随着加工原油劣质化、重质化趋势加剧及清洁油品质量升级加快, 各炼油厂加大了催化加氢规模及深度, 据统计, 2017年中国石化催化加氢装置加工能力占原油一次加工能力超过70%, 部分炼油厂催化加氢装置加工能力占比超过100%[1]。炼油厂H2需求量逐年增加, 制氢成本已成为企业第二大原料成本。轻烃蒸汽重整制氢是炼油厂普遍采用的制氢技术路线及调节H2系统平衡的重要手段, 根据原料不同, 可分为石脑油蒸汽重整制氢、天然气蒸汽重整制氢及炼油厂干气蒸汽重整制氢。由于制氢装置能耗和生产成本高, 为降本增效, 愈来愈多的科技工作者开始关注原料优化的研究。因天然气清洁、产氢效率高, 炼油厂干气来源广、成本低, 可将其优化后作为制氢装置的原料, 以有效降低H2成本[2], 例如将焦化干气引入制氢装置替代石脑油作原料, 制氢装置原料气体化, 降低了制氢成本[3], 此外, 实际生产过程中, 还需注意干气掺入量对装置操作的影响[4]; 为保障装置供氢稳定性及经济性, 炼油厂不同生产工况下制氢装置原料的优化选择研究具有实际意义[5]; 有学者以Excel为模型计算工具, 应用线性规划法对制氢原料进行优化, 建立烃类气体制氢线性规划模型, 可以预测指导制氢装置原料的初步优选[6]。当前已有研究仅从经验认识、生产装置运行数据总结或拟合公式应用等角度开展制氢原料的优化分析及生产预测, 但基于装置工艺过程反应机理进行计算、指导原料优选的工作还有待进一步深入研究。
本研究以某炼油厂天然气制氢装置为研究对象, 通过分析装置生产运行数据, 确定制氢成本、装置综合能耗的主要影响因素, 利用Aspen Plus开发制氢装置工艺流程模拟模型, 从反应机理角度量化制氢原料变化对装置生产成本及能耗的影响, 并在此基础上, 应用Matlab GUI研究开发了炼油厂制氢装置原料优化分析系统软件。该软件可为制氢装置原料优选或原料结构优化提供理论计算工具。
某炼油厂制氢装置原设计以轻石脑油为原料, 后经改造可加工天然气及炼油厂干气, 实现了制氢原料气体化, 实际生产中装置原料以天然气为主。装置设计产氢能力30 000 m3/h, 生产负荷可调节范围为50%~110%。工艺流程示意图如图 1所示, 增压后的制氢原料送至加氢反应器进行烯烃饱和、有机硫加氢转化等反应, 然后再送至脱硫反应器脱除硫等杂质, 随后与蒸汽混合进入转化炉, 转化气换热降温后送至中温变换反应器, 使未转化的CO进一步转化为H2, 中变气冷却降温后送至变压吸附氢提浓装置(PSA); 界区外送来的除盐水经换热、除氧送至汽包, 汽包蒸汽经转化炉对流段加热成过热蒸汽, 一部分作为装置内工艺配汽, 剩余蒸汽输送至炼油厂3.5 MPa蒸汽管网。
装置月平均物耗构成如表 1所列, 制氢成本主要由不变成本及可变成本构成:不变成本包括人工、装置折旧等; 可变成本由原料、燃料、辅料等构成, 原料成本占比最大, 其次是燃料成本, 可变成本随原料价格、公用工程价格变化而相应变化。
对于确定的制氢装置, 循环水、蒸汽等一般采用炼油厂内部定价核算, 价格相对固定, 因而在生产成本构成中变化较小, 但是原料气、燃料、电的定价受市场变化的影响较大, 因而在装置生产成本构成中变化相对频繁。假定制氢装置成本构成中除原料气、燃料、电以外的其他生产成本不因加工原料变化而不同, 由表 1数据简化得到H2成本计算公式, 如式(1)所示:
式中:y为制氢成本, 元/t H2; xi为物料或电单价, 元/t或元/kW·h; fi为物料或电消耗量, t或kW·h; i为原料、燃料、电等; FH2为产氢量, t/h; B为常数, -165.75元/t H2, 表示每生产1 t H2, 装置需要消耗的不变成本及可变成本中的除盐水、循环水、蒸汽成本。
制氢装置综合能耗构成及比例如表 2所列。由表 2可看出, 原料气、燃料气及自产蒸汽在装置综合能耗中占比较大, 其次是水、电等能耗。装置自产3.5 MPa蒸汽作为能量输出, 部分蒸汽自用, 其余蒸汽输送至蒸汽管网。
对于确定的制氢装置, 当加工原料变化时, 对原料发热量、燃料发热量、电耗的影响较大, 而对水、蒸汽、风等公用工程耗量变化影响较小。为简化装置综合能耗模型结构, 假定制氢装置综合能耗构成中除原料气、燃料、电以外的其他公用工程消耗不因加工原料变化而不同, 由表 2数据拟合得到装置综合能耗计算公式, 如式(2)所示:
式中:E为制氢综合能耗, MJ/t H2; Qfeed为原料发热量, MJ/h; Qgas为补充燃料发热量, MJ/h; Qpower为电耗, kW·h; FH2为产氢量, t/h; C为常数, -26 474.64 MJ/t H2, 表示每生产1 t H2, 装置需要消耗循环水、除盐水、净化风及蒸汽的能耗。
生产过程物料消耗量、H2产量的准确计算是装置制氢成本模型、装置综合能耗模型得以正常应用的前提, 通常的经验估算不能满足装置生产过程物料消耗或产品生产的精准量化计算需求, 因此, 有必要开展基于反应机理的装置生产过程模型研究。
针对图 1所示的某炼油厂天然气制氢装置, 采用Aspen Plus建立工艺流程过程数学模型, 即原料增压后经预处理单元加氢饱和、脱硫后, 与蒸汽混合送至转化炉进行转化反应, 转化气再经中温变换反应器处理后送至PSA进行H2回收。建模过程中对各模块进行如下处理:加氢反应器、转化炉和中温变换反应器采用Equilibrium Reactor模块定义各反应变化, 主要化学反应如表 3所列, 采用设定化学平衡接近温度△T的方法描述实际反应发生的情况, 也作为校正模型的重要调节手段, 转化平衡温距按20~30 ℃取用[7]; 脱硫反应器使用Equilibrium Reactor模块, 按照ZnO干法脱硫反应原理, 将进料中H2S全部脱除; 换热设备采用Exchanger Design进行计算, 冷物流进出口温度采用生产实际数据; 水碳比设置的基本思路是, 将进料组分导入Design Specs, 计算其中C物质的量, 再在设置中输入水碳比设定值, 通过关联导出至转化反应的配汽物流, 从而根据进入转化反应中C物质的量的变化来计算并调整配汽量; PSA模型采用简化的组分分割模块, 依据装置实际氢回收效率进行组分回收率设定, 产品氢送出装置, 解吸气送至转化炉作燃料; 蒸汽系统模拟计算的目的是通过物料平衡、能量平衡计算系统补水量, 基本思路是定义汽包出口蒸汽的气化分率, 系统会根据烟气系统每台换热设备的热负荷、工艺配汽需求等计算除盐水的需求量。
物性方法是计算热力学性质和传递性质的基础, 制氢过程属于临氢过程, 对物性方法有特殊需求, 研究表明, Wilson物性方法、PR物性方法均能较好地用于烃类转化制氢装置的模拟测算[8]。本研究采用PR物性方法进行模拟计算。
