固定床渣油加氢装置高效运行措施

固定床渣油加氢装置高效运行措施

董昌宏，魏 翔

(中国石化海南炼油化工有限公司，海南 洋浦)

摘要： 中国石化海南炼油化工有限公司(简称海南炼化)固定床渣油加氢装置具有空速大和第一反应器高径比较大的特点，因此对该装置进行催化剂级配装填的难度较高，需要平衡好催化剂活性、催化剂活性稳定性和反应器压降之间的关系，从而获得最优的反应效果。为此，海南炼化历经多个运转周期对不同催化剂专利商的渣油加氢催化剂进行比较。各催化剂的工业应用统计结果表明，中国石化石油化工科学研究院(简称石科院)开发的RHT系列渣油催化剂的综合性能优于国内外参比催化剂。此外，海南炼化从装置改造和运行优化等多方面入手，逐步实现了该装置的高效运行。

关键词： 渣油加氢 运转周期 空速 活性 压降

固定床渣油加氢与重油催化裂化组合技术是目前重油转化最有效的技术路线之一，固定床渣油加氢装置的运行效果极大影响着炼油厂的经济效益[1-2]。渣油原料一般具有金属、硫、氮等杂质含量高，沥青质含量高，分子大小分布较宽等特点，其加氢反应难度较大。因此通常固定床渣油加氢工业装置要在较高的反应苛刻度下操作，以获得合格的催化裂化原料[3]。典型地，中国大陆绝大部分固定床渣油加氢装置的体积空速较低，为0.17～0.25 h-1，但中国石化海南炼油化工有限公司(简称海南炼化)的渣油加氢装置原设计的空速较大，实际运转中体积空速通常为0.40～0.45 h-1，造成该装置的原料适应性较差，杂质脱除率较低，运行周期也较短。本课题对制约海南炼化渣油加氢装置高效运行的因素进行深入分析，并总结海南炼化克服这些制约因素而实现装置高效运行的优化措施。

1、海南炼化渣油加氢装置特点及优化难点

海南炼化渣油加氢装置原设计总加工量为3.10 Mt/a，有A、B两个可以单独开停工的反应系列，每个系列有两台反应器(第一反应器和第二反应器，简称一反和二反)，装置的主要设计操作条件如表1所示，反应器设计方案如表2所示。从表1可以看出，相对于国内外同类装置，该渣油加氢装置的设计体积空速较大，达0.40～0.45 h-1。另外，该装置的反应器设计也较为特别。从表2可以看出，一反的切线高度为12.0 m，反应器高径比为2.6，而国内其他固定床渣油加氢装置的一反切线高度通常为6.0～8.0 m，高径比为1.2～1.6。海南炼化渣油加氢装置这种空速大、一反高径比大的特点在实际运行中表现为杂质脱除率低、运行周期短。典型地，其脱硫率为78%，降残炭率为40%，脱金属(Ni+V)率为57%，脱氮率为30%，运行周期为12个月。而中国大陆其他固定床渣油加氢装置的脱硫率不小于85%，降残炭率不小于45%，脱金属(Ni+V)率不小于70%，脱氮率不小于35%，运转周期为14～27个月。

表1 海南炼化渣油加氢装置主要设计操作条件

表2 海南炼化渣油加氢装置反应器设计方案

空速大和一反高径比大的特点使得对反应器进行催化剂级配的难度加大。工业运转经验表明，反应器压降提前达到限定值通常是制约装置运转周期的主要因素。通常地，该装置一反的压降从开工后7～9个月时开始上涨，在开工后10～13个月时达到限定值0.7 MPa，且二反的压降也时有上涨的趋势出现。此外，伴随着一反压降的上升，一反上部通常还会出现不同程度的径向温差。

海南炼化渣油加氢装置一反压降容易上升的原因包括但不限于[4-5]：①一反切线较高，而反应器压降与反应器的高度成正比；②空速大，反应器直径较小，因此截面液速和截面气速较大，而截面液速和截面气速与反应器压降正相关；③空速大时反应器通常在较高的温度下操作，导致催化剂积炭量较大，降低了床层空隙率；④铁沉积的影响，降低了床层空隙率。

