固定床渣油加氫裝置高效運行措施

董昌宏，魏 翔

(中國石化海南煉油化工有限公司，海南 洋浦 578001)

固定床渣油加氫與重油催化裂化組合技術是目前重油轉化最有效的技術路線之一，固定床渣油加氫裝置的運行效果極大影響著煉油廠的經濟效益[1-2]。渣油原料一般具有金屬、硫、氮等雜質含量高，瀝青質含量高，分子大小分布較寬等特點，其加氫反應難度較大。因此通常固定床渣油加氫工業裝置要在較高的反應苛刻度下操作，以獲得合格的催化裂化原料[3]。典型地，中國大陸絕大部分固定床渣油加氫裝置的體積空速較低，為0.17～0.25 h-1，但中國石化海南煉油化工有限公司(簡稱海南煉化)的渣油加氫裝置原設計的空速較大，實際運轉中體積空速通常為0.40～0.45 h-1，造成該裝置的原料適應性較差，雜質脫除率較低，運行周期也較短。本課題對制約海南煉化渣油加氫裝置高效運行的因素進行深入分析，并總結海南煉化克服這些制約因素而實現裝置高效運行的優化措施。

1 海南煉化渣油加氫裝置特點及優化難點

海南煉化渣油加氫裝置原設計總加工量為3.10 Mt/a，有A、B兩個可以單獨開停工的反應系列，每個系列有兩臺反應器(第一反應器和第二反應器，簡稱一反和二反)，裝置的主要設計操作條件如表1所示，反應器設計方案如表2所示。從表1可以看出，相對于國內外同類裝置，該渣油加氫裝置的設計體積空速較大，達0.40～0.45 h-1。另外，該裝置的反應器設計也較為特別。從表2可以看出，一反的切線高度為12.0 m，反應器高徑比為2.6，而國內其他固定床渣油加氫裝置的一反切線高度通常為6.0～8.0 m，高徑比為1.2～1.6。海南煉化渣油加氫裝置這種空速大、一反高徑比大的特點在實際運行中表現為雜質脫除率低、運行周期短。典型地，其脫硫率為78%，降殘炭率為40%，脫金屬(Ni+V)率為57%，脫氮率為30%，運行周期為12個月。而中國大陸其他固定床渣油加氫裝置的脫硫率不小于85%，降殘炭率不小于45%，脫金屬(Ni+V)率不小于70%，脫氮率不小于35%，運轉周期為14～27個月。

表1 海南煉化渣油加氫裝置主要設計操作條件

表2 海南煉化渣油加氫裝置反應器設計方案

空速大和一反高徑比大的特點使得對反應器進行催化劑級配的難度加大。工業運轉經驗表明，反應器壓降提前達到限定值通常是制約裝置運轉周期的主要因素。通常地，該裝置一反的壓降從開工后7～9個月時開始上漲，在開工后10～13個月時達到限定值0.7 MPa，且二反的壓降也時有上漲的趨勢出現。此外，伴隨著一反壓降的上升，一反上部通常還會出現不同程度的徑向溫差。

海南煉化渣油加氫裝置一反壓降容易上升的原因包括但不限于[4-5]：①一反切線較高，而反應器壓降與反應器的高度成正比；②空速大，反應器直徑較小，因此截面液速和截面氣速較大，而截面液速和截面氣速與反應器壓降正相關；③空速大時反應器通常在較高的溫度下操作，導致催化劑積炭量較大，降低了床層空隙率；④鐵沉積的影響，降低了床層空隙率。

由上可見，海南煉化渣油加氫裝置需要同時平衡好催化劑活性、催化劑活性穩定性和反應器壓降，從而獲得最優的反應效果，這也是該裝置優化的難點。

2 催化劑級配的篩選和優化

為了盡量提高海南煉化渣油加氫裝置的脫雜質效果，需要優選活性和穩定性較高的催化劑級配。為此，海南煉化渣油加氫裝置的A、B兩個反應系列一直分別采用不同催化劑專利商開發的催化劑(見表3)，并在裝置每個周期采購催化劑時與催化劑專利商進行技術研討，共同商定催化劑級配方案。由表3可知，從第四周期(Run-4)到第十周期(Run-10)，海南煉化渣油加氫裝置的兩個反應系列都曾裝填了中國石化石油化工科學研究院(簡稱石科院)開發的RHT系列渣油加氫催化劑和某國外專利商開發的渣油加氫催化劑(簡稱國外催化劑)。因此可以將石科院開發的RHT系列渣油加氫催化劑作為基準，與國外催化劑進行比較。以下分別從催化劑活性、運轉周期和催化劑綜合性能3個方面進行比較。

