炼厂氢气的管理

要： 介绍了国内外炼厂氢气的生产、 使用、 回收及分配管理技术， 提出了解决我国炼厂氢气来源的建议。 中图分类号： -.)#)% / 文献标识码： 0
关键词： 炼厂氢气； 氢气生产； 氢气回收； 氢气管理； 建议 文章编号： "&&) * #!(+ $ #&&( , &" * &&a格、 加工灵 活性越来越高、 加工深度越来越大的挑战， 从而带 动了其对氢气的需求。随着炼厂对氢气需求的大 幅增长，氢气管理逐渐成为事关炼厂效率和盈利 的一个战略问题。 氢气管理的最简单形式是统筹安排生产和使 用。如果产出的氢气纯度都很高，那么就不需要 太多的决策，氢气管理就很容易。但由于氢气源 纯度不同，并且还需要考虑氢气管理策略与产 氢 1 耗氢装置在操作参数之间的相互关系，使得 氢气管理非常复杂。氢气管理，先要弄清整个炼 厂氢气的生产、回收和消耗情况；然后把氢平衡 作为一个网络问题来分析，以优化整个炼厂的氢 气资源。 ! !" ! 炼厂氢气的生产 专门制氢装置 随着燃料规格日趋严格，副产氢气已经不能 满足要求， 需要建造专门的制氢装置， 这些专门的 制氢装置占世界氢气生产能力的大部分。制氢最 液化石油气） 和石 常采用的技术是以天然气、 234（ 脑油为原料的甲烷蒸汽转化 $ 567 , 。当重油价格 低时， 也可采用部分氧化法， 有时也采用自热转化 法。 由于制氢装置投资大，迫使一些炼厂转向外 购氢气。炼厂可以考虑与气体供应商建立合作伙 伴关系， 签署长期 $ "! 或 #& 年 , 供应合同。气体供 应商的义务是在炼厂附近或内部建设、维护和操 作制氢装置，炼厂从气体供应商获得按预定价格 供应氢气的保证。这样使炼厂可以将有限的资金
收稿日期： #&&# * "& * ## 作者简介： 石宝明 （ ， 男， 安徽省人， 主要从事石化技术、 经 "’/# * ） 济方面的研究。
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化 工 技 术 经 济 !"#$%!&’ (#!")* + #!*)*$%!,
!""# 年
第 !$ 卷
在设计 ’() 装置时，通常面临的主要问题是 副产多少蒸汽量是可以接受的。用于减少副产蒸 汽量的技术包括尽量提高空气预热温度、尾气预 热和预转化。空气预热可以与任何一种转化炉型 需要增加强 组合使用。 对于 *+,,-./+ 0-11 转化炉， 制通风和引风机，以抵消该型炉相对于倒烧炉不 需强制通风的优点。尽管利用蒸汽预热空气已经 在工业上应用，但是在多数情况下并不是最佳方 案。尾气预热可以通过合成气或蒸汽的热量来完 成。 事实已经证明， 尾气预热在多数情况下是经济 可行的。预转化是使重质烃类转化为合成气和甲 烷的过程， 反应在绝热反应器中进行， 反应温度远 低于转化炉中的温度。 当采用预转化时， 可能使用 较高的温度，从而减少转化炉的燃烧负荷和输出 蒸汽产量。采用预转化， 需要增加设备， 转化炉的 对流段需要更多的进口合金材料。结论是所有情 况下预转化都是不经济的，其选择要根据具体情 况而定。 除以上提及的工艺外，制氢装置的设施和施 工也取得了进展。其中之一是标准组件 *+,,-./+ 0-11 转化炉的出现。 2345+, 06++1+, 公司在最近建 成的委内瑞拉 789-: 炼厂制氢装置上采用这一 技术。该转化炉辐射段由 $" 个组件组成， 每个组 件有 !" 根炉管，这样可以大幅度减少施工劳动 力。 （ 部分氧化 !） 可以处理宽范 部分氧化 ; <=> ? 是非催化过程， 围的进料 ; 气体、 液体和固体 ? 。该工艺在处理石油 焦和沥青等高硫低价值燃料方面可以发挥作用。 部分氧化处理轻质原料时，基建投资与 ’() @ <’7 相似， 但该工艺需要高压氧气， 因此在通常情况下 <=> 经济性不如 ’() @ <’7。对于重质进料而言， <=> 是唯一的技术可行方案。重质进料 <=> 的一 个问题是原料量很少能与所需的氢气量匹配，因 此有必要为大量的合成气寻找出路，一体化气化 联合循环 ; ABCC ? 就是一例。当相对少量的合成气 用于生产氢气时， 采用膜分离装置相当便利。 （ 自热转化 #） 自热转化 ; 7*) ? 也称为催化部分氧化， 其进 料与蒸汽转化 （ 相似。除如下两点重要差 ’() ） 别外， 自热转化基本上与蒸汽转化相似。 ! 7*) 催化剂置于单个反应器中，而 ’() 置于炉管之 中； " 7*) 过程所需反应热通过向反应器中通
