ℃成膜結(jié)束后停反應(yīng)加熱爐，繼續(xù)以最快的速度降低反應(yīng)溫度，當(dāng)反應(yīng)溫度降至130 ℃時(shí)停反應(yīng)進(jìn)料泵，如溫度降至太低再停進(jìn)料泵會導(dǎo)致反應(yīng)器退油不徹底，催化劑表面附著的油品過多，溫度太高可能會影響成膜劑成膜效果。

停反應(yīng)進(jìn)料泵前將循環(huán)油改去低溫重污油外送，各罐內(nèi)液位降至適當(dāng)區(qū)間后停反應(yīng)進(jìn)料泵。隨著反應(yīng)系統(tǒng)存油的排出降低反應(yīng)壓力，在熱高分和反應(yīng)器壁溫度達(dá)到93 ℃前將反應(yīng)系統(tǒng)壓力降至4.0 MPa左右。提高循環(huán)機(jī)轉(zhuǎn)速，開大冷氫閥，以最大的速度將該系列反應(yīng)溫度降至50 ℃以下。

2.7 系統(tǒng)排油、氮?dú)庵脫Q、隔離

停反應(yīng)進(jìn)料泵后首先可先進(jìn)行原料系統(tǒng)的排油，原料系統(tǒng)排油采用接臨時(shí)氮?dú)夥绞脚胖廖塾凸薏⑦M(jìn)行隔離。反應(yīng)部分的排油通過循環(huán)機(jī)的循環(huán)帶油，將反應(yīng)部分的存油全部趕至熱高分中，再通過熱低分及空冷外送至低溫重污油。

當(dāng)反應(yīng)床層最高點(diǎn)溫度降到50 ℃以下、器壁最高溫度降至75℃以下后停循環(huán)氫壓縮機(jī)，進(jìn)行反應(yīng)系統(tǒng)氮?dú)庵脫Q，反應(yīng)系統(tǒng)排液、隔離。從第三次氮?dú)庵脫Q開始，每次置換泄壓到0.2 MPa后在最后一臺反應(yīng)器出口及循環(huán)氫壓縮機(jī)入口分液罐頂采樣分析氣體組成，直到連續(xù)兩次分析結(jié)果顯示氣體中“烴+氫”體積分?jǐn)?shù)小于0.5%后停止置換，將反應(yīng)系統(tǒng)泄至微正壓，準(zhǔn)備進(jìn)行卸劑作業(yè)。

3 停工過程中的優(yōu)化措施

3.1 保持循環(huán)氫純度

隨著反應(yīng)系統(tǒng)的降溫降量，氫氣的消耗會隨之減少，再加上裂化反應(yīng)的程度變低輕組分變少，循環(huán)氫中輕烴物質(zhì)減少，循環(huán)氫純度會明顯提高，這時(shí)要控制循環(huán)氫中的氫氣純度。如果在停工的過程中循環(huán)氫純度太高會導(dǎo)致循環(huán)氫壓縮機(jī)入口流量表表顯流量變小，在第二個運(yùn)行周期中由于沒有保持循環(huán)氫濃度導(dǎo)致反飛動閥過早打開，循環(huán)氫直接通過高壓空冷返回到循環(huán)機(jī)入口，造成爐前混氫流量減少，反應(yīng)爐出入口溫度波動、床層溫度波動、高分液位波動等。

當(dāng)?shù)谌齻€運(yùn)行周期結(jié)束停工時(shí)注意了循環(huán)氫純度的保持，操作波動較大的問題得到解決。如反飛動閥突然打開較大，會使?fàn)t前混氫流量大幅度減少，有觸發(fā)混氫流量低低聯(lián)鎖的風(fēng)險(xiǎn)。爐前混氫流量的減少、高壓空冷后循環(huán)氫流量的加大會對熱高分、冷高分液位控制產(chǎn)生影響，對系統(tǒng)的液位控制帶來困難。循環(huán)氫純度的控制一般是通過調(diào)整排廢氫量來調(diào)整，由于裝置內(nèi)設(shè)置了膜分離系統(tǒng)使排放的廢氫得到了回收利用。開始降溫降量后就應(yīng)通過減少向膜分離系統(tǒng)排廢氫的方式來控制循環(huán)氫純度，在此過程中關(guān)注補(bǔ)充氫閥開度。隨著降量、降溫以及原料性質(zhì)的變輕，補(bǔ)充氫量將會逐漸變小，補(bǔ)充氫閥會逐漸關(guān)小。