2.1 催化劑活性

為了配合海南煉化裝置改造的停工大檢修，在渣油加氫裝置的Run-10和Run-11中，A列都進行了提前停工的操作，其運轉周期較短，且為了充分發揮催化劑的活性，其提溫速率也明顯大于常規周期，故其數據不具典型性。因此以Run-9為例，對海南煉化渣油加氫裝置A列和B列的催化劑活性進行比較。圖1～圖4分別比較了兩列催化劑的脫硫率、降殘炭率、脫金屬(Ni+V)率和脫氮率隨運轉天數的變化情況。從圖1～圖4可以看出，A列的脫硫率、降殘炭率和脫氮率明顯優于B列的，而兩列的脫金屬(Ni+V)率相當。從平均脫除率的情況看，A列的脫硫率、降殘炭率、脫金屬(Ni+V)率和脫氮率分別為78.2%，42.1%，57.7%，31.3%，B列的則分別為76.0%，39.4%，56.8%，25.8%，即A列的脫硫率、降殘炭率、脫金屬(Ni+V)率和脫氮率分別比B列的高2.2，2.7，0.9，5.5百分點。

表3 裝置各運轉周期所用催化劑的專利商

圖1 Run-9中兩列脫硫率的對比●—A列； ▲—B列。圖2～圖4同

圖2 Run-9中兩列降殘炭率的對比

圖3 Run-9中兩列脫金屬(Ni+V)率的對比

圖4 Run-9中兩列脫氮率的對比

2.2 運轉周期

固定床渣油加氫裝置的運轉周期與原料性質、催化劑級配和工藝條件等因素有關。表4統計了海南煉化渣油加氫裝置從Run-4到Run-9所加工原料的主要性質平均值。從表4可以看出，幾個周期中該渣油加氫裝置原料的硫質量分數為1.62%～1.85%，殘炭為8.64%～10.39%，(Ni+V)質量分數為29.4 ～38.2 μg/g，氮質量分數為0.16%～0.32%，裝置在不同運轉周期時的原料性質差別不大，相同周期時兩列原料的性質更是非常相近，可見海南煉化渣油加氫裝置不同列運轉周期的長短主要由催化劑級配的優劣和工藝條件的選擇決定。

表4 裝置各運轉周期下原料的主要性質平均值

圖5為從Run-4到Run-9使用不同催化劑時裝置運轉周期的比較。從圖5可以看出，整體而言，使用石科院RHT系列渣油加氫催化劑時裝置的運轉周期長于使用國外催化劑時裝置的運轉周期，說明石科院針對海南煉化渣油加氫裝置的催化劑級配優化和工藝條件優化有較好的效果，達到了延長裝置運轉周期的目的。

圖5 從Run-4到Run-9使用不同催化劑時裝置運轉周期的對比■—RHT催化劑； ■—國外催化劑。圖5～圖9同

2.3 催化劑綜合性能

渣油加氫裝置催化劑的性能可以從運轉周期和雜質脫除率等指標進行評價，但是運轉周期和雜質脫除率與原料性質及操作條件關系較大，而單位體積催化劑沉積的金屬量或脫硫量等類似的指標同時考慮了運轉周期和雜質脫除率，是更為科學的比較指標。

圖6～圖9分別比較了從Run-4到Run-9不同專利商催化劑的單位體積催化劑的金屬(Ni+V)沉積量、脫殘炭前身物量、脫硫量和脫氮量。從圖6～圖9可以看到，與國外催化劑相比，單位體積RHT系列渣油加氫催化劑沉積了更多的金屬，轉化了更多的殘炭前身物，同時脫除了更多的硫和氮，說明RHT系列渣油加氫催化劑的綜合性能更優異。

