炼化企业氢气资源优化综合利用

田 金 光

(陕西延长石油(集团)有限责任公司炼化公司，陕西 延安 727406)

陕西延长石油(集团)有限责任公司炼化公司300 kt/a丙烷/异丁烷混合脱氢装置(简称混合脱氢装置)采用UOP公司的OLEFLEX工艺，通过连续催化再生脱氢技术将丙烷、饱和液化气、烷基化C4、醚后C4转化成丙烯、富异丁烯和其他副产品。装置主要由原料预处理单元、OLEFLEX反应单元、产品回收单元、选择性加氢(SHP)单元、催化剂连续再生 (CCR)单元、氧化物脱除单元、全加氢(CSP)单元和公用工程系统组成，所产富氢气体一部分作为循环氢至反应系统；其余部分主要是通过等温变压吸附(PSA)单元提纯分离后成为高纯氢气，主要用于反应系统的内构件吹扫、密封和还原催化剂，剩余部分再分配给预处理单元的CSP、分离单元的SHP及外供给烷基化加氢单元；PSA剩余的解吸气则供给产物干燥器(RED)用于产物干燥剂的再生(脱除水和芳烃溶剂油)，再生干燥后的富氢气体通过芳烃溶剂回收及碱洗塔后，进入燃料气系统，作为反应加热炉燃料。

目前，氢能作为一种清洁、高效、安全、可持续的新能源，被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，是人类的战略能源发展方向[1-3]。作为轻烃综合利用项目的核心装置，混合脱氢装置副产大量的氢气，除自用外，剩余氢气仅作为补充燃料气，造成资源的大量浪费。在当前社会经济发展日新月异的大环境下，氢气资源的优化利用显得越来越重要。对氢气用途进行重新评估，混合脱氢装置剩余氢气可作为2.40 Mt/a柴油精制装置和1.80 Mt/a汽油精制装置的备用氢源，以及200 kt/a聚丙烯装置的常用氢源，以实现氢气资源效益最大化。

1 氢气来源和用途

酯后C4及醚后C4经过烷基化装置加工处理，烷基化油及正丁烷作为产品送出装置[4]。烷基化反应后剩余的烷基化C4(含有异丁烷、丙烷等)，与来自罐区的丙烷、饱和液化气一同进入丙烷/异丁烷混合脱氢装置原料分离单元，分离出的正丁烷作为民用液化气，送出装置；其余的丙烷、异丁烷进入混合脱氢单元，反应脱氢后的丙烯供给聚丙烯装置作为丙烯原料，富异丁烯的混合C4供给甲基叔丁基醚(MTBE)装置作原料。图1为氢气来源工艺流程示意。

图1 氢气来源工艺流程示意

装置所产富氢气体除一部分作为冷箱内部循环氢外，其余部分主要是通过PSA单元提纯分离后再利用。富氢气体经PSA提纯分离后，高纯氢气主要用于反应系统的内构件吹扫、密封和还原催化剂；其他剩余部分再分配给预处理单元的CSP、分离单元的SHP及外供给烷基化加氢单元。氢气系统流程示意如图2所示。

图2 氢气系统流程示意

PSA提纯后另外一部分解吸气作为高含氢气源，主要是通过压缩机增压后进入混合脱氢装置的RED，作为主要再生气源(再生气的另外一路来自分离单元脱乙烷塔塔顶气)。RED正常运行时，一台在线运行，另一台进行再生；RED的再生步骤按照顺控自动进行，由RED再生控制系统(DRCS)实现。再生干燥后的富氢气体通过芳烃溶剂回收及碱洗塔后进入燃料气系统，供给反应加热炉。

2 氢气综合利用分析

厂区1.40 Mt/a柴油加氢改质装置、2.40 Mt/a柴油精制装置和1.80 Mt/a汽油精制装置所需氢气主要来源于1.20 Mt/a连续重整装置副产的氢气。若1.20 Mt/a连续重整装置遇异常停工，上述3套装置亦需紧急停工，严重影响全厂物料平衡及生产任务的顺利完成。

此外，200 kt/a聚丙烯装置[4]现用氢气主要来源于该装置制氢站单元，制氢站额定电压为122 V，额定电流为4 650 A，额定氢气产量为120 m3/h，产氢纯度(φ)大于99.8%。由于制氢站采用电解水制氢，电解槽的直流电由整流柜提供，属高电能消耗撬装设备，每年消耗大量的电能。

混合脱氢装置富余氢气量为1 000～16 000 m3/h，可以满足2.40 Mt/a柴油精制装置和1.80 Mt/a汽油精制装置运行的最低氢气需求量(见表1)。可通过技术改造，将混合脱氢装置的富余氢气进行重新回收后再利用，作为2.40 Mt/a柴油精制装置、1.80 Mt/a汽油精制装置和200 kt/a聚丙烯装置的备用氢源，优化生产组织，即1.20 Mt/a连续重整装置异常停工后，只需要将1.40 Mt/a柴油加氢改质装置停车，2.40 Mt/a柴油精制装置和1.80 Mt/a 汽油精制装置氢气来源切至混合脱氢装置，均能维持低负荷正常生产运行。另外，由于混合脱氢装置产氢纯度(φ)大于96%，进一步提高纯度后，可作为聚丙烯装置常用氢源，替代制氢站氢源，从而节约大量的电能。

