航煤加氢装置反应系统优化与节能降耗技术研究

引言

航煤加氢是生产低硫航空燃料的核心工艺，其反应深度与能耗控制直接影响产品质量与经济性。当前装置普遍存在反应器温升分布不均、循环氢纯度衰减导致的重复压缩耗能等问题。本研究基于航煤加氢装置运行数据，提出系统性工艺改进方案，为同类装置提供节能增效技术路径。

1 航煤加氢装置现状分析

1.1 装置运行基本情况

某航煤加氢装置采用固定床加氢工艺，由原料预处理、加氢反应、产品分馏等主要单元构成。装置在实际运行过程中，反应器入口温度控制在300-320^cC ，反应压力维持在 4.0-4.5MPa ，氢气循环量为 80000⋅100 000Nm³/h∘ 。但长期运行数据显示，装置存在能耗较高、反应效率提升困难的问题，影响企业经济效益和环保目标的实现。

1.2 存在的主要问题

在反应温度方面，现有装置采用单一的反应器入口温度设定，难以满足不同反应阶段对温度的差异化需求。由于加氢反应是放热反应，在反应过程中，床层温度会逐渐升高，导致反应器轴向温度分布不均，不仅影响反应深度和产品质量，还可能因局部温度过高引发催化剂失活和结焦现象。

氢气循环系统中，循环氢纯度会随着反应的进行逐渐降低，主要是因为反应过程中会生成部分轻质烃类等杂质气体，这些杂质混入循环氢中，使得氢气纯度下降。为保证反应所需的氢气浓度，需要不断补充新氢，同时对循环氢进行压缩，这就造成了氢气压缩能耗增加以及新氢消耗过多的问题。

从催化剂角度来看，现用催化剂在长时间运行后，其活性会逐渐衰减，抗结焦性能不足。结焦会堵塞催化剂孔道，减少活性中心数量，降低催化剂的催化效率，进而导致反应效率下降，为了维持产品质量，往往需要提高反应温度和压力，进一步增加了装置能耗。

2 反应系统优化措施

2.1 反应温度分级控制

2.1.1 建立反应动力学模型

为实现反应温度的精准控制，首先建立了航煤加氢反应动力学模型。该模型基于反应机理，考虑了原料组成、反应温度、压力、氢气浓度等多种因素对反应速率的影响。通过对大量实验数据和装置运行数据的拟合分析，确定了模型参数，能够准确描述加氢反应过程中各物质浓度随时间和空间的变化规律。

2.1.2 优化反应器入口温度分布

根据反应动力学模型，对反应器入口温度进行分级优化。将反应器分为多个反应段，每个反应段根据反应特点设定不同的入口温度。在反应初期，为了促进反应物的活化，提高反应速率，适当提高入口温度；在反应中后期，为避免因温度过高导致副反应发生和催化剂结焦，降低入口温度。通过这种方式，使反应器轴向温度分布更加均匀，减少了局部过热现象，提高了反应的选择性和深度。

2.2 氢气循环系统改造

2.2.1 循环氢膜分离提纯技术

针对循环氢纯度下降的问题，引入循环氢膜分离提纯技术。该技术利用特殊的高分子膜材料，根据不同气体分子在膜中的渗透速率差异，实现氢气与杂质气体的分离。在膜分离装置中，循环氢在压力驱动下，氢气分子能够快速透过膜，而轻质烃类等杂质气体则被截留，从而得到高纯度的氢气。经过膜分离提纯后，循环氢纯度可从原来的 85% 左右提高到 95% 以上。

2.2.2 系统流程优化

在氢气循环系统优化中，关键措施包括膜分离后增设缓冲稳压单元与动态调整新氢补给策略。具体实施中，于聚酰亚胺膜分离装置下游加装立式缓冲罐，配合精度 0.5% 的自力式调节阀，将出口氢气压力波动从 ±0.15 MPa 压缩至 ±0.03MPa 。此项改造显著提升系统稳定性，使循环氢压缩机电流波动降低。同时优化新氢补给路径，将补充点前置至膜分离单元入口，利用膜的选择性提纯作用使反应氢纯度提升 3.3 个百分点。创新开发的多参数联动控制系统，基于反应器温升速率、原料硫含量及在线氢纯度检测数据，通过动态调节新氢阀门开度，实现新氢消耗量降低，降幅 16.7% 。系统协同优化后，压缩机负荷率下降 7 个百分点，设备振动值优化，空速提升，年综合节能效益增加。该方案通过硬件改造与智能控制融合，有效解决了压力波动导致的能耗损失及氢气浪费问题。

2.3 催化剂活性调控

2.3.1 助剂的筛选与添加

通过大量的实验研究，筛选出合适的助剂来增强催化剂的抗结焦性能和活性。助剂的作用主要体现在两个方面：一是改变催化剂表面的电子结构和酸性，抑制结焦前驱体的生成；二是促进焦炭在催化剂表面的氧化反应，使焦炭及时分解，减少焦炭在催化剂表面的沉积。经过筛选，确定了一种金属氧化物助剂，将其按一定比例添加到催化剂中。

2.3.2 催化剂再生工艺优化

对催化剂的再生工艺进行优化。传统的催化剂再生方法往往存在再生不彻底、容易损伤催化剂结构等问题。新的再生工艺采用分步再生的方式，首先在较低温度下进行惰性气体吹扫，去除催化剂表面吸附的轻质烃类等杂质；然后在适当的温度和气氛下进行氧化再生，使焦炭充分燃烧；最后进行还原处理，恢复催化剂的活性。通过优化再生工艺，延长了催化剂的使用寿命，减少了催化剂更换的频率和成本。

3 工业应用效果分析

3.1 能耗指标变化

优化后，装置的能耗指标得到显著改善。氢耗降低，这主要得益于氢气循环系统的改造，提高了氢气的利用率，减少了新氢的补充量。加热炉燃料气用量减少，反应温度分级控制使得反应更加高效，减少了不必要的热量消耗，从而降低了加热炉的负荷。年综合能耗降低，经济效益显著。

3.2 产品质量提升

在产品质量方面，优化后的装置生产的航煤产品硫含量稳定在 5ppm以下，满足了日益严格的环保标准和产品质量要求。由于反应温度的合理控制和催化剂活性的提高，反应深度增加，产品中的其他杂质含量也有所降低，产品的安定性和燃烧性能得到进一步提升。

3.3 装置运行稳定性

反应系统优化后，装置的运行稳定性得到明显提高。反应器轴向温度分布更加均匀，减少了因温度波动对设备和催化剂的影响；氢气循环系统的稳定运行保证了反应所需的氢气浓度，降低了压缩机的故障率；催化剂抗结焦性能的增强和再生工艺的优化，延长了催化剂的使用寿命，减少了装置因催化剂问题导致的停车次数和时间，提高了装置的连续运行周期。

4 结论

本研究通过对航煤加氢装置反应系统进行优化，从反应温度分级控制、氢气循环系统改造及催化剂活性调控三方面提出的工艺优化措施取得了良好的效果。工业应用结果表明，这些措施有效降低了装置的能耗，提高了产品质量，增强了装置运行的稳定性。反应温度分级控制实现了反应器温度的合理分布，提高了反应效率；氢气循环系统改造提高了氢气纯度，降低了氢气压缩和新氢消耗；催化剂活性调控延长了催化剂使用寿命，减少了因催化剂问题带来的能耗增加。

参考文献：

[1]王立等. 膜分离技术在加氢装置的工业应用[J]. 石油炼制与化工, 2022.