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3 Mt/a柴油加氢装置改造及应用效果
熊伟庭
(中国石化茂名分公司，广东 茂名)
摘 要：为高比例掺炼催化裂化柴油，提高全厂柴油质量，中国石化茂名分公司对4号柴油加氢装置进行了技术改造，并对改造后的装置进行了标定。结果表明：通过实施新增改质反应器、调整催化剂级配方式、改造分馏塔塔盘数、增设轻柴油侧线汽提塔等措施，改造后装置在催化裂化柴油掺炼质量比为26.5%、精制反应器入口压力为8.55 MPa、精制反应器入口温度为312.5 ℃、改质反应器入口温度为358.0 ℃的条件下，生产出硫质量分数小于10 μg/g、多环芳烃质量分数小于7%的精制柴油，其十六烷指数为49.1，比原料油提升5.7，装置能耗为293.52 MJ/t，明显优于装置设计能耗。此外，改造后装置运行过程中仍存在一些问题，需要进一步优化装置原料组成，降低原料切换频次。
关键词：催化裂化 柴油 加氢 十六烷值
催化裂化柴油(简称催化柴油)因性质较差，需要进行改质、加氢转化、改善产品结构[1-4]，或加入到加氢裂化原料中进行掺炼[5-12]。中国石化茂名分公司(简称茂名石化)3 Mt/a柴油加氢装置(简称4号加氢装置)采用中石化(大连)石油化工研究院有限公司的FHUDS-6柴油超深度加氢脱硫技术和配套催化剂，于2014年9月建成中交。该装置主要由反应系统、分馏系统、脱硫系统和公用工程4部分组成，其主要产品为精制柴油，同时副产少量石脑油。为了提高全厂柴油质量，需要在4号加氢装置的原料(主要为直馏柴油)中掺炼高比例的催化柴油，从而对催化柴油进行加氢改质。因此，2021年7月茂名石化对4号加氢装置进行改造，建成柴油加氢改质装置。下面总结分析茂名石化4号加氢装置改造后的首次开工过程、工业标定结果以及装置运行后存在的问题，以期为同类装置的改造增效提供借鉴。
1 装置改造及改造后开工过程 1.1 装置改造
2021年6月23日，4号加氢装置停工检修，7月1日检修完成，开始进行改造。装置改造主要包括反应系统改造和产品分馏系统改造。其中，反应系统改造主要包括：①新增一台反应器及配套的仪表、管道、反应器框架设计，原精制反应器R501催化剂换剂；②将热高分气空气冷却器风机更换为节能风机；③2台新氢压缩机同时运行。
产品分馏系统改造包括：①产品分馏塔更换33 块塔盘，同时对上部塔段进行扩径；石脑油脱硫化氢汽提塔更换25 块塔盘；新增轻柴油侧线汽提塔及塔内件。②新增产品分馏塔塔顶冷却器，更换分馏塔塔顶冷却器、精制柴油/冷低压分离器油冷却器、石脑油冷却器、脱硫化氢汽提塔塔顶回流泵、产品分馏塔回流泵等。
装置改造过程中，工艺流程的调整幅度较大，改造后的工艺流程示意见图1。
图1 改造后工艺流程示意
装置改造后，4号柴油加氢改质装置的加工原料组成为2.2 Mt/a的直馏柴油和0.8 Mt/a催化柴油，实现了长周期高比例掺炼催化柴油的目的，并稳定生产出满足国Ⅵ标准的柴油和石脑油产品。
1.2 催化剂级配及装填
装置改造后，原有加氢精制反应器(R501)使用FZC系列保护剂和FHUDS-8、FHUDS-10 加氢精制催化剂；新增的加氢改质反应器(R502)装填FC-60加氢改质催化剂和FHUDS-10加氢精制催化剂，将体积空速降至1.0 h-1。FHUDS-10加氢精制催化剂、FC-60加氢改质催化剂及FHRS-1捕硅剂、FZC系列保护剂的装填采用普通装填方式，其装填情况如表1所示。
