Террасная печь

Выбор УПВ для НПЗ
Обзор
• Как определить оптимальные масштабы проекта?
• Характеристики сырья
• Гибкость по сырью
• Экспорт пара
• Выбор лицензиара
• Сравнение вариантов
• Эффективность - капитальные затраты - удобство и
надежность в эксплуатации
• Варианты выбора катализаторов и адсорбентов
Современные УПВ
• Ранее УПВ являлась вспомогательной установкой,
покрывающей недостаток водорода в общем балансе
НПЗ – теперь это не так
• Увеличение в размерах
• До 200,000 нм3/ч ($150 - $200 млн. в зависимости от
сырья)
• Часто строятся в связке с критически важной для НПЗ
установкой – потребителем водорода
• Гидрокрекинг, гидроочистка, и т.д.
Такая важная для НПЗ установка требует принятия
правильного инвестиционного решения
Масштаб
• Очень важно реалистично определить масштабы
будущей УПВ перед тем, как отсылать информацию
лицензиару
• Джонсон Матти может помочь в определении
последствий неточной спецификации
• Лицензиар не всегда посоветует заказчику пересмотреть
масштаб проекта, несмотря на возможное увеличение
цены
• Лучше дать лицензиару свободу в выборе вариантов
технологии
• Излишние ограничения могут привести к тому, что
лицензиар предложит неоптимальную для заказчика
конфигурацию установки.
Содержание примесей в сырье
• Это наиболее важная проблема при проектировании
установки, которая может увеличить стоимость проекта
и привести к последующим трудностям в эксплуатации
Необходимо с самого начала правильно определить
содержание примесей!
Содержание примесей в сырье
• Сера
• Указывайте среднее и максимальное содержание серы
• Избегайте избыточного запаса по содержанию серы, кроме
случаев, когда точно известно, что состав сырья будет
меняться
• Объем адсорбента серы прямо пропорционален среднему
содержанию серы в сырье. Увеличение этого значения в два раза
приведет к удвоению размеров адсорбера (для того же срока
службы)
• Указывайте тип соединений серы корректно
• Катализатор гидрирования рассчитывается только на пиковое
содержание органической серы – реалистично указывайте данное
значение
• Если тип соединений серы неизвестен – проводите лабораторные
анализы – даже жидкое сырье может содержать только H2S. При
недостатке информации лицензиар процесса может принять все
указанное количество серы за органическую
Содержание примесей в сырье
Пример 1 – Природный газ (осн. сырье – 11 мес./год) и СУГ (второе
сырье – 1 мес./год)
• В природном газе указано содержание серы как 10ppmv
H2S/Меркаптаны/Дисульфиды
• В СУГ указано содержание 20ppmv “Серы”
В результате был спроектирован реактор гидроочистки в 20m3 и два
адсорбера ZnO по 25m3 каждый (50 м3 в общем)
• Как выяснилось, в действительности….
• ПГ (как оказалось, СПГ) содержал 2-3ppmv серы, в том числе
<1ppmv дисульфидов
• СУГ содержал 19 ppmv H2S и 1 ppm CH3HS/(CH3)2S
В результате оказалось достаточно реактора гидроочистки в 5m3
[меньше в 4 раза] и одного ZnO адсорбера в 24m3 - Экономия $2 млн
(аппараты, катализатор и адсорбент)
Содержание примесей в сырье
• Хлориды
• Часто присутствуют в сырье с установки риформинга
• Большинство адсорбентов Cl справляются с временными
пиковыми концентрациями хлоридов. Поэтому следует
указывать среднее значение содержания Cl.
• Олефины
• Насыщаются на катализаторе гидрирования, что
сопровождается резкой экзотермой. В случае, если
содержание олефинов превышает 10 % об., для контроля
экзотермы требуется внесение изменений в проект установки,
что приводит к ее удорожанию
• Необходимо тщательно взвесить, есть ли необходимость в
использовании олефинового сырья
• В качестве альтернативного, можно рассмотреть вариант
использования олефинового сырья в смеси с неолефиновым
для того, чтобы избежать слишком большой экзотермы
Содержание примесей в сырье
• Тяжелые металлы (Pb, V, As и др.)
• Высокие концентрации приводят к увеличению объема
реактора гидрирования
• Дополнительный защитный слой катализатора
• В большинстве случаев, указанное содержание тяжелых
металлов является максимально допустимым уровнем
для используемого сырья
• Реальное содержание может быть на на один-два порядка
ниже, и не влияет на объем катализатора гидрирования
Гибкость установки по сырью
• Возможность работы на альтернативном сырье дает:
• гарантированную работу при прекращении подачи
основного сырья
• возможность переключения на более дешевый тип сырья
• Утилизацию углеводородных потоков, не находящих
применения на НПЗ
• Однако…..