3.2 反應(yīng)系統(tǒng)壓力控制

降低系統(tǒng)壓力的過程可分為2個階段，一是 16 MPa降至10 MPa期間，這個階段的降低壓力主要是通過關(guān)小補(bǔ)充氫閥來控制，使系統(tǒng)內(nèi)耗氫量大于補(bǔ)充氫量，壓力自然下降。在降低系統(tǒng)壓力的過程中如若補(bǔ)充氫量較小，補(bǔ)充氫閥開度較小，系統(tǒng)與氫氣站壓差較大應(yīng)將該系列的PV閥切換到HV閥來控制，有利于小補(bǔ)充量、大壓差下的流量調(diào)節(jié)。二是10 MPa以下的這個階段，系統(tǒng)內(nèi)耗氫比較少，單純降低補(bǔ)充氫量已不能滿足壓力的下降需求，一般都是通過排放火炬的方式來降低系統(tǒng)壓力，但這樣不利于氫氣回收，資源浪費(fèi)。該過程優(yōu)化措施是通過循環(huán)氫聚結(jié)器底排向冷低分的方式進(jìn)行降壓，通過冷低分的回收氫氣進(jìn)而實(shí)現(xiàn)資源的節(jié)約與效益的提高。目前膜分離入口壓力控制在10 MPa，當(dāng)系統(tǒng)壓力降至與膜分離入口壓力接近后關(guān)閉停工系列去膜分離排廢氫控制閥流程。

3.3 柴油置換蠟油優(yōu)化措施

250 ℃恒溫脫氫結(jié)束后，柴油置換系統(tǒng)內(nèi)蠟油階段，由于系統(tǒng)較大，置換時(shí)間較長，如若將置換油全部外甩污油則會產(chǎn)生較多置換污油，油中的溶解氣體含有大量氫氣和硫化氫，直接排放容易導(dǎo)致污油罐產(chǎn)生危險(xiǎn)。在此過程中優(yōu)化置換油的去向，在柴油置換開始之后通過精制渣油空冷后長循環(huán)線摻煉至另一系列正常生產(chǎn)，同時(shí)減少停工系列的循環(huán)量與另一系列的蠟油新鮮進(jìn)料，保持液位穩(wěn)定。置換油摻煉至另一系列時(shí)由于摻煉油性質(zhì)較輕，應(yīng)及時(shí)調(diào)整分餾部分的側(cè)線抽出，關(guān)注反應(yīng)溫度。在此條件下，正產(chǎn)生產(chǎn)系列的蠟油消耗量會降低，蠟油泵的運(yùn)行情況可能會受到影響，應(yīng)及時(shí)關(guān)注泵的運(yùn)行情況，及時(shí)開返罐線，防止憋泵損壞設(shè)備。

柴油由于其滲透性好的特性，再加上溫度的變化，在進(jìn)柴油后應(yīng)關(guān)注相關(guān)法蘭的密封情況，停工前就將易漏部位保溫拆除，易于觀察是否有滲漏，并方便提前進(jìn)行法蘭緊固。法蘭在溫度變化階段進(jìn)行緊固有效減少了柴油的滲漏。柴油的初餾點(diǎn)大概在180 ℃，停工系列引入柴油置換系統(tǒng)后應(yīng)控制濾后原料油緩沖罐入口溫度不高于180 ℃，防止反應(yīng)進(jìn)料泵的抽空。

3.4 循環(huán)氫脫硫系統(tǒng)

