氢气优化技术简介

1、FRIPP氢气优化技术氢气优化技术 抚顺石油化工抚顺石油化工研究院研究院 2015.9.22 青岛青岛 提 纲 技术原理 三 技术特点 四 技术简介 一 案例 五 技术内容 二 1. 1. 技术简介技术简介炼厂氢气系统炼厂氢气系统 p 什么是炼厂氢气系统？ 包括制氢、加氢、氢提纯及氢管网在内的氢气制备、利用、回收 及配送系统 p 制氢成本高昂 从煤制氢到石脑油制氢的典型制氢成本为1万-2万元/吨 p 氢气需求量大 对于重质油加氢来说，耗氢量可以达到加工量的3.0wt%甚至更高 p 氢气利用率低，节氢潜力大 目前大部分炼厂的氢气利用率为70%-85% p 系统集成优化效益高 氢气、轻烃和燃料气系

2、统集成优化可为炼厂创造十分可观的经济效益 p 系统集成优化降低全厂能耗 氢气利用率提高10个百分点，可降低全厂综合能耗12kgEO/t 1. 1. 技术简介技术简介氢气系统优化的必要性氢气系统优化的必要性 1. 1. 技术简介技术简介 p 氢气系统优化技术？ 对炼厂氢气系统的组成要素，如产氢装置、耗氢装置、氢气回收 装置、氢气管网进行系统地调研和分析，在保证各要素正常运行 或改进要素运行状况的基础之上，运用先进的数学理念和分析方 法优化氢气供给和分配，以期达到降低炼厂氢耗、实现节能增效 的目的。 氢气系统优化技术还可同其他系统或装置进行集成优化设计，如 炼厂燃料气系统、轻烃回收装置、干气提浓装

3、置等，可实现增加 炼厂收益、降低投资回收期的效果。 p 氢气系统优化解决的问题： 用氢装置的氢气供给是否合理，用氢条件是否合理。 炼厂氢气系统需要的最小氢气供给是多少？能否减少制氢供应？ 如何匹配优化不同种类的氢气供应及消耗。 如何集成优化氢气系统和其他装置、系统，以达到炼厂收益最大化。 1. 1. 技术简介技术简介 提 纲 技术原理 三 技术特点 四 技术简介 一 案例 五 技术内容 二 高 于 H 2 P la n t O ffg a s 2 78 .1 3 9 9.0% 8 9.13 8 1.9% 9 0.00 1 11 .4 3 2 6.70 5 0.00 4 0.00 1 1.43

4、9 .7 0 2 8.00 3 10 .0 0 4 88 .5 7 2 13 .3 0 2 20 .0 9 1.0% 8 5.0% 7 5.0% 7 0.0% U nit A U nit B U nit C U nit D 9 2.8% 8 7.6% 7 7.7% 7 5.4% p 这意味着： 一部分尾气中的 氢气是可能得到 再利用的。 2 2. . 技术内容技术内容 注：氢气浓度为体积百分比 H 2 P lant O ffgas 278.13 99.0% 89.13 81.9% 90.00 111.43 26.70 50.00 40.00 11.43 9.70 28.00 310.00 48

5、8.57 213.30 220.0 91.0% 85.0% 75.0% 70.0% U nit A U nit B U nit C U nit D 92.8% 87.6% 77.7% 75.4% 2 2. . 技术内容技术内容 p 技术内容： 用氢装置的氢气供给是否合 理，用氢条件是否合理。 炼厂氢气系统需要的最小氢 气供给是多少？能否减少制 氢供应？ 如何匹配优化不同种类的氢 气供应及消耗。 如何集成优化氢气系统和其 他装置、系统，以达到炼厂 收益最大化。 2 2. . 技术内容技术内容 p 氢资源利用技术技术内容构成： 加氢装置用氢加氢装置用氢评价与优化评价与优化 氢夹点分析技术氢夹点分析

6、技术 集成集成优化优化 2 2. . 技术内容技术内容加氢装置用加氢装置用氢评价氢评价 M PM 补充氢 液体进料 排氢 液体产品 氢阱 氢源 p 加氢装置模型建立 现有加氢装置模型：采用现有数据，对装置进料和出料进行物料衡算， 计算当前装置的化学氢耗和不同馏程油品的产出比例，改变物料输入， 模拟油气生成。 持续改进的加氢装置模型开发：开发反应动力学的加氢装置模型，在油 品和氢气供应发生较大变动的情况下准确预测产品质量和馏程分布，为 氢气系统优化提供更为准确的数据支撑，保证优化结果的可靠性。 p 加氢装置简化 2 2. . 技术内容技术内容加氢装置用氢分析加氢装置用氢分析 p 加氢装置用氢评价