))7 )))( 的氢气，回收率达 )*( 以上。工业 $%& 装置通常使用 3 + #8 个吸附塔。尽管氢气纯度高 对加氢处理操作有利， 但这会增加 $%& 的费用。 因 此， 如果考虑采用 $%& 回收氢气， 需要选择适宜的 氢气纯度。 空气产品公司与化学品公司和 9:;<=>? 工业 公司合作开发了一种基于变压吸附快速回收氢气 的方法，该方法组合了空气产品公司的 $%& 技术 和 9:;<=>? 公司的多通路旋转阀，工艺流程简单、 成本低廉、循环周期短、回收的氢气纯度高 @ 达 ))7 ))( A 。 !" ! 膜分离工艺 如果原料气压力较高 （ 如 BCC 废气） ， 则氢气 回收宜采用膜分离技术。 膜分离装置简单， 易于操 作， 基建成本低， 但回收率较低。 在进料流率低、 不 强调纯度和回收率、 且所需产品压力低的情况下， 宜选择膜分离技术，其主要优势是可以生产高压 氢气， 从而降低压缩费用。 膜分离也可用于组合回 收技术。 !" $ 深冷分离工艺 深冷分 离广泛用 于炼厂 混合物 流的氢 气回 收。深冷装置简单， 不需外部制冷， 因进料氢气浓 度低， 通过焦 1 汤效应可以获得足够的制冷。 !" % 氢气组合回收工艺 组合系统可以提高氢气的回收率和纯度。对
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炼厂氢气的管理
石宝明 "， 廖
$ "% 中国石化集团公司经济技术研究院， 北京
健 "， 白雪松 #
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北京 "&&&#’ ； #% 石油和化学工业规划院，
摘
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变压吸附回收工艺 可以用于生产体积纯度高达 变压吸附 （ $%&）
采用 $%& ’ 深冷分离组合工艺来回收氢气和 C8 F 。 GH%% B>?<I0:JK<L;J=?:. 开 发 了 一 条 从 BCC 废气中通过 $%& 与膜分离技术相结合生产高纯度 氢气的方法 M 8 N 。该系统利用 BCC 装置废气将 $%& 系统压力提升至能高效操作的水平，使其通过聚 酰亚胺膜， 氢气回收率为 "*( 。 用透平膨胀机来提 高未渗透气体的压力，然后将富氢气流送到沸石 型 $%& 装置， 回收氢气的纯度为 ))7 )*( ， 总收率 为 -3( 。 $ $" # 炼厂氢气的消耗 炼厂燃料系统 过去氢气最大的消耗者是炼厂燃料气系统， 许多炼厂将过剩的氢气用于炼厂燃料；现在随着 氢气需求的增加， 炼厂开始回收这些氢气， 用以其 它耗氢装置。 $" ! 加氢处理 根据操作苛刻度和进料性质，加氢处理装置 的耗氢范围一般为 ,* + 8!* ./ ’ ./ 或更高。加氢 处理装置可以脱出进料或产品中的硫、氮或其他 杂质。 随着对清洁燃料要求的提高， 加氢处理装置 已经从氢气的中等消耗者转变为大的消耗者，并 且这种趋势还在发展。加氢性能的关键参数是氢 分压， 有效的氢管理程序应以氢分压为目标， 并通 过控制氢网络操作来达到目标。 $" $ 加氢裂化 减压瓦斯油加氢裂化是迄今为止单一工艺中 最大的氢气消耗者， 耗氢量为 #/! + 38* ./ ’ ./ 。 将
入 氧气 使 原 料部 分 燃烧 来 供 给。 与 <=> 一 样 ， 7*) 也需要氧气供应，因此 7*) 在有现成氧气 装置或氧气便宜的情况下是合适的。 7*) 反应 温度低于 <=> ，生产单位合成气所需氧气量也 少于 <=> 。7*) 出口气体处理方法与 ’() 工艺 相同。 原料和技术的选择是由经济性决定的。在评 估生产大量高纯度氢气的总成本时，需要考虑 D 个因素： 基建成本、 进料 @ 燃料成本、 氧气成本以及 副产品回收率。从经济角度讲， ’() 优于 <=> 和 只有在低成本氧气存在条件下， 7*)， <=> 和 7*) 才有竞争力。在处理重质原料时， <=> 是唯一选 择。 -. / 催化转化 催化转化一直是炼厂中氢气的重要来源。 随 着催化转化从固定床、循环床向再生转化演进， 氢气的产量也增加了好几倍。 E=< 的连续催化转 *( 及与其相关的催化剂 化技术 （ CC) <1-5F3,8G.H ） 改进技术能够使氢气产量从 !" 世纪 %" 年代的 增加到现在的 #"" 8 # @ 8 # 。 不到 $"" 8 # @ 8 # ， -. 0 其他制氢方法 乙烯生产及丙烷、丁烷或乙苯脱氢装置可以 副产氢气。这些工艺的氢气产量范围为 &" I J" 虽然， 目前还不常见， 但该方法可以为炼厂 8# @ 8# 。 的氢平衡作出重大贡献，成为炼厂高纯度氢的一 个经济来源。 副产氢气最大的优点是生产成本非常低，而 最大的问题是缺乏可靠性。如原料变化会导致氢 气产量的变化，生产装置计划停工和非计划停工 都会导致氢气供应中断。因此炼厂均不愿意完全 依赖副产氢气供应。 / 氢气回收技术 回收氢气通常采用的技术包括变压吸附 ; <’7 ? 、 膜分离和深冷分离 K $ L 。这些技术都很成熟 且有竞争力。膜分离技术会随着膜材料研究的新 进展而获得进步。深冷分离和 <’7 技术已经应用 多年。 由于每个工艺所依据的原理不同，因此工艺 特性相差甚远。正确选择合适的氢分离工艺不仅 需要考虑经济因素， 还需要考虑工艺灵活性、 可靠 性和易于扩建等其他因素。 在炼厂的实际方案中， 可以组合使用这些技术， 以使它们的优势互补。 氢 气回收技术的初步选择原则见表 $。