• значительно усложняет системы КИПиА установки
• может сократить срок службы катализаторов
предреформинга / парового реформинга
Гибкость установки по сырью
• Джонсон Матти может помочь в определении требований к
катализаторам для обеспечения возможности работы на
различных видах сырья и указать на возможные
сопутствующие проблемы
• Часто УПВ проектируются с большой и сложной секцией
очистки для сырья, которое никогда не используется!
• Стремитесь как можно подробнее описать планируемую
схему использования сырья
• Например, сырье 1 – 80% времени, сырье 2 –15%, сырье 3 – 5%
• Без этой информации, установка может быть спроектирована на
возможность работы на сырье каждого типа 100% времени. При
этом, сырье 3 может потребовать удвоения объема
катализатора предреформинга (для того же срока службы)
Гибкость установки по сырью
Пример 2 – СПГ, СУГ и C5/C6 в качестве сырья. Также предусмотрен
байпас предреформера во время работы на СПГ.
В результате получается предреформер объемом 22 м3 и печь
реформинга с 256 трубами.
• В действительности условия, которые необходимо было указать,
были следующими…
• СПГ 10 мес/году, СУГ и С5/С6 по 1 мес/году
• Также при байпасировании предреформинга мощность
установки могла быть понижена до 80% проектной.
В результате получается 14m3 катализатора предреформинга [и
реактор меньшего объема] и печь реформинга с 224 трубами [печь
меньшего объема] – экономия как минимум $750 000
Гибкость установки по сырью
• Возможность работы на тяжелом сырье (ТКК >100 oC)
• Это может значительно влиять на объемы катализаторов
• Секция очистки, предреформинг, паровой реформинг
• Определите четкие границы времени работы на данном
сырье и/или рассмотрите возможность смешения с более
легким сырьем
Экспорт пара
• УПВ является эффективным производителем пара
• Экспортный пар – побочный продукт. Реалистично
определяйте его стоимость!
• Оборудование для уменьшения экспорта пара усложняет и
удорожает установку
• Рассмотрите использование пара для производства
электроэнергии или на турбинах компрессоров, если излишки
пара не находят применения в балансе НПЗ
• Современные УПВ используются для снабжения водородом
критически важных установок НПЗ (ГК, ГО), и требуемая
надежность делает УПВ также и надежным поставщиком пара
• Как можно более точно определяйте стоимость пара для НПЗ, т.к.
это в значительной степени влияет на технологическую схему и
эффективность проектируемой УПВ
Варианты технологической схемы УПВ
•
Когда определены возможные лицензиары УПВ, стоит прислушаться к
предлагаемым ими технологиям и схемам установки
• Многие лицензиары имеют огромный построенных УПВ в прошлом
• Джонсон Матти работает с большинством лицензиаров
Пример 3 – НПЗ запрашивает УПВ с предреформингом, т.к. считает
предреформинг предпочтительной технологией для обеспечения гибкости по
сырью
• Большая часть лицензиаров предлагает предреформинг как
единственную опцию для выполнения данного требования. Однако,
один из лицензиаров смог предложить в качестве альтернативы УПВ с
прямым паровым реформингом, что оказалось более экономически
эффективным решением, которое в итоге и было выбрано заказчиком!
Лицензиары УПВ
• Правильный выбор лицензиара имеет решающее значение
• Сравнивая предложения, убедитесь, что интерпретация
исходных данных была одинаковой
Пример 4 (Новая УПВ в ЮВА, сырье – природный газ)
• Лицензиар 1
• Среднее содержание общей серы 22.4 ppmv, пиковое содержание
органической серы 2.1 ppmv
• Лицензиар 2
• Среднее содержание общей серы 14 ppmv, пиковое содержание
органической серы 22.4 ppmv
• Объем ГО x 2.1, ZnO x 0.7 по сравнению с лицензиаром 1
Лицензиары УПВ - варианты
• Упрощенная технологическая схема
Process
Steam
Recycle H2
Compr /
Pumping
HC Feedstock /
ROG
Feed
pre-treat
Make-up fuel
Pre-reformer
(Optional)
Combustion Air
Steam
System
Fuel system
Export
steam
Steam
Steam Reformer
PG Boiler
Flue gas
Stack
Steam
Coils
APH
(Opt.)
BFW
Shift
Converter
Proc.