7、 评价方法：结合我院加氢技术优势，分析当前加氢装置的用氢 合理性，如氢油比和氢气分压是否在适宜范围，用氢条件改变 是否影响产品质量和产品分布，结合产品收益进行优化指路； 分析不同种类氢气，如重整氢气、乙烯氢、高纯氢，如何供给 不同类型的加氢装置以实现效益最大化。 集成加氢动力学模型和氢气全系统优化：依据装置运行数据对 模型进行调优，使其符合装置运行的状况，依托动力学模型进 行氢气集成优化设计，为方案实施提供可靠的理论支持。 13 p 加氢催化剂和工艺的改进 保证产品油质量达标及收率合格的前提下，通过催化剂和工艺进步，可 降低加氢装置的操作苛刻度，改善加氢装置的操作条件； p 加氢装置催化剂级配

8、 通过催化剂级配技术可以有效降低装置用氢苛刻度，减少补充氢和冷氢 用量； p 加氢装置原料的优化配置 结合总加工流程进行加氢原料的配置优化以及加氢装置的操作优化，降 低氢耗。 2 2. . 技术内容技术内容加氢加氢装置装置优化途径和方法 2 2. . 技术内容技术内容氢气夹点技术氢气夹点技术 M PM 补充氢 液体进料 排氢 液体产品 氢阱 氢源 p 氢源和氢阱的定义 以加氢装置为例，传统的氢源定义认为氢源指排放氢，而氢阱 至补充氢，而氢夹点技术将循环氢考虑进来认为反应器入口的 氢气为氢阱，而分离器出口氢气为氢源。 65 70 75 80 85 90 95 100 050010001500 +

9、 + + _ _ _ Total flowrate H2 Purity 氢源曲线 氢阱曲线 2 2. . 技术内容技术内容氢气夹点技术氢气夹点技术 p 氢气剩余曲线的求算 将氢源和氢阱在流量纯度曲线作图； 对氢源曲线与氢阱曲线的差值矩形面积作图（纯氢剩余氢纯 度坐标轴）。 p 夹点求算 减少制氢量，使得氢气剩余曲线平移与纵坐标相交，交点即为 氢气夹点。 2 2. . 技术内容技术内容氢气夹点技术氢气夹点技术 p 氢夹点技术的特点 功能：功能：计算出炼厂可节省的氢气公用工程量；快速确定炼厂的 用氢水平；找出具有回收潜力的含氢流股；计算出节氢潜力及 轻烃回收潜力。 优点：优点：直观的图形分析方法；

10、较少的数据采集工作；迅速找出 系统优化的关键部位，比如氢源与氢阱的匹配、氢提纯单元的 原料选择等。 缺点：缺点：未考虑流股压力因素，将氢气中的杂归一为甲烷等。 2 2. . 技术内容技术内容氢气夹点技术氢气夹点技术 p 集成优化 用氢装置间的集成优化。 氢气系统与燃料气系统集成优化。 氢气系统与全厂轻烃回收系统集成优化。 2 2. . 技术内容技术内容集成优化集成优化 p 技术特点： 氢气网络优化与加氢装置的用氢条件相结合：进行加氢装置用氢问题专 家诊断，在改善加氢装置操作条件的基础上开展氢气全系统集成优化； 氢气资源优化与全厂总流程优化相结合：在优化炼厂总流程的基础上进 行供用氢平衡计算，并

11、开展供氢和用氢匹配和优化设计工作，制定合理 的用氢优化方案。 氢气资源优化与全厂燃料气系统、轻烃回收系统相结合：统筹全厂燃料 气平衡、轻烃回收效益，结合当前燃料气和轻烃市场状况，开展全厂范 围内，氢气、燃料气和轻烃集成优化利用，达到节能增效的目的。 2 2. . 技术内容技术内容集成优化集成优化 通过氢气系统操作优化及通过较 少的管线调整，可以提高用氢效 率，降低氢耗1%-5%； 通过系统的优化改造，可进一步 降低氢耗5% -15%； 在提高用氢效率的基础之上，考 虑轻烃和氢气综合回收，回收高 价值轻烃，将提高经济效益2-3倍。 2 2. . 技术内容技术内容集成优化实施步骤及效果集成优化实施