由上可见，海南炼化渣油加氢装置需要同时平衡好催化剂活性、催化剂活性稳定性和反应器压降，从而获得最优的反应效果，这也是该装置优化的难点。

2、催化剂级配的筛选和优化

为了尽量提高海南炼化渣油加氢装置的脱杂质效果，需要优选活性和稳定性较高的催化剂级配。为此，海南炼化渣油加氢装置的A、B两个反应系列一直分别采用不同催化剂专利商开发的催化剂(见表3)，并在装置每个周期采购催化剂时与催化剂专利商进行技术研讨，共同商定催化剂级配方案。由表3可知，从第四周期(Run-4)到第十周期(Run-10)，海南炼化渣油加氢装置的两个反应系列都曾装填了中国石化石油化工科学研究院(简称石科院)开发的RHT系列渣油加氢催化剂和某国外专利商开发的渣油加氢催化剂(简称国外催化剂)。因此可以将石科院开发的RHT系列渣油加氢催化剂作为基准，与国外催化剂进行比较。以下分别从催化剂活性、运转周期和催化剂综合性能3个方面进行比较。

2.1 催化剂活性

为了配合海南炼化装置改造的停工大检修，在渣油加氢装置的Run-10和Run-11中，A列都进行了提前停工的操作，其运转周期较短，且为了充分发挥催化剂的活性，其提温速率也明显大于常规周期，故其数据不具典型性。因此以Run-9为例，对海南炼化渣油加氢装置A列和B列的催化剂活性进行比较。图1～图4分别比较了两列催化剂的脱硫率、降残炭率、脱金属(Ni+V)率和脱氮率随运转天数的变化情况。从图1～图4可以看出，A列的脱硫率、降残炭率和脱氮率明显优于B列的，而两列的脱金属(Ni+V)率相当。从平均脱除率的情况看，A列的脱硫率、降残炭率、脱金属(Ni+V)率和脱氮率分别为78.2%，42.1%，57.7%，31.3%，B列的则分别为76.0%，39.4%，56.8%，25.8%，即A列的脱硫率、降残炭率、脱金属(Ni+V)率和脱氮率分别比B列的高2.2，2.7，0.9，5.5百分点。

表3 装置各运转周期所用催化剂的专利商

图1 Run-9中两列脱硫率的对比

●—A列；▲—B列。图2～图4同

图2 Run-9中两列降残炭率的对比

图3 Run-9中两列脱金属(Ni+V)率的对比

图4 Run-9中两列脱氮率的对比

2.2 运转周期

固定床渣油加氢装置的运转周期与原料性质、催化剂级配和工艺条件等因素有关。表4统计了海南炼化渣油加氢装置从Run-4到Run-9所加工原料的主要性质平均值。从表4可以看出，几个周期中该渣油加氢装置原料的硫质量分数为1.62%～1.85%，残炭为8.64%～10.39%，(Ni+V)质量分数为29.4 ～38.2 μg/g，氮质量分数为0.16%～0.32%，装置在不同运转周期时的原料性质差别不大，相同周期时两列原料的性质更是非常相近，可见海南炼化渣油加氢装置不同列运转周期的长短主要由催化剂级配的优劣和工艺条件的选择决定。

表4 装置各运转周期下原料的主要性质平均值

图5为从Run-4到Run-9使用不同催化剂时装置运转周期的比较。从图5可以看出，整体而言，使用石科院RHT系列渣油加氢催化剂时装置的运转周期长于使用国外催化剂时装置的运转周期，说明石科院针对海南炼化渣油加氢装置的催化剂级配优化和工艺条件优化有较好的效果，达到了延长装置运转周期的目的。

图5 从Run-4到Run-9使用不同催化剂时装置运转周期的对比

■—RHT催化剂；■—国外催化剂。图5～图9同

2.3 催化剂综合性能

渣油加氢装置催化剂的性能可以从运转周期和杂质脱除率等指标进行评价，但是运转周期和杂质脱除率与原料性质及操作条件关系较大，而单位体积催化剂沉积的金属量或脱硫量等类似的指标同时考虑了运转周期和杂质脱除率，是更为科学的比较指标。

图6～图9分别比较了从Run-4到Run-9不同专利商催化剂的单位体积催化剂的金属(Ni+V)沉积量、脱残炭前身物量、脱硫量和脱氮量。从图6～图9可以看到，与国外催化剂相比，单位体积RHT系列渣油加氢催化剂沉积了更多的金属，转化了更多的残炭前身物，同时脱除了更多的硫和氮，说明RHT系列渣油加氢催化剂的综合性能更优异。

