S Zorb裝置用能分析與優(yōu)化

薛 超，馮 霄，王彧斐

(中國(guó)石油大學(xué)(北京)，北京 102249)

S Zorb裝置用能分析與優(yōu)化

薛 超，馮 霄，王彧斐

(中國(guó)石油大學(xué)(北京)，北京 102249)

S Zorb脫硫工藝為一項(xiàng)清潔燃料生產(chǎn)技術(shù)，但整個(gè)裝置的用能還有改進(jìn)的潛力。對(duì)某煉油廠S Zorb裝置采用夾點(diǎn)技術(shù)，以總復(fù)合曲線為工具進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)其裝置用能既在數(shù)量上多消耗了公用工程，節(jié)能潛力為24%左右，同時(shí)，在總復(fù)合曲線上的“口袋”內(nèi)還存在高能低用的問(wèn)題。提出了兩個(gè)優(yōu)化方案：一個(gè)方案保留加熱爐，副產(chǎn)中壓蒸汽，實(shí)現(xiàn)了能量的梯級(jí)回收利用，其年凈效益約1 044.2萬(wàn)元；另一個(gè)方案取消加熱爐，節(jié)省燃料氣，其年凈效益約1 066.2萬(wàn)元。兩個(gè)方案改造費(fèi)用均較低，回收期短，可獲得明顯的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益。

S Zorb裝置 夾點(diǎn)技術(shù) 用能分析 總復(fù)合曲線

隨著世界各國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)要求的不斷提高，國(guó)內(nèi)外對(duì)汽油硫含量的要求日漸嚴(yán)格，采用有效的技術(shù)手段降低硫含量是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。在諸多的脫硫技術(shù)中，Conoco Phillips公司研發(fā)的S Zorb工藝具有脫硫效率高、辛烷值損失小、氫耗低及能耗低等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。中國(guó)石油化工股份有限公司已買斷了S Zorb技術(shù)，將該技術(shù)作為應(yīng)對(duì)汽油質(zhì)量升級(jí)的首要手段，在系統(tǒng)內(nèi)部推廣應(yīng)用，并進(jìn)行了諸多改進(jìn)，提高了裝置的可靠性，使S Zorb裝置的設(shè)計(jì)運(yùn)行周期可以達(dá)到3～4年。

目前對(duì)S Zorb技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化改進(jìn)主要集中在工藝設(shè)備方面，改造包括反應(yīng)器降塵器、再生系統(tǒng)、原料過(guò)濾器、閉鎖漏斗等[3]，以保障裝置運(yùn)行的可靠性，而對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)用能優(yōu)化的考慮并不多，因此在這方面還有改進(jìn)的潛力。

以熱力學(xué)分析為基礎(chǔ)的夾點(diǎn)技術(shù)[4]借助分析熱量沿溫度分布的圖示法，是系統(tǒng)用能分析和優(yōu)化的工具。根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，能量不僅存在量的區(qū)別，還存在質(zhì)的差異。熱能質(zhì)的差異可以用其溫度的差異來(lái)衡量。因此，如何避免高能低用是節(jié)能的一個(gè)重要內(nèi)容。在實(shí)際生產(chǎn)中，夾點(diǎn)技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于常減壓蒸餾裝置、異構(gòu)化裝置、加氫裂化裝置、蠟油加氫裝置、乙烯裝置等，并取得了良好的效果。

一些裝置換熱網(wǎng)絡(luò)的總復(fù)合曲線有時(shí)會(huì)形成“口袋”[4-5]，即存在位于夾點(diǎn)之上的局部熱源或者夾點(diǎn)之下的局部熱阱，此時(shí)口袋中的物流可以相互換熱，不需要提供外部公用工程。當(dāng)口袋內(nèi)溫差較大時(shí)，可以考慮口袋中的熱量多次梯級(jí)回收利用，以提高過(guò)程能量利用效率。

本研究對(duì)某煉化企業(yè)S Zorb裝置應(yīng)用夾點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行用能分析與優(yōu)化，以提高該裝置的用能效率。

1 S Zorb工藝簡(jiǎn)介

S Zorb裝置主要分為三大部分：①反應(yīng)部分；②吸附劑輸送及再生系統(tǒng)；③產(chǎn)品穩(wěn)定系統(tǒng)。其工藝流程如圖1所示。

2 裝置用能分析

經(jīng)過(guò)對(duì)S Zorb裝置工藝流程進(jìn)行分析，提取熱工藝物流5股，冷工藝物流7股，其進(jìn)出口溫度及熱負(fù)荷等具體數(shù)據(jù)見表1。

對(duì)以上物流數(shù)據(jù)使用Aspen energy analyzer分析可以得到，系統(tǒng)最小換熱溫差約為18 ℃，出現(xiàn)在吸附反應(yīng)產(chǎn)物冷卻器處。綜合考慮熱回收能量、換熱面積、換熱網(wǎng)絡(luò)改造費(fèi)用和工況穩(wěn)定操作等因素[4]，本研究的分析和優(yōu)化中取最小傳熱溫差為15 ℃。