Aspen Plus专业性强, 对使用人员知识水平、软件操作水平有特定要求, 为便于不同知识水平的技术人员操作使用, 对制氢装置制氢成本模型、综合能耗模型及工艺过程数学模型进行二次开发, 研究设计了制氢装置原料优化分析系统。基本思路是利用Matlab GUI作为人机交互界面开发工具, 通过基于COM技术开发的数据接口, 实现以Aspen Plus模型为基础的后台运算与软件界面之间的数据传递。软件界面如图 2所示, 主要包括基本信息输入栏、计算结果展示栏及功能栏, 实现原料气组成、流量等变化后装置生产过程物料消耗的量化计算, 进而得到装置制氢成本、装置综合能耗。该软件系统主要有以下几方面功能:制氢装置工艺过程模拟计算、不同原料的制氢成本分析、不同原料的制氢装置综合能耗分析等。
以图 1所示的天然气蒸汽重整制氢装置为例, 利用制氢装置原料优化分析系统进行工艺过程模拟分析, 计算结果如表 4所列。由表 4可看出, 模拟计算值与生产运行数据偏差均小于±10%, 表明制氢原料优化分析系统可以用于天然气制氢装置工艺过程的模拟计算, 满足工程计算要求。
对装置关键参数进行灵敏度分析, 如考察水碳比(物质的量比)、转化炉出口温度、转化炉压力等对生产操作的影响, 可进一步指导装置的实际优化调整。以水碳比灵敏度分析为例, 如图 3所示, 当原料一定时, 随着水碳比增加, 中温变换反应器出口产物中H2、CO2摩尔分数增加, 而CO、CH4摩尔分数逐渐减少, 表明水碳比提高利于转化反应的正向进行, 当水碳比增加到4.15后, 对H2摩尔分数增加的幅度逐渐降低, 尤其是当水碳比大于4.48后, 反应器出口的各组分基本保持稳定, 这表明水碳比提高到一定程度后, 对制氢转化影响程度减弱。
该炼油厂制氢装置可用原料主要有天然气、焦化干气、催化干气、PSA解吸气(重整氢PSA提浓装置), 典型组成如表 5所列。利用制氢装置原料优化分析系统分别对每种原料气进行模拟计算, 结果如表 6所列:原料价格、原料氢碳比及原料理论产氢率是影响成本的主要因素, 当制氢装置产氢能力一定时, 随着制氢原料价格的增长, 制氢成本呈升高趋势, 当制氢原料价格相同时, H2成本与原料氢碳比、理论产氢率有关, 主要是由于各原料气组成不同导致单位产品氢的原料消耗、公用工程消耗不同; 此外, 制氢成本与原料的氢碳比、理论产氢率等不成简单的线性关系。
以天然气制氢装置能耗为参考基准, 不同原料时制氢装置的综合能耗如表 7所列。当产氢量相同时, PSA解吸气作为制氢原料时装置综合能耗最低, 可能原因是由于原料气中含有摩尔分数为51.5%的H2, 在转化反应过程中需求热量相对较少, 因此生产相同量H2时的综合能耗偏小, 但从原料气中各组分转化制氢反应机理可知, 原料中大量的H2在系统中不参与制氢转化反应生产更多H2, 一方面消耗大量能源, 另一方面占据制氢装置转化制氢的负荷; 催化干气作为制氢原料的能耗最高, 可能原因是由于原料中含有大量不能产氢的气体组分, 一方面浪费生产过程能量, 另一方面由于原料产氢率低导致单位制氢能耗偏大; 焦化干气是炼油厂副产品, 以其作为制氢原料时的装置综合能耗较天然气作原料时高。
随着我国炼油产业结构的升级及转型, H2资源发挥了愈来愈重要的作用, 制氢原料优化研究必将助力进一步降低制氢成本、优化能源利用。本研究以某炼油厂天然气蒸汽重整制氢装置为研究对象, 通过开发制氢成本模型、装置综合能耗模型及制氢工艺过程模型, 为研究原料对制氢成本、综合能耗的影响提供了理论计算方法。此外, 开发的制氢装置原料优化分析系统界面简洁、操作简单, 适合不同知识层次的技术人员使用, 辅助制氢装置原料优选、参数调优等决策过程。