圖6 從Run-4到Run-9不同催化劑的單位體積催化劑金屬(Ni+V)沉積量對比

圖7 從Run-4到Run-9不同催化劑的單位體積催化劑脫殘炭前身物量對比

圖8 從Run-4到Run-9不同催化劑的單位體積催化劑脫硫量對比

圖9 從Run-4到Run-9不同催化劑的單位體積催化劑脫氮量對比

從催化劑活性、運轉周期和催化劑綜合性能的比較可以看出，整體而言，石科院RHT系列渣油加氫催化劑的催化劑活性、運行周期以及單位體積催化劑的容金屬量、脫硫量、脫殘炭前身物量、脫氮量都優于國外催化劑，說明RHT系列渣油加氫催化劑綜合性能更為優異。篩選出合適催化劑級配并進行運行優化，可以使裝置獲得更高的脫雜質率和更長的運轉周期。

3 裝置改造

盡管海南煉化渣油加氫裝置的催化劑級配在不斷進行優化，然而局限于其高空速和一反高徑比大的特點，其脫雜質效果仍然比較有限，運轉周期也通常只有12個月左右。為了徹底克服以上缺點，海南煉化在2017年大檢修時給A、B兩個反應系列都增設了一個第三反應器(簡稱三反)。增設的三反直徑為5.2 m，切線高度為16.0 m。改造后，裝置的加工量從3.10 Mt/a增加到3.44 Mt/a，總體積空速從0.40～0.45 h-1降低到0.25 h-1。

海南煉化渣油加氫裝置從Run-6到Run-12都曾使用石科院的第三代RHT系列渣油加氫催化劑，其中Run-12為裝置改造后的運轉周期。裝置改造后，由于總空速的降低，海南煉化渣油加氫裝置反應器可以在相對較低的溫度下操作，同時還可以大幅提高保護催化劑的裝填比例，通過增大床層空隙率來延緩反應器的壓降上升。圖10列出了裝置改造前(Run-9)和改造后(Run-12)一反和二反壓降的變化情況。從圖10可以看出，與裝置改造前相比，裝置改造后一反和二反壓降上升的拐點從開工后第7～9個月延后至開工后第12個月左右，壓降上升的速率也有所降低，運轉周期也從12個月左右延長到17個月左右，增設三反的改造達到了延長裝置運轉周期的目的。

表5為裝置改造前后各周期的反應效果對比。從表5可以看到，裝置改造后，通過空速的降低和催化劑級配的優化，整個運轉周期(Run-12)下的平均脫硫率、降殘炭率、脫金屬(Ni+V)率和脫氮率分別比裝置改造前多個周期(Run-6～Run-11)的相應平均值增加了2.9，5.1，9.6，11.6百分點，達到了提高裝置雜質脫除率的目的。

圖10 裝置改造前后一反和二反壓降變化情況改造前： —Run-9一反； —Run-9二反； 改造后： —Run-12一反； —Run-12二反

表5 裝置改造前后反應效果對比

4 運行優化

在固定床渣油加氫裝置運行期間，根據裝置的運行情況及時進行原料和工藝條件的調整對于裝置的高效運行至關重要。

海南煉化渣油加氫裝置改造后，A列的Run-12使用石科院的第三代RHT系列渣油加氫催化劑，B列的Run-11使用國內某專利商的渣油加氫催化劑，兩列基本同期開工。表6～表8分別為A、B兩列在不同時期的平均運轉情況、平均原料性質和平均雜質脫除率對比。從表6～表8可以看出，開工后兩列的加工負荷基本一致，開工后1～4個月期間，兩列加工的減壓渣油(減渣)比例和原料性質基本一致，而A列的平均反應溫度比B列低2.3 ℃，但A列的反應器總溫升和表觀氫耗都高于B列，A列的降殘炭率和脫氮率也都高于B列，說明A列催化劑的活性更高。

開工4個月后，海南煉化根據兩列的運行情況進行了原料和工藝條件的優化，具體情況如表6所示。從表6可以看出，A列開始多加工減壓渣油(簡稱減渣)，其表觀減渣比例約比B列高9百分點，同時將A列的反應溫度提至比B列高3.2 ℃，在此期間A列的反應器總溫升約比B列高5.6 ℃，表觀氫耗約高0.14百分點。從表8可以看出，進行上述優化調整后，兩列的脫硫率和脫金屬(Ni+V)率相當，A列降殘炭率比B列高1.6百分點，脫氮率比B列高4.3百分點。

