炼油厂氢气系统的计算与优化

炼油厂氢气系统的计算与优化

在当今世界原油资源持续重质化、劣质化的趋势之下，为满足日趋严格的产品质量标准，加氢技术在原油二次加工过程中的应用越来越广泛。在发达国家的炼油工业中，加氢装置的处理能力一般占原油加工能力的50％以上，有的甚至高达90％。而在我国炼油企业中，这个比例约占30%，还有较大的发展空间[1]。近年来，国内新建的一批千万吨级大型炼厂中加氢装置的处理能力有了较大的提升，出现了多个“全加氢型”的炼厂。随着加氢工艺的发展，炼厂内对氢气资源的需求也在增加，氢气资源短缺的矛盾正在显现。因此，合理的规划利用炼厂内宝贵的氢气资源，降低用氢成本，对提高炼油厂的经济效益至关重要。

1炼厂氢气消耗分析

在炼油厂加氢装置的生产过程中，对氢气的消耗主要体现在四个方面：化学耗氢、溶解损失、放空损失、设备漏损，这几方面耗氢所占的比例与原料性质、加氢过程反应类型以及设备状况等因素有关。

1.1 化学耗氢

加氢装置的化学耗氢，包括还原(脱除油品中的硫、氮、氧)、饱和(烯烃饱和)和裂化(对大分子碳氢化合物裂化后的不饱和小分子碳氢化合物的加氢)所消耗的氢气。化学耗氢量一般可占总耗氢量的90%左右，化学耗氢量是脱硫量、脱氮量、烯烃和芳烃饱和度、原料重金属含量及原料分子特性的函数[2]。

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的不同反应深度，是影响化学耗氢量的主要因素。以柴油加氢精制为例，在精制深度相同时，分别以直馏柴油、催化裂化柴油、焦化柴油为原料的加氢精制，其耗氢量就有区别。催化裂化柴油或焦化柴油中含有大量烯烃需要加氢饱和，而且油品也较重，含有较多的硫、氮等杂质需要加氢脱除，这样就增加了化学反应耗氢量。如果柴油含芳烃多，又要求将其饱和时，耗氢量就更大。可见，加氢装置在不同的原料组成或采用不同的加工流程时，由于原料性质和加工深度不同，其化学耗氢量会有较大的差别。

1.2 其他耗氢

溶解损失是指在高压下溶解于加氢生成油中的氢气，随加氢生成油排出而造成的损失。这种损失与操作压力、温度和生成油的性质及含氢气体的溶解度有关。一般来说，氢气在汽油、柴油和蜡油中的溶解度随温度的升高而增加，随压力的升高呈线性增加，随馏分沸点的升高而增加。但氢气在常压渣油中的溶解度小于在蜡油和柴油中的溶解度[3]。

放空损失指在加氢过程中为了维持循环氢气的纯度，所排出的少量循环氢气，通常称为废氢。放空损失与排入氢气回收系统的循环氢气量和氢气回收率有关。

设备漏损指在炼厂生产过程中由于设备密封等因素造成的氢气损失，它与炼厂的设备状况有关。

1.3 典型装置的耗氢量

典型耗氢装置的耗氢量见表1所示，可见加工不同的原料、不同的加工深度以及采用不同的工艺技术，对氢气的消耗量有较大的差别。

表1 典型耗氢装置的耗氢量

耗氢装置 耗氢量，wt% 减压蜡油加氢裂化（一次通过） 2.0-2.5

减压蜡油加氢裂化（尾油循环） 2.7-3.5

减压蜡油加氢裂化（两段加氢） 2.7-4.5

减压蜡油加氢处理 1.0-1.5

直馏柴油加氢处理 0.6-0.8

催化柴油加氢处理 0.9-1.2

焦化柴油加氢处理 0.9-1.2

焦化汽柴油加氢处理 1.1-1.4

重整原料预加氢处理 0.1-0.4

催化裂化柴油深度脱硫、芳烃饱和

产品硫≤0.0003%，芳烃≤0.25% 2.0-2.2

产品硫≤0.0003%，芳烃≤0.15% 3.2-3.5

催化汽油加氢处理 0.5-1.2

异构化 0.5-0.8

硫磺回收 0.3-0.5

聚丙烯 0.01-0.03 注：表中的耗氢量为对进料量的质量分率。

2炼厂氢气来源

2.1 制氢

一般炼厂中氢气的主要来源是常规制氢，虽然它的成本是氢气回收成本的

10倍以上，但氢气回收无论在数量、质量和供应可靠性方面均不如常规制氢，

因此大型炼厂一般均配有一定规模的制氢装置作为供应氢气的主力装置。

炼厂常规制氢主要有蒸汽转化法和部分氧化法两种方法。蒸汽转化法只能使

用轻质原料，是炼厂应用最为广泛的制氢工艺。而部分氧化法的原料比较广泛，

可以使用从天然气到重质渣油的任何烃类原料。

蒸汽转化法制氢的原料范围包括从天然气到轻质石脑油范围内的轻质烃类。

一种烃类的理论产氢量是每个碳原子转化成CO2时还原水分子所得到的氢分子

之和，在碳原子数相同的情况下，原料氢碳原子比越大，理论产氢量越高，见表

2所示。小分子量的烃类氢碳比高，因此制氢工艺应尽量选择平均分子量小的轻

烃作为原料，以甲烷及天然气最理想。炼厂中的加氢干气（释放气）等气体资源

也应尽量利用。乙烯裂解副产的甲烷氢气体中甲烷含量在90%以上，也是一种良

好的制氢原料。

表2 原料氢碳原子比和理论产氢量的关系

4.0

H/C 2

3.8

2.4 2.6 2.8

3.0 3.2 3.4 3.6

2.2

理论产氢量 Nm3/kg 4.80 4.89 4.98 5.06 5.15 5.23 5.31 5.38 5.46 5.53 5.60烃类蒸汽转化催化剂的活性组分为镍，而其载体和助催化剂由于催化剂的抗

积炭机理不同而有很大差别。转化催化剂在使用过程中极易中毒而丧失活性，这

就对烃类原料提出较为严格的要求。根据目前国内催化剂的水平，一般要求转化

原料的组成为：烯烃含量≤1%，芳烃≤13%，轻油干点≤180℃，硫含量≤0.5ug/g。

目前，最主要的氢气来源依然是以烃类水蒸汽转化法获得，随着制氢规模的

增大和天然气及轻质烃类的短缺，近年来以减压渣油、沥青及石油焦为原料的部

分氧化法制氢工艺，由于原料价格便宜，氢气成本低，对环境友好，正日益受到

重视。

2.2 氢气回收

炼厂中很多装置在生产过程中都会副产一定的氢气，如催化重整装置氢产率