表1 催化剂装填情况
1.3 催化剂硫化及原料切换
装置改造后，于2021年7月30日完成反应系统氢气气密性试验，并以直馏柴油作为硫化油对催化剂进行硫化。催化剂硫化时，装置建立内闭路循环，循环氢压缩机全量循环，体积空速为0.8～1.0 h-1；当反应器入口压力达到7.5～8.0 MPa、入口温度升到170 ℃时，开始将硫化剂注入到硫化油中，初始硫化剂注入流量为2 t/h，并根据系统温度升幅和循环氢中H2S含量情况适当调整硫化剂注入流量。7月31日，在继续对催化剂预硫化的过程中，发现冷低压分离器(冷低分)引出管线泄漏冷低分油，因而降低了装置系统压力，暂停了催化剂硫化处理过程。8月5日，在解决上述问题后，装置重新注入硫化剂，恢复催化剂预硫化；当反应器温度达290 ℃时，催化剂硫化结束；进而切换进料原料并进行升温。8月6日，装置产出合格精制柴油产品，说明改造后装置开车成功。
2 装置标定 2.1 原料及主要产品性质
改造后，装置的原料油由直馏柴油和催化柴油组成，其质量比为2.2∶0.8，总处理量为3.0 Mt/a。为了考察装置中催化剂性能、工艺参数、能耗、物耗、产品质量等指标，2022年7月对该装置进行了标定。标定时，装置处理量为340 t/h，其中直馏柴油为250 t/h，催化柴油为90 t/h(催化柴油质量占比为26.5%，与装置改造设计值26.7%相近)。标定期间原料的性质如表2所示，新氢和精制产品的性质分别见表3和表4。
表2 直馏柴油、催化柴油及混合柴油原料的性质
表3 新氢的性质
表4 精制柴油和石脑油的性质
从表2可以看出：标定时，混合柴油原料的密度(20 ℃)为853.7 kg/m3，95%馏出温度为354.0 ℃，硫质量分数为0.719%，氮质量分数为300 μg/g，这些指标均优于设计值；而十六烷指数为43.4，低于设计值(45.4)，主要是因为催化柴油的十六烷指数很低，掺炼比例较大时会降低混合原料油的整体性能。
由表3可知，新氢中氢气的体积分数为95.97%，比设计值(92.10%)高3.87百分点，说明新氢质量较好。由表4可知：石脑油的初馏点达到设计值，95%馏出温度为194.0 ℃，较设计值(165.0 ℃)高，这主要是因为增产的石脑油提高了95%馏出温度；同时由于石脑油95%馏出温度的提高，使精制柴油的初馏点也高于设计值(165.0 ℃)。
比较表2与表4可知：精制柴油产品硫质量分数为2.8 μg/g，硫脱除率达99.96%；氮质量分数小于1.0 μg/g，氮脱除率达99.67%；多环芳烃质量分数为3.13%，满足国Ⅵ车用柴油中多环芳烃质量分数不大于7%的质量指标要求；与原料油相比，上述指标均显著降低，尤其多环芳烃含量比原料大幅降低17.6百分点；而且，精制柴油十六烷指数为49.1，比原料油明显提高。精制柴油十六烷指数、硫含量、氮含量、多环芳烃含量等性质指标均满足国Ⅵ车用柴油质量标准要求。
2.2 主要工艺参数及催化剂性能
标定期间，装置的主要工艺操作参数如表5所示，产品冷低分油的性质见表6。由表5可见：反应系统压力稳定，冷高压分离器(冷高分)压力为7.8 MPa；反应温度根据精制柴油的硫含量及系统反应热进行调控，因混合原料中轻组分占比较大，标定期间精制反应器入口温度控制在312.5 ℃，低于设计的320 ℃，改质反应器入口温度控制在358 ℃，高于设计的348 ℃，这是因为改质催化剂需要较高温度才能生产出满足国Ⅵ车用柴油质量要求的产品。此外，从表5还可以看出，装置氢耗低于设计值，这主要是因为标定混合原料油的硫含量较设计值低，在保证产品质量合格的前提下，通过操作优化降低了氢气消耗。