表6 裝置改造后A、B兩列的平均運轉情況對比

1)原料為常壓渣油摻煉減渣，表觀減渣比例指減渣進料占總進料的比例。

表7 裝置改造后A、B兩列的渣油原料平均性質對比

表8 裝置改造后A、B兩列的平均雜質脫除率對比

運轉中期，海南煉化根據運行情況對A列各反應器的床層平均溫度(BAT)進行優化，控制一反和二反的BAT之差為5 ℃左右，二反和三反的BAT之差為8～9 ℃。上述優化一方面可使一反、二反在較低的溫度下操作，從而降低一反、二反因催化劑在高溫下結焦導致的壓降上升的速率，另一方面提高了三反的BAT和反應器出口溫度，從而降低了加熱爐的負荷，與常規操作相比每小時可以節約瓦斯的量約為200 m3。上述優化措施在有效保證催化劑整體活性的前提下，達到了節能降耗的效果。

海南煉化渣油加氫裝置改造后，A、B兩列反應器壓降的對比見圖11，反應器溫升的對比見圖12。

由圖11和圖12可以看出，裝置運轉至12個月左右時，B列的一反壓降開始快速上升，其一反溫升也迅速下降至幾乎為零，而A列一反的壓降上升速率和溫升下降速率都較為緩慢。裝置運轉14個月后，根據上述情況再次對兩列的原料進行了優化，B列開始加工更高比例的減渣，同時相應降低A列的減渣比例。此外，海南煉化還對循環氫的氫氣純度進行了優化，保持末期循環氫氫氣純度在88%以上，以期延緩催化劑結焦，保證裝置運轉末期的催化劑活性，同時還提高了加氫尾油收率，降低了副產品的產率。最終，B列運轉15個月后停工，A列運轉17個月后停工，A列的運轉周期比B列長13%，其整個周期內加工的表觀減渣量比B列多0.2 Mt。

裝置改造后，在加工更多減渣的前提下，A列催化劑的活性特別是脫氮和降殘炭性能明顯優于B列，反應器溫升和表觀氫耗高于B列，反應器壓降上升速率低于B列，運轉周期也長于B列?？梢姡诓煌瑫r期需要根據兩列催化劑的運行情況及時調整運轉方案，以使煉油廠獲得最有利的運行結果。

圖11 裝置改造后兩列反應器壓降的對比 —A列一反； —A列二反； —A列三反； —B列一反； —B列二反； —B列三反

圖12 裝置改造后兩列反應器溫升的對比 —A列一反； —A列二反； —A列三反； —A列總溫升； —B列一反； —B列二反； —B列三反； —B列總溫升

5 結 論

(1) 海南煉化渣油加氫裝置具有總空速大和一反高徑比大的特點，因此該裝置的催化劑級配難度較高，需要同時平衡好催化劑活性、催化劑活性穩定性和反應器壓降，從而獲得最優的反應效果，這也是該裝置優化的難點。為了達到上述目標，海南煉化從催化劑級配的篩選和優化、裝置改造和運行優化等多方面入手，逐步實現了裝置的高效運行。

(2) 海南煉化多個周期催化劑級配的篩選和優化的統計結果表明，整體而言，石科院RHT系列渣油加氫催化劑的運行周期長短、催化劑活性、單位體積催化劑的金屬沉積量、脫硫量、脫殘炭前身物量和脫氮量都優于國外催化劑，說明RHT系列渣油加氫催化劑綜合性能更為優異。

(3) 裝置改造后，通過降低總空速和優化催化劑級配，海南煉化渣油加氫裝置的周期平均脫硫率、降殘炭率、脫金屬(Ni+V)率和脫氮率分別比裝置改造前多個周期的平均值增加了2.9，5.1，9.6，11.6百分點，同時其運轉周期也從12個月延長到17個月，達到了裝置改造的目的。

(4) 海南煉化渣油加氫裝置的運行優化經驗表明，在不同時期需要根據兩列催化劑的運行情況及時調整運轉方案以使煉油廠獲得最有利的運行結果。該裝置改造后第一周期的運轉結果表明，在加工更多減渣的前提下，石科院RHT系列渣油加氫催化劑的活性，特別是脫氮和降殘炭性能明顯優于國內參比劑，反應器溫升和表觀氫耗高于國內參比劑，反應器壓降上升速率低于國內參比劑，運轉周期也長于國內參比劑。