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

为进料的2.5wt%-4.0wt%，每吨重整进料可提供250-500Nm3副产氢；加氢装置

排出的低分气体及废氢中含有大量的氢气，体积分数可达到80％左右。典型的

炼油装置排放气中氢气的含量如表3所示：

表3 典型炼油装置排放气体中的氢含量

排放装置操作压力/MPa 典型氢气含量，vol% 连续重整装置 1.0-3.0 80-90 高压加氢装置 6.0-20.0 60-85 低压加氢装置 2.0-6.0 50-75 催化裂化装置0.5-1.5 15-30 延迟焦化装置0.5-1.5 15-30 目前常用的氢气回收方法包括变压吸附法(PSA)、膜分离法及深冷分离法等

方法，三种方法各有特点[4]。

变压吸附法(PSA)是一种物理分离过程，在较高的压力下，含氢气体中的杂

质被吸附剂吸附，杂质的脱附在较低压力下进行。该过程可得到高纯度的氢气，

变压吸附技术在炼厂氢气回收中的应用广泛，技术成熟。

膜分离法利用被分离组分在分离膜中不同的渗透力实现分离，该方法需要较

高的进气压力，与其他方法相比，产品氢纯度虽然不是太高，但便于炼厂选用。

缺点是产品氢压力大大低于进气压力，使用前需再压缩。进气中的杂质也是潜在

问题，有些组分如硫或芳烃对分离膜会有伤害，重质烃类可能被液化而影响设施

性能。

深冷分离法为低温分离过程，利用气体混合物中组分的相对挥发度差异达到

分离目的。氢气的相对挥发度高于其他烃类，可回收中高纯度的氢气，氢气回收

率也较高，深冷分离法是三种回收技术中投资最高的方法。

从操作灵活性比较，变压吸附法的灵活性最高，当原料杂质浓度改变时，调

整吸附时间后能维持氢纯度。膜分离技术适应能力较小，深冷分离最不灵活，对

原料的要求最高。从操作弹性比较，变压吸附和膜分离可在30-100%设计能力下

操作，但小处理量时回收率损失较大。深冷分离降低能力到30-50%操作时仍能

维持产品氢纯度，但产品回收率略有降低。从可靠性比较，膜分离法转动部件少，

不易出现设备故障，在原料符合设计要求时，开工率可达100%，可靠性最好。

变压吸附的控制阀门是关键设备，如果质量保证，则开工率可达99.8%以上。深

冷分离可靠性较差，对原料水分要求比较严，防止在原料预处理工序发生冷箱的

冻结而导致停工。三种方法的对比表如表4所示：

表4 氢气回收方法比较

项目变压吸附法膜分离法深冷分离法氢气回收率,% 75-90 <90 90-98 产品氢纯度，vol% >99.9 <95 95-99 原料气中氢含量最小值，vol% 50 15-20 20 进气压力，MPa 1.0-5.6 1.6-12.6 1.6-3.6

可变产品氢压力/原料气压力 1 0.1-0.25

组合性差好差

相对投资1-3 1 2-3

操作方便性较好非常好较复杂

3炼厂氢气系统优化

3.1 炼厂含氢气体的优化利用

炼厂中的含氢气体主要包括加氢装置低分气、加氢装置干气、催化干气、焦

化干气、重整富氢气体等，根据氢含量的不同宜进行优化利用。加氢装置低分气、

重整富氢气体氢含量较高，混合后纯度可达90vol%，宜进行氢气回收。加氢装

置干气，氢气纯度在50-60vol%之间，可以回收氢气也可以作为制氢原料。焦化

干气与催化干气氢气纯度在15-30 vol%之间，且含有烯烃，宜作为燃料气，必要

时再回收氢气。变压吸附尾气氢气纯度较低，宜作为制氢原料。

3.2 炼厂氢气管网的优化

炼厂氢气管网可根据氢纯度、管网压力划分成多个管网。根据氢纯度划分，

炼厂氢管网可分为高浓度氢管网（氢纯度>99.9vol%）和低浓度氢管网（氢纯度

90-94vol%）。低浓度氢管网主要来自连续重整的含氢气体，主要提供给对氢分压

要求不高的加氢装置，其余进入炼厂氢气回收提纯系统，提纯后进入高浓度氢管

网。高浓度氢管网中的氢气主要来自制氢装置，供给高压加氢装置使用。在管网

之间要设置连通线，以保证全厂加氢装置的用氢安全。

当炼厂中有部分氧化制氢装置时，由于产氢的压力较高，可以将炼厂氢管网

分为高压管网和低压管网。高压管网压力可达5.0MPa以上，氢气主要来自部分

氧化制氢装置，低压管网压力一般为2.1MPa左右，来自蒸汽转化制氢装置。设置不同压力的氢气管网，可以避免氢气系统的降压、升压而造成的能量浪费，提高氢气的利用效率，降低用氢成本。

3.3 氢气管网的夹点分析

炼油厂中有多个氢源，每个氢源产生的氢气量、浓度、压力都不同；同时炼油厂有多个耗氢装置，每个耗氢装置都有不同的需求，且每个装置的氢负荷有一定灵活性(如浓度、循环氢量可调)，这就为应用夹点技术对炼油厂氢气网络优化提供了空间[5]。该方法的主要功能是应用每个耗氢装置和产氢装置与氢气有关的数据绘制成氢气系统复合曲线和氢气纯度余量曲线(夹点图)，以确定最小氢气消耗目标，并进一步建立氢气网络模型。将氢气网络模型纳入到炼油厂线性规划模型(如PIMS等)中使用，以达到炼油厂整体优化，提高全厂经济效益。如优化加氢反应器氢分压与提高转化率、产率、产品质量之间的关系；优化重整进料，提高重整反应苛刻度、提高氢气产率等，以实现全厂效益最优。

4结论

随着加氢技术的快速发展，炼厂内氢气系统的优化设计对提高炼厂的经济竞争力发挥着越来越重要的作用。在炼厂的规划设计中，应该对炼厂内耗氢装置与产氢装置的特点进行分析，选择最经济的氢气来源。对于炼厂的含氢气体，应该根据氢含量的不同进行优化利用。同时，利用夹点分析技术可以对炼厂氢气管网的配置进行充分的优化，以达到最佳的经济效益。

参考文献

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[2] 邱若磐，尹洪超．重油加氢氢气系统的模拟优化[J]．齐鲁石油化工，2007，35(1)：13-16．

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[5] 刘桂莲，唐明元，冯霄．多杂质氢网络的优化[J]．石油化工，2009，38(4)：419-422．