表5 反应系统主要工艺操作参数
表6 冷低分油的性质
由表6可知，加氢改质后，冷低分油的95%馏出温度为297.5 ℃，氮质量分数小于1.0 μg/g，硫质量分数为1 043 μg/g。
2.3 物料平衡
标定期间，装置物料平衡数据见表7。从表7可以看出，氢气用量比设计值低，主要原因在于标定期间混合原料油的硫含量低于原料硫含量设计值，致使氢耗减少。精制柴油的产率略低于设计值，
表7 改造后装置物料平衡数据 w，%
石脑油产率较设计值高，这主要是因为根据生产平衡，石脑油不作为重整原料，而按照乙烯原料控制，因而石脑油的干点较高，使石脑油产率偏大。
2.4 能耗分析
标定期间，装置的物料和能量消耗如表8所示。从表8可以看出：标定期间装置总能耗为293.52 MJ/t，明显低于装置设计能耗(356.34 MJ/t)，降低幅度达62.82 MJ/t，主要是降低了电耗和中压蒸汽消耗量，而燃料气消耗与设计值相近；中压蒸汽的消耗低于设计值，主要是因为装置用新氢的纯度较高，系统运转初期压降小，在保证反应器和催化剂正常运行情况下，降低了循环氢的量，从而降低了中压蒸汽用量。
表8 装置的物料和能量消耗
1)电耗单位为kW·h/t。
3 装置运行中存在的问题
装置经过改造后，运行的工艺流程有较大调整，因而在装置运行过程中发现存在以下问题：
(1)高比例掺炼催化柴油后，由于催化柴油芳烃含量高，加氢反应剧烈，放热量增大，需要大量的冷氢来调控反应温度，操作难度增加，对操作人员的技能水平提出了更高要求，需要进一步优化装置操作、降低操作风险。
(2)由于催化柴油原料性质存在波动，装置混合柴油原料切换频繁会导致原料性质波动幅度较大，为实现催化剂的长周期稳定运行，需要优化装置原料组成，降低原料切换频次。
(3)装置循环氢流量已超过循环氢脱硫塔流量设计值，循环氢脱硫塔多次出现气相流量过大的情况，导致液沫夹带，影响装置安全平稳运行，需要提高新氢纯度或者多排废氢来提高循环氢纯度，从而降低循环氢流量，控制循环氢流量在循环氢脱硫塔流量设计值内。
(4)装置新氢压缩机出口两道单向阀出现内漏故障，导致压缩机在开停或故障跳停时反应系统气体倒串至压缩机入口，造成安全阀超压起跳，冲击火炬系统，应在开停新氢压缩机时优化操作，避免反应系统气体倒窜，同时利用检修机会对单向阀进行更换处理。
4 结 论
(1)茂名石化4号加氢装置经过改造后，在催化柴油掺炼质量比为26.5%、精制反应器入口压力为8.55 MPa、精制反应器入口温度为312.5 ℃、改质反应器入口温度为358 ℃的条件下，可生产出硫质量分数小于10 μg/g、多环芳烃质量分数小于7%的精制柴油。
(2)经加氢改质后，精制柴油的十六烷指数为49.1，较混合原料油提升5.7，装置标定能耗为293.52 MJ/t，明显低于设计能耗值。
(3)为实现催化剂长周期运行和装置平稳运行，需要进一步优化装置操作参数，同时需减少原料油的性质波动，降低切换频次。
本文内容来源于《石油炼制与化工》2023年3期，由石化缘整理发布，转载请注明，与石化缘合作投稿请加文末微信！