Coils
Air
Steam
BFW Prep
System
Dosing
Process
Condensate
To Steam
system
Cooling
Train
DMW
Purge gas to
Fuel System
PSA
Recycle H2
BFW to
Steam system
Hydrogen
product
Технологии парового реформинга
• Печи с верхним обогревом
• KT SpA; Linde AG; CB&I; ThyssenKrupp Uhde
• Несколько рядов труб
TUBE
Технологии парового реформинга
• Печи с боковым обогревом
• Haldor Topsoe
• Один длинный ряд труб
Технологии парового реформинга
• Террасные печи
• Foster Wheeler
• Две камеры, в каждой один длинный ряд труб
Террасная печь
Технологии парового реформинга
• Верхний или боковой обогрев?
• Для больших установок чаще предпочтительней верхний
• Печи с верхним обогревом более компактны
• Длинный ряд труб печи с боковым обогревом ведет к
необходимости использования нескольких камер, что
удорожает печь и усложняет эксплуатацию
• Технологическому персоналу сложнее добиться равномерной
температуры нагрева, что может привести к сокращению срока
службы труб.
Технологии парового реформинга
• Верхний или боковой обогрев?
• Печи с верхним обогревом имеют меньшее число
горелок
• А также более дешевую систему рекуперации тепла
дымовых газов, в случае ее наличия
• Часто печи с террасным обогревом поставляются
в модульной конструкции, что облегчает и
ускоряет строительство
• Для печей с верхним обогревом существует
возможность предварительной сборки рядов труб
• Печи с верхним обогревом, как правило,
позволяют легче регулировать тепловую нагрузку
при смене сырья/загрузки установки
• Хотя для террасных печей часто заявляется тоже
самое
Террассная
печь
Технологии парового реформинга
• Печь с верхним обогревом
Предреформер
• Предреформер позволяет достичь следующих преимуществ
• Пониженное соотношение пар:углерод
• Больший запас по образованию отложений углерода ввиду
отсутствия углеводородов выше метана
• Печь реформинга меньших размеров с более высоким
тепловым потоком
• Однако повышенный тепловой поток снижает запас по
образованию отложений углерода
• Гибкость по сырью
• Если есть преимущества по сравнению с прямым реформингом
• Широкий диапазон используемых видов сырья и его частая смена
могут потребовать большой объем катализатора предреформинга
• Большая эффективность процесса
• Обычно в случае легкого сырья, в случае схемы с
дополнительным подогревом после предреформинга
• Сокращает экспорт пара
Предреформинг
• Предреформинг с последующим подогревом и без
Предреформер
Топливо
Сырье
Парогенератор
и перегреватель
Пар
Г/О
Конвертированный
газ
Предреформер
Топливо
Сырье
ZnO
Парогенератор
и перегреватель
Г/ОS ZnO
Пар
Конвертированный
газ
Предреформер
• Схемы с предреформингом не всегда одинаковы
• Схемы с двумя аппаратами встречаются все более редко
• Относительно дороги, хотя используются меньшие объемы
катализатора
• Промышленным стандартом становятся одноаппаратные
схемы
• Рекомендуется устанавливать байпас
• Значительно ускоряет пуск!
• Позволяет производить замене катализатора «на ходу» e
• В случае использования легкого сырья. Но также возможно в
временно увеличивать соотношение пар:углерод, и/или снижать
загрузку установки
• Катализаторы предреформинга являются наиболее уязвимыми к
отравлению/деактивации
Паровой реформинг
• От современных УПВ часто требуется работа на пониженном
соотношении S:C
• Точное моделирование процесса реформинга необходимо,
чтобы оценить вероятность закоксовывания катализатора
• Лицензиары УПВ имеют хорошие возможности по моделированию
радиантной зоны печи, но имеют ограниченные возможности в
области кинетики процесса парового реформинга и образования
углерода
• В этом они полагаются на Джонсон Матти, компанию, которая
занималась этим с 1960-х годов!
• Джонсон Матти является ведущим поставщиком катализаторов
парового реформинга, в том числе для высоконагруженных
печей (тепловой поток >80 kW/m2) [доля рынка 59%] и парового
реформинга тяжелого / смешанного сырья [доля рынка 73%]
• Джонсон Матти предлагает широкий диапазон катализаторов
различных типоразмеров, оптимизированных под лицензионные
процессы различных поставщиков технологий УПВ.