图6 从Run-4到Run-9不同催化剂的单位体积催化剂金属(Ni+V)沉积量对比

图7 从Run-4到Run-9不同催化剂的单位体积催化剂脱残炭前身物量对比

图8 从Run-4到Run-9不同催化剂的单位体积催化剂脱硫量对比

图9 从Run-4到Run-9不同催化剂的单位体积催化剂脱氮量对比

从催化剂活性、运转周期和催化剂综合性能的比较可以看出，整体而言，石科院RHT系列渣油加氢催化剂的催化剂活性、运行周期以及单位体积催化剂的容金属量、脱硫量、脱残炭前身物量、脱氮量都优于国外催化剂，说明RHT系列渣油加氢催化剂综合性能更为优异。筛选出合适催化剂级配并进行运行优化，可以使装置获得更高的脱杂质率和更长的运转周期。

3、装置改造

尽管海南炼化渣油加氢装置的催化剂级配在不断进行优化，然而局限于其高空速和一反高径比大的特点，其脱杂质效果仍然比较有限，运转周期也通常只有12个月左右。为了彻底克服以上缺点，海南炼化在2017年大检修时给A、B两个反应系列都增设了一个第三反应器(简称三反)。增设的三反直径为5.2 m，切线高度为16.0 m。改造后，装置的加工量从3.10 Mt/a增加到3.44 Mt/a，总体积空速从0.40～0.45 h-1降低到0.25 h-1。

海南炼化渣油加氢装置从Run-6到Run-12都曾使用石科院的第三代RHT系列渣油加氢催化剂，其中Run-12为装置改造后的运转周期。装置改造后，由于总空速的降低，海南炼化渣油加氢装置反应器可以在相对较低的温度下操作，同时还可以大幅提高保护催化剂的装填比例，通过增大床层空隙率来延缓反应器的压降上升。图10列出了装置改造前(Run-9)和改造后(Run-12)一反和二反压降的变化情况。从图10可以看出，与装置改造前相比，装置改造后一反和二反压降上升的拐点从开工后第7～9个月延后至开工后第12个月左右，压降上升的速率也有所降低，运转周期也从12个月左右延长到17个月左右，增设三反的改造达到了延长装置运转周期的目的。

表5为装置改造前后各周期的反应效果对比。从表5可以看到，装置改造后，通过空速的降低和催化剂级配的优化，整个运转周期(Run-12)下的平均脱硫率、降残炭率、脱金属(Ni+V)率和脱氮率分别比装置改造前多个周期(Run-6～Run-11)的相应平均值增加了2.9，5.1，9.6，11.6百分点，达到了提高装置杂质脱除率的目的。

图10 装置改造前后一反和二反压降变化情况

改造前： —Run-9一反； —Run-9二反；

改造后： —Run-12一反； —Run-12二反

表5 装置改造前后反应效果对比

4、运行优化

在固定床渣油加氢装置运行期间，根据装置的运行情况及时进行原料和工艺条件的调整对于装置的高效运行至关重要。

海南炼化渣油加氢装置改造后，A列的Run-12使用石科院的第三代RHT系列渣油加氢催化剂，B列的Run-11使用国内某专利商的渣油加氢催化剂，两列基本同期开工。表6～表8分别为A、B两列在不同时期的平均运转情况、平均原料性质和平均杂质脱除率对比。从表6～表8可以看出，开工后两列的加工负荷基本一致，开工后1～4个月期间，两列加工的减压渣油(减渣)比例和原料性质基本一致，而A列的平均反应温度比B列低2.3 ℃，但A列的反应器总温升和表观氢耗都高于B列，A列的降残炭率和脱氮率也都高于B列，说明A列催化剂的活性更高。

开工4个月后，海南炼化根据两列的运行情况进行了原料和工艺条件的优化，具体情况如表6所示。从表6可以看出，A列开始多加工减压渣油(简称减渣)，其表观减渣比例约比B列高9百分点，同时将A列的反应温度提至比B列高3.2 ℃，在此期间A列的反应器总温升约比B列高5.6 ℃，表观氢耗约高0.14百分点。从表8可以看出，进行上述优化调整后，两列的脱硫率和脱金属(Ni+V)率相当，A列降残炭率比B列高1.6百分点，脱氮率比B列高4.3百分点。