表1 各装置产、耗氢气量

3 氮气对产物压缩机(REC)干气密封的影响

REC是混合脱氢装置的重要设备，其正常运行与否关系着整套装置的安全平稳长周期运行。机组分为高、低压缸，即两级增压循环，额定功率分别为6 225 kW和6 101 kW，进口流量为123 076 kg/h。主要是将反应生成的氢气、丙烯、异丁烯及未反应的丙烷、异丁烷和其他烃类等的混合物增压、分离出副产品氢气和纯度(φ)99.6%以上的丙烯、富异丁烯产品。机组干气密封有4套，所用介质为0.8 MPa的氮气和冷箱所产0.5 MPa的干气。在装置正常开车过程中，由于氮气混入系统，常常造成开工进度滞后、机组压缩介质密度重新调整及冷箱高、低压膨胀机开机缓慢等问题，需对系统进行置换排放，浪费大量的氢气和丙烷。

4 改造方案

4.1 氢气综合利用改造措施1

首先，将RED的再生气(富含大量氢气)在碱洗塔中进行充分洗涤脱除硫化氢，剩余干净气体接至尾气压缩机的进口，输送至氢气管网；其次，再生气经20 000 m3/h制氢装置的氢气增压机，将压力由(0.4±0.1) MPa增至(2.0±0.2) MPa后，进入全厂2.0 MPa的氢气管网，供给2.40 Mt/a柴油精制装置及1.80 Mt/a汽油精制装置，详细改造流程如图3所示。改造后，这2套装置可以避免因连续重整装置停车而引起的二次停车，保证了装置连续运行，优化了生产组织。

图3 氢气综合利用改造1流程示意

4.2 氢气综合利用改造措施2

目前，将闲置停用的20 000 m3/h制氢装置的PSA提纯单元检修完善后再利用，将混合脱氢装置产的氢气经PSA单元深度提纯，通过长输管道输送至各氢气用户。详细改造流程见图4。

图4 氢气综合利用改造2流程示意

4.3 REC干气密封改造措施

自2.0 MPa氢气管网来的重整氢气是混合脱氢装置开工期间的外供氢源。对于REC的密封，可改造为用氢气进行，替换目前使用的干气密封气，从而可灵活调整开车进度，还可避免大量氢气和丙烷的排放损失。具体技术改造措施为：在混合脱氢装置界区与重整氢气管线双阀间引出一条直径40 mm的氢气支线，经过新增设的聚结器除去物料中夹带的少量液相组分，再经过减压阀及自力式调节阀将氢气压力稳定控制在0.5 MPa，然后进入REC高、低压缸的4套干气密封系统。

5 改造后的效益

5.1 氢气综合利用经济效益

混合脱氢装置氢气综合利用改造后，当重整装置发生异常停工，2.40 Mt/a柴油精制装置和1.80 Mt/a汽油精制装置无需紧急停车，可保持低负荷运行。根据单装置利润测算，2.40 Mt/a柴油精制装置停工造成的经济损失为267.92万元/d；1.80 Mt/a汽油精制装置停工造成的经济损失为162.00万元/d(数据来源于企业2019年单装置利润测算的平均值)，故混合脱氢装置氢气经过综合利用改造后产生的直接经济效益为429.92万元/d。

聚丙烯装置氢源切至混合脱氢装置，可暂停高电耗的制氢站，将节约大量的电能。制氢站长期运行电流为2 000 A，制氢站按1年运行8 000 h计，工业用电价格为0.6元/(kW·h)，则电费为0.35万元/d，即聚丙烯装置使用混合脱氢装置氢气，每天可节省电费0.35万元。

5.2 REC干气密封改造为使用氢气的效益

REC干气密封未改造前，氮气不间断地泄漏至脱氢反应系统中，延迟了冷箱高、低压膨胀机的开机进度。为降低系统中的氮气含量，需使用大量氢气和丙烷进行置换，氢气用量约为120 m3/h(单价12元/m3)，丙烷用量约为4 t/h(单价3 500元/t)，因而浪费了大量的氢气和丙烷。改造后的经济效益主要从加快装置开工进度和节约氢气、丙烷资源等角度计算，为37.056万元/d。

综上可以看出，技术改造后，不但经济效益相当可观，而且优化了全厂装置开停车节点，使得生产组织变得更加灵活。

6 结 论

(1)针对混合脱氢装置副产的大量氢气，进行评估、平衡再利用，提高了氢气利用率，进一步保障了2.40 Mt/a柴油精制装置和1.80 Mt/a汽油精制装置的长周期运行，优化了生产组织，提高了企业经济效益。

(2)混合脱氢装置剩余氢气进一步提高纯度后，其品质和数量可满足200 kt/a聚丙烯装置用氢需求，替代现用制氢站撬装单元，每年可节省大量的电费，提高了企业生产效益。

(3)REC干气密封的改造，加快了混合脱氢装置的开车进度，优化了开车节点程序，节约了氢气和丙烷资源，为混合脱氢装置早日实现长、满、优运行提供了坚实的保障，也为同行业脱氢装置的氢气利用提供了一定的技术借鉴。