12、步骤及效果 提出氢气网提出氢气网 络夹点分析络夹点分析 和线性规划和线性规划 算法算法 开发基于超开发基于超 结构的氢气结构的氢气 网络设计网络设计 氢气和轻烃氢气和轻烃 综合回收集综合回收集 成技术成技术 氢气系统、氢气系统、 加氢装置集加氢装置集 成优化技术成优化技术 1990s 2000s 2010s 2010s FRIPP正在开发新软 件平台 耗氢装置动力学模 型引入氢气系统优 化 从1999年提出氢夹点分析理论开始，近10年，从系统离线的模拟、分析、优化到在线 监检测；从单纯的氢管网到燃料气、轻烃回收系统集成；目前正在开展的加氢装置、 总流程集成优化。 2 2. . 技术内容技术内容

13、集成优化发展历程集成优化发展历程 提 纲 技术原理 三 技术特点 四 技术简介 一 案例 五 技术内容 二 3. 3. 技术原理技术原理数学规划算法数学规划算法 1600psi 2200psi1500psi 1700psi 360psi 1600psi 2200psi 1600psi 2200psi AMAM BMBM ARAR BR BR 360psi 360psi 1500psi 1700psi 80psi H2 Plant Source A Source B Sink A Sink B Fuel p 原理： 基础是数学规划法； 考虑压力、管线布局 等的实际约束条件； 对氢提纯单元及制氢

14、单元进行自动集成 3. 3. 技术原理技术原理数学规划算法数学规划算法 p 数学规划算法优化算法： 建立目标函数： 设立约束条件： 运用合理的优化算法进行模型求解： MaxCoptimization=Cproducer-CConsumer-Cpurification-Cfuel 运用gams或MATLAB建模求解 提 纲 技术原理 三 技术特点 四 技术简介 一 案例 五 技术内容 二 4. 4. 技术特点技术特点 p 技术特点如下： 氢气网络优化与加氢装置的用氢优化相结合：可进行加氢装置用氢问题 专家诊断，在改善加氢装置操作条件的基础上开展氢气全系统优化； 采用最先进的氢气网络优化技术：通过

15、先进的系统管理方法对现有氢气 网络进行问题诊断，找出现有氢网问题及用氢关键装置，并通过数学规 划计算方法对现有网络进行统筹规划和安排，以期氢气网络达到最佳运 行状态。 氢气资源优化与全厂总流程优化相结合：在优化炼厂总流程的基础上进 行供用氢平衡计算，并开展供氢和用氢匹配和优化设计工作，制定合理 的用氢优化方案。 效果：可减少炼厂氢气消耗，以达到节能增效，增加收益的成效。 提 纲 技术原理 三 技术特点 四 技术简介 一 案例 五 技术内容 二 28 网络现状网络现状 5. 5. 案例一案例一金陵石化金陵石化 29 存在问题存在问题 l 调研发现 炼厂高压氢不足，低压氢过剩，因此需要将约5万方的

16、PSA产品氢 由压缩机提压送至高压氢管网； 炼厂部分加氢精制装置，如I汽油加氢，III柴油加氢等新氢由制 氢及PSA的高纯氢提供，造成用氢的浪费； III汽油加氢OCTM为氢气一次通过，没有循环氢压缩机，由于高 分外排氢中硫含量过高，由原打算送入低压氢管网改为送入了 PSA进行提纯，造成了氢气的浪费； 蜡油加氢装置有时会由于炼厂氢气不足，造成处理量被迫降低。 5. 5. 案例一案例一金陵石化金陵石化 30 分析问题分析问题 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0500010000150002000025000300003500040000 氢纯度氢纯

17、度v%v% 剩余氢气量剩余氢气量(Nm(Nm3 3/h)/h) 基础工况氢剩余曲线图基础工况氢剩余曲线图 基础工况平衡后 分析： 尚未达到夹点，排往燃料气系统纯氢量为36000m3/h； 夹点位置为83.2%，氢气利用效率为85%； 外排氢气浓度较高，量也较大，可以通过流股提纯回收氢气； 对排往燃料气系统的流股进行分析，外排轻烃量为15.7 t/h。 5. 5. 案例一案例一金陵石化金陵石化 31 优化方案优化方案 II重整氢的优化：将部分II重整氢直接送入低压氢管网； 现有轻烃回收的优化：压缩机第一级出口降压，第二级出口升压，保证 II&III柴油干气可送入。对吸收塔、再吸收塔、脱硫塔进行提