表6 装置改造后A、B两列的平均运转情况对比

1)原料为常压渣油掺炼减渣，表观减渣比例指减渣进料占总进料的比例。

表7 装置改造后A、B两列的渣油原料平均性质对比

表8 装置改造后A、B两列的平均杂质脱除率对比

运转中期，海南炼化根据运行情况对A列各反应器的床层平均温度(BAT)进行优化，控制一反和二反的BAT之差为5 ℃左右，二反和三反的BAT之差为8～9 ℃。上述优化一方面可使一反、二反在较低的温度下操作，从而降低一反、二反因催化剂在高温下结焦导致的压降上升的速率，另一方面提高了三反的BAT和反应器出口温度，从而降低了加热炉的负荷，与常规操作相比每小时可以节约瓦斯的量约为200 m3。上述优化措施在有效保证催化剂整体活性的前提下，达到了节能降耗的效果。

海南炼化渣油加氢装置改造后，A、B两列反应器压降的对比见图11，反应器温升的对比见图12。

由图11和图12可以看出，装置运转至12个月左右时，B列的一反压降开始快速上升，其一反温升也迅速下降至几乎为零，而A列一反的压降上升速率和温升下降速率都较为缓慢。装置运转14个月后，根据上述情况再次对两列的原料进行了优化，B列开始加工更高比例的减渣，同时相应降低A列的减渣比例。此外，海南炼化还对循环氢的氢气纯度进行了优化，保持末期循环氢氢气纯度在88%以上，以期延缓催化剂结焦，保证装置运转末期的催化剂活性，同时还提高了加氢尾油收率，降低了副产品的产率。最终，B列运转15个月后停工，A列运转17个月后停工，A列的运转周期比B列长13%，其整个周期内加工的表观减渣量比B列多0.2 Mt。

装置改造后，在加工更多减渣的前提下，A列催化剂的活性特别是脱氮和降残炭性能明显优于B列，反应器温升和表观氢耗高于B列，反应器压降上升速率低于B列，运转周期也长于B列。可见，在不同时期需要根据两列催化剂的运行情况及时调整运转方案，以使炼油厂获得最有利的运行结果。

图11 装置改造后两列反应器压降的对比

—A列一反； —A列二反； —A列三反；

—B列一反； —B列二反； —B列三反

图12 装置改造后两列反应器温升的对比

—A列一反； —A列二反； —A列三反；

—A列总温升； —B列一反； —B列二反；

—B列三反； —B列总温升

5、结 论

(1) 海南炼化渣油加氢装置具有总空速大和一反高径比大的特点，因此该装置的催化剂级配难度较高，需要同时平衡好催化剂活性、催化剂活性稳定性和反应器压降，从而获得最优的反应效果，这也是该装置优化的难点。为了达到上述目标，海南炼化从催化剂级配的筛选和优化、装置改造和运行优化等多方面入手，逐步实现了装置的高效运行。

(2) 海南炼化多个周期催化剂级配的筛选和优化的统计结果表明，整体而言，石科院RHT系列渣油加氢催化剂的运行周期长短、催化剂活性、单位体积催化剂的金属沉积量、脱硫量、脱残炭前身物量和脱氮量都优于国外催化剂，说明RHT系列渣油加氢催化剂综合性能更为优异。

(3) 装置改造后，通过降低总空速和优化催化剂级配，海南炼化渣油加氢装置的周期平均脱硫率、降残炭率、脱金属(Ni+V)率和脱氮率分别比装置改造前多个周期的平均值增加了2.9，5.1，9.6，11.6百分点，同时其运转周期也从12个月延长到17个月，达到了装置改造的目的。

(4) 海南炼化渣油加氢装置的运行优化经验表明，在不同时期需要根据两列催化剂的运行情况及时调整运转方案以使炼油厂获得最有利的运行结果。该装置改造后第一周期的运转结果表明，在加工更多减渣的前提下，石科院RHT系列渣油加氢催化剂的活性，特别是脱氮和降残炭性能明显优于国内参比剂，反应器温升和表观氢耗高于国内参比剂，反应器压降上升速率低于国内参比剂，运转周期也长于国内参比剂。