柴油加氢装置氢气损耗影响因素分析

摘要：分析了300万吨/年柴油加氢裂化装置氢气消耗的主要因素，并在此基础上提出了降低氢耗的主要措施，以及后期装置运行的优化调整方向，达到降低装置生产成本，提高了经济效益的目的。

关键词：柴油加氢；氢耗；优化调整

1000万吨炼化一体化项目已步入正轨，氢气是柴油加氢装置生产所需的主要原料，且氢气的市场价格持续上涨，如何降低装置的耗氢量，成为装置优化运行的重中之重。

1 装置概况

装置采用两段全循环加氢裂化工艺技术，设置一段加氢精制/裂化反应器和二段加氢裂化反应器两个反应器，使用AXENS研制的HR-1248/HYK-732型加氢精制/裂化催化剂。装置设计处理的原料油为1#、2#常减压装置常二、三线柴油。装置主要产品为重石脑油、轻石脑油，并副产酸性液化气、酸性气、酸性低分气和少量尾油。

2 影响加氢裂化装置氢耗的主要因素分析

在装置正常生产过程中，向反应系统补充的新鲜氢气主要消耗在化学氢耗、溶解损失、泄露损失、废氢排放这4个方面[1]。其中，化学氢耗所占比例最大，主要受反应温度、系统压力、原料油密度和组分影响。

2.1 化学反应氢耗

化学耗氢=（新氢中氢组分质量-低分气氢组分质量-酸性气氢组分质量）/原料油质量

2.1.1 原料性质的影响

加氢过程中大部分氢气消耗在化学反应上，即消耗在脱除进料中的硫、氮、氧、芳烃与烯烃饱和反应，以及加氢裂化和开环等反应中，不同的反应过程、不同的进料化学组成和对产品质量的不同要求而导致不同的反应苛刻度，是影响化学反应耗氢的主要因素。化学耗氢量与原料组成密切相关，一般来说，原料油干点及硫、氮等杂质含量越高，反应温度越高，化学反应的耗氢量就越大[2]。

由表2可以看出，当装置加工负荷、主要产品收率基本相同时，原料的密度、硫含量、氮含量和馏程对氢耗影响很大。原料中的硫原子在高温、高压下遇氢气生成硫化氢，理论上一个硫原子需要消耗一个氢分子，同时脱硫后的烷烃需要一个分子的氢气加氢饱和，因此脱除一个硫原子需要消耗两个氢分子，脱氮原理也相同，在精制反应器中脱除一个氮原子需要消耗三个氢分子。原料油密度越大，馏分越重，反应所需脱去的S、N等组分越多，而为保证产品质量，则需加大反应深度，导致反应的氢耗量就相应的增加。

2.1.2 反应温度的影响

提升反应深度，实际就是提高反应各床层的平均温度，为了分析反应温度对化学氢耗的影响，选取了原料油性质接近，加工负荷相同时的反应温度与氢耗量进行分析对比。

从表3可以看出，原料油性质接近情况下，化学氢耗随反应温度升高而增大。温度升高，反应速度加快，单位时间消耗氢气较多，故化学氢耗增大。而过高的反应温度不仅会造成原料油发生裂化反应，也会加快催化剂表面积碳速率，造成催化剂活性下降，而这必须要通过进一步提高反应温度来弥补，如此造成恶性循环，使氢气消耗大幅度增加。在加氢裂化反应中，温度对裂化反应速率的影响十分明显，在正常的反应条件下，温度每提高11 ℃，反应速度几乎增加一倍，释放的反应热也大量增加；同时，温度的变化还会使产品分布发生较大变化，随着反应温度的提高，反应产物中低沸点组分的含量大大增加，气体产率增高，氢气消耗量相应增加。

2.2 溶解损失

由于柴油加氢裂化反应系统压力高达10.04MPa，氢气循环过程中部分氢气会溶解在反应生成油中，从高压分离器流入低压分离器经减压后又解析出来，造成部分氢气的损失。这部分损失与高压分离器的操作压力、温度、生成油的性质及氢气的溶解度有关，高压分离器操作压力增高，或者操作温度增高时，氢气的溶解损失增大。另外，实际生产中氢气的溶解损失还与容器内液体的停留时间及设备结构有关[3]。以下讨论热高分和冷高分温度对氢气溶解度的影响。

从图 2 可以看出，对于热高分，热高分温度在180℃和230℃是两个拐点，180℃左右时循环氢体积分数最低，当温度高于180℃时，随温度的增加，循环氢体积分数逐渐增加，当温度超过 230℃后，循环氢体积分数增加趋势变缓。从循环氢温度过高容易带液和设备设计温度综合考虑，本装置热高分温度选择在 230℃～235℃。

从图3可以看出，对于冷高分，操作温度越低，氢纯度越高，但温度过低，高压空冷及高压换热器冷却负荷将增大，导致能耗的增加。综合考虑，冷高分的操作温度控制40℃～45 ℃。

3 降低氢耗的主要措施

3.1 优化原料配置，选择合适的反应温度

为了降低化学反应耗氢，需要公司协调原料配置，使原料油性质尽可能满足装置工艺要求 。同时，在实际生产中控制精制反应温度满足原料油中的有机氮化物脱除达到10ppm以下即可，尽可能避免过度反应。目前装置的精制温升偏高，精制油氮含量一直维持较低。另外根据原料性质和催化剂性能选择适宜的加氢精制与加氢裂化反应温度，可以较好地控制反应深度，降低反应过程的氢耗量，减少过度裂解，降低轻组分收率。

3.2 控制高压分离器操作温度，减少氢气溶解损失

合理控制好冷、热高压分离器的操作温度，热高分温度选择在 230～235℃，高压换热器、高压空冷完全能够满足冷高分的温度40～45℃的控制要求，目前将冷高分操作温度稳定控制在42℃，从而减少氢气的溶解损失。

4 结论

氢气消耗量对柴油加氢装置加工成本及效益影响较大，针对影响柴油加氢装置氢耗量的主要因素：化学反应氢耗、溶解损失、泄露损失以及废氢排放，通过采取优化原料配置和工艺操作、选择合适的反应温度、保持适当的循环氢纯度、选用新型催化剂等相应措施，对降低氢耗、提高装置经济效益，确保装置长周期稳定运行有重要意义。

参考文献

[1] 赵日峰，张涛．优化临氢装置工艺条件，扩大低成本氢气来源[J]．南炼科技，1999（11）：7—8．

[2] 加氢处理工艺与工程[M].李大东，主编．北京：中国石化出版社，2004：676—677．

[3] 加氢裂化装置操作指南[M].李立权，主编．北京：中国石化出版社，2005：65—69 ．

范世墙，男，满族，辽宁省鞍山市，1993年3月，大学本科学历，助理工程师，研究方向：有机化工、安全工程