Паровой реформинг
• Варианты оптимизации (легкое сырье)
Типичная загрузка
катализаторов
KATALCO 25-4Q
17мм x 13 мм
35%
KATALCO 57-4Q
17мм x 13 мм
65%
Реформинг в
жестких условиях
KATALCO 25-4MQ
13 мм x 10.5 мм
40%
KATALCO 57-4Q
60%
17 мм x 13 мм
Низкий перепад
давления
KATALCO 25-4Q
17 мм x 13 мм
35%
KATALCO 57-4GQ
20 мм x 16 мм
55%
KATALCO 57-4MQ
13 мм x 10.5 мм
10%
Паровой реформинг
• Варианты оптимизации (тяжелое либо переменное сырье)
Типичная загрузка
катализатора для нафты
KATALCO 46-3Q
15 мм x 16.5 мм
40%
KATALCO 46-6Q
17 мм x 13 мм
60%
Легкая нафта или
СУГ
Переменное сырье
(легкая нафта / прир. газ)
KATALCO 46-3Q
15 мм x 16.5 мм
20%
KATALCO 46-3Q
15 мм x 16.5 мм
20%
KATALCO 46-5Q
17 мм x 13 мм
30%
KATALCO 25-4Q
17 мм x 13 мм
30%
KATALCO 46-6Q
17 мм x 13 мм
60%
KATALCO 57-4Q
17 мм x 13 мм
60%
Проскок CO % (сух. газ)
Среднетемпературная конверсия
4
ВТК
Точка росы
170ºC
СТК
3
3.0% CO
Приближение к
равновесию
2
1
1.1% CO
Термодинамическое
равновесие
0
200
300
400
Tемпература °C
500
Среднетемпературная конверсия
• Преимущества СТК
• Более низкий проскок СО
• Увеличенная производительность по водороду при меньших
размерах КЦА
• Увеличенное производство пара
• Позволяет работать при низком соотношении S:C (<2.7)
• ВТК при пониженном S:C может перевосстанавливаться
• В случае установки предреформера S:C может быть пониженно
вплоть до 2.0
Среднетемпературная конверсия
• Недостатки СТК
• Необходимость восстановления (CuO
Cu)
• Требуется контур восстановления с источником водорода
• Более длительный пуск
• Большая уязвимость к отравлению серой и хлором
• Следует рассмотреть применение слоя ультра-очистки и
разработку процедур тщательного контроля примесей в
технологическом паре
• Меньшая устойчивость к увлажнению
• Например, при пуске или в случае протечки
котла-утилизатоpа
• Образование побочного метанола
• 1000-2000 ppmw при равновесии
Изотермическая конверсия
• Джонсон Матти обладает лицензией на процесс ИТК
• Охлаждение слоя катализатора снижает экзотерму и
температуру на выходе из реактора
• Более низкий проскок СО
• Не полностью «изотермический»
Точка росы
процесс
170ºC
Проскок CO % (сух. газ)
4
3
СТК
ИТК
2
1.1% CO
0.8% CO
1
Термодинамическое
равновесие
0
200
300
400
Температура, °C
500
Изотермическая конверсия
• Современные УПВ работают при низких соотношениях
пар:углерод и высокой температуре на выходе из труб
реформинга. Это увеличивает проскок СО и, соответственно,
экзотерму по ректору конверсии
• ИТК позволяет компенсировать данный эффект
• ИТК также используется на установках производства сингаза
путем парциального окисления или газификации
• Очень высокое содержание СО
• Трубный пучок реактора ИТК увеличивает стоимость аппарата
конверсии
• Повышение экспорта пара и сокращение размеров блока КЦА,
либо увеличение степени извлечения водорода
• Сниженные объемы катализатора
• Требуется контур восстановления и наличие водорода
Теплообменный реформинг (Пост-реформинг)
• Может быть использован как вариант модернизации
для увеличения производительности УПВ, либо для
новых установок, если требуется нулевой экспорт пара
Сырье
Г/О
Дополнительный поток
парогазовой смеси
Котел-утилизатор
Топливоl
Пар
Теплообменный
реформер
Воздухо- ПодогревПодогрев Парогенератор и
ПГС перегреватель
подогреватель Г/О
-
Конвертированный газ
• Джонсон Матти обладает собственной
запатентованной технологией постреформинга
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• Современные технологии и катализаторы позволяют выбрать и
построить УПВ, максимально отвечающую требованиям НПЗ.
• Важно на начальной стадии проекта объективно определить
реальные параметры работы будущей УПВ – варианты сырья,
экспорт пара, сроки межремонтного пробега, диапазон
производительности установки
• Лицензиары не всегда информируют заказчика о возможных
вариантах конфигурации УПВ стараясь максимально снизить
стоимость установки
• Тесное сотрудничество между заказчиком, лицензиаром и
поставщиком катализаторной системы является залогом выбора
УПВ сбалансированной по капзатратам и операционным расходам
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