18、压操作， 保证脱硫干气可直接送入现有PSA进行提纯回收； 新建膜分离提纯回收外排流股，如III柴油干气1819,53v%；渣油加氢干 气1027,49.4v%；II加裂干气2264,55v%； IV汽油加氢干气1432,72v%； 5. 5. 案例一案例一金陵石化金陵石化 32 优化方案优化方案 新建柴油吸收塔，对富含轻烃的流股先进行轻烃回收，后利用新建的 psa装置进行氢气回收，处理流股包括III柴油干气1819,53v%；渣油加氢 干气1027,49.4v%；II加裂干气2264,55v%； IV汽油加氢干气1432,72v% ；蜡油加氢干气 1027,49v%；psa解吸气16482,4

19、4v%。 新建轻烃回收装置：新建一套轻烃回收装置，包括膜分离、PSA以及塔 设备，对排往燃料气管网的干气中氢气和轻烃做综合回收，膜分离渗透 气送低压氢管网，PSA产品氢送高压氢管网 催化干气氢气回收：将干气提浓的吸附废气提压后送入新建的PSA，回 收其中的纯氢 5. 5. 案例一案例一金陵石化金陵石化 33 优化效益优化效益 操作优化方案操作优化方案少投资方案一少投资方案一少投资方案二少投资方案二最大效益方案最大效益方案 氢气利用效率（%）86.9（1.73）88.1（2.95）87.2（2.04）91.2（6.05） 氢气效益（万元/年）1223 2051 1435 4067 轻烃效益（万元

20、/年）4185 4185 9791 25131 操作成本增加（万元/年）461 616 1134 7722 总效益（万元/年）4947 5620 10185 21476 设备投资（万元）2134 2057 10065 总投资（万元）5334 5142 25163 投资回收期00.95 0.50 1.17 操作优化方案不需要新增设备，只需要对部分管道进行改动； 少投资方案里侧重轻烃回收的方案二经济效益较优，投资回收期较短； 最大效益方案对可回收的氢气和轻烃做了最大程度的回收，因此总效益 最可观，但相应的总投资费用也较高； 目前，金陵公司已经实施部分方案 重整氢利用+压缩机、塔的降压、提压。 5.

21、 5. 案例一案例一金陵石化金陵石化 34 管网现状 5. 5. 案例二案例二石家庄炼化石家庄炼化 p 制氢产能未得到充分发挥 氢气系统有1.6MPa、 2.0MPa、重整氢气三个管网； 1#制氢产品氢气压力为1.6MPa，下游用户仅有100万吨/年柴油加氢 精制装置和化工事业部，化工作业部停工期间，1#制氢产能浪费。 35 p装置用氢需进一步优化 100万加氢、航煤加氢及蜡油加氢的氢油比、氢分压等均高于设计 要求，存在节氢潜力； 部分加氢装置目前采用高纯氢； 部分耗氢装置外排氢量大，存在操作调优空间。 p含氢流股直接排放或利用不合理 大于夹点氢纯度的重整氢直接进PSA提纯，造成H2损失； 耗

22、氢装置排放氢、FCC干气氢含量较高，目前直接排放至燃气管网 ，造成H2损失。 存在问题 5. 5. 案例二案例二石家庄炼化石家庄炼化 36 问题分析问题分析 分析：分析： 夹点氢浓度为S-zorb装置的反应器入口氢纯度，为85.98%； 排入燃气管网纯氢量19848Nm3/h，系统氢利用效率76.1%； 夹点之上：排氢主要是100万加氢的高分外排、蜡油加氢的低分气及直 供PSA的重整氢。； 夹点下方氢气排放量大，且都含有一定量杂质及部分轻烃，夹点下方氢 回收工作的开展要与轻烃回收、脱硫等工作相结合。 5. 5. 案例二案例二石家庄炼化石家庄炼化 结合炼厂实际情况，制定不同投资程度的优化方案： 37 重整氢直供100万柴加、航煤加氢、蜡油加氢装置； 100万柴加干气送至2#常减压轻