循環(huán)氫脫硫系統(tǒng)應(yīng)盡量晚停，最大程度地吸收系統(tǒng)內(nèi)的硫化氫，循環(huán)氫中硫化氫含量的降低有利于系統(tǒng)內(nèi)硫化氫的釋放。脫硫系統(tǒng)吸收較多硫化氫在后續(xù)的氮?dú)庵脫Q階段，更容易使系統(tǒng)內(nèi)硫化氫置換合格，縮短置換時(shí)間，還會降低停工換劑過程中催化劑中硫化氫的釋放量。在停用循環(huán)氫脫硫系統(tǒng)前采樣分析循環(huán)氫中硫化氫含量，確保循環(huán)氫中硫化氫含量低于10×10-6，經(jīng)過幾次的停工摸索，控制在這個量較為合適。

3.5 反應(yīng)器卸劑

加氫催化劑經(jīng)過1個周期的反應(yīng)，催化劑內(nèi)吸附了有較多含量的金屬硫化物，其中以FeS為代表的金屬硫化物極易產(chǎn)生危險(xiǎn)。FeS具有遇空氣會發(fā)熱自然的特性[6]，并在此過程中釋放出對人身體有害的物質(zhì)，再加上反應(yīng)器內(nèi)會釋放出輕烴、氫氣、硫化氫等易燃易爆、有毒有害的氣體，故采取充氮?dú)獗Ｗo(hù)的無氧作業(yè)方式[7]，卸劑人員采用空氣呼吸設(shè)備進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)作業(yè)。停工過程中加注成膜劑有效防止了催化劑的自燃。采用無氧作業(yè)方式時(shí)氮?dú)庵脫Q效果尤為關(guān)鍵，為保證卸劑作業(yè)的安全，采取氮?dú)獠婚g斷供應(yīng)的方法，保證氧氣含量小于0.5%，并在卸劑過程中監(jiān)控反應(yīng)器內(nèi)溫度，如溫度上漲較快應(yīng)停止卸劑。在卸劑現(xiàn)場配備足夠量的干冰，在遇到反應(yīng)器內(nèi)溫度升高或者催化劑卸出的過程中發(fā)生自燃應(yīng)及時(shí)加入足量的干冰進(jìn)行降溫或滅火。停工期間由于未進(jìn)行熱氫氣提，反應(yīng)器內(nèi)會產(chǎn)生一些存油，卸劑前與卸劑過程中在反應(yīng)器底部及底部彎頭處產(chǎn)生的存油應(yīng)及時(shí)排出。

4 結(jié) 論

通過對停工過程以及對重點(diǎn)操作控制的優(yōu)化，單系列停工過程更加合理，在操作中更加規(guī)范準(zhǔn)確，使停工更加經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、安全。具體停工中如氣溫較低則反應(yīng)床層及器壁降溫時(shí)間會減少，整體停工時(shí)間將進(jìn)一步縮短，大約9天左右即可完成停工隔離工作，為縮短整體停工換劑檢修時(shí)長爭取了時(shí)間。

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Optimization Analysis of Single Series Shutdown Process of Residue Hydrogenation Unit

（CNOOC Huizhou Petrochemical Co., Ltd., Huizhou Guangdong 516086, China）

The catalyst running period of fixed bed residue hydrogenation unit is short, and it needs frequent shutdown to replace the catalyst, which causes the problem that the shutdown period does not match the shutdown period of the whole plant. Major refineries often solve this problem by double series setting and single billing and stopping. Taking a 4.0 Mt·a-1residuum hydrogenation unit as an example, after two series of four cycles of operation, through the accumulation and summary of experience, the shutdown steps were continuously optimized, and the important and difficult problems in operation were analyzed. A set of relatively safe, stable and fast single series shutdown scheme has been formed, which is helpful to the subsequent shutdown of the unit.

Residue hydrogenation; Single series; Shutdown; Optimization

2022-04-07

聞金海（1996-），男，吉林省長春市人，2019年畢業(yè)于廣東石油化工學(xué)院化學(xué)工程與工藝專業(yè)，研究方向：石油化工。

TE624.4+31

A

1004-0935（2023）01-0056-05