對(duì)以上物流數(shù)據(jù)使用Aspen energy analyzer 分析，所得到的總復(fù)合曲線如圖2所示。由圖2可見，現(xiàn)行換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)平均溫度為79.4 ℃，即熱流在86.9 ℃，冷流71.9 ℃；最小加熱公用工程為25 350.0 kW(A點(diǎn)熱負(fù)荷)，最小冷卻公用工程為5 434.0 kW(H點(diǎn)熱負(fù)荷)。實(shí)際使用加熱公用工程33 422.2 kW，節(jié)能潛力為8 072.2 kW，從所用公用工程的數(shù)量上看，節(jié)能潛力為24%左右。此外，由于在該總復(fù)合曲線上存在口袋，采用飽和低壓蒸汽(1.0 MPa，平均溫度為172.4 ℃)就可滿足該裝置對(duì)公用工程品質(zhì)的要求，見圖2中位于172.4 ℃的水平線高于口袋外的總復(fù)合曲線。而該裝置的加熱公用工程，采用的是加熱爐中的燃料，因此，還存在高能低用的問(wèn)題。

圖1 S Zorb工藝流程示意

項(xiàng) 目物流名稱流經(jīng)換熱器進(jìn)口溫度∕℃出口溫度∕℃熱負(fù)荷∕kW熱物流 H1反應(yīng)產(chǎn)物E1493.3146.051132.5 H2反應(yīng)產(chǎn)物E2439.3187.358.1 H3產(chǎn)品E3147.990.07350.0 H3產(chǎn)品A290.055.03569.0 H3產(chǎn)品E1055.040.01551.0 H4穩(wěn)定塔塔頂氣A171.455.0443.6 H4穩(wěn)定塔塔頂氣E955.040.0236.1 H5吸附反應(yīng)產(chǎn)物E854.943.0358.6冷物流 C1進(jìn)料F171.9372.551132.5 C1進(jìn)料E1372.5421.37512.2 C2反吹氮E4154.5398.9155.8 C3循環(huán)氫F1'83.6343.3405.8 C4反吹氫E2131.7260.058.1 C5穩(wěn)定塔塔釜液E5147.9159.624943.9 C6穩(wěn)定塔進(jìn)料E643.765.3307.2 C7再生空氣E752.557.6101.4

圖2 過(guò)程總復(fù)合曲線(GCC)

圖3為現(xiàn)行換熱網(wǎng)絡(luò)，該圖具體反映了現(xiàn)行換熱網(wǎng)絡(luò)中各換熱器的分布。

根據(jù)前面的分析，現(xiàn)行換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)平均溫度為79.4 ℃，即熱流為86.9 ℃，冷流為71.9 ℃。首先，根據(jù)夾點(diǎn)分析三原則[4](夾點(diǎn)之上不應(yīng)有公用工程冷卻器；夾點(diǎn)之下不應(yīng)有公用工程加熱器；不應(yīng)有跨越夾點(diǎn)的換熱)，分析現(xiàn)行的換熱網(wǎng)絡(luò)在數(shù)量上的不合理用能，可以計(jì)算出現(xiàn)行換熱網(wǎng)絡(luò)存在不合理?yè)Q熱，如表2所示。

圖3 S Zorb裝置現(xiàn)行換熱網(wǎng)絡(luò)圖中數(shù)據(jù)為溫度， ℃

換熱器名稱冷∕熱物流總熱負(fù)荷∕kW不合理熱負(fù)荷∕kW公用工程類型不合理類型A2空氣∕H33690.0316.1空氣夾點(diǎn)上冷卻E3冷卻水∕H37350.07350.0水夾點(diǎn)上冷卻E6低壓蒸汽∕C6307.2307.2低壓蒸汽夾點(diǎn)下加熱E7低壓蒸汽∕C7101.4101.4低壓蒸汽夾點(diǎn)下加熱

通過(guò)對(duì)表2列舉的不合理?yè)Q熱量進(jìn)行簡(jiǎn)單相加計(jì)算，得到不合理用能總量為8 074.7 kW，該值與本裝置通過(guò)總復(fù)合曲線所得節(jié)能潛力值8 072.2 kW基本一致。

從圖2可以看出，該裝置的高能低用主要發(fā)生在夾點(diǎn)位置以上存在的熱口袋中。在口袋中局部熱源的溫位較高，達(dá)到400 ℃以上，口袋底部溫度較低，約為160 ℃?？诖鼉?nèi)的熱物流有H1、H2兩股，其中H2熱負(fù)荷較小，H1熱負(fù)荷較大且溫度較高，故口袋中的高溫部分主要由H1提供。冷物流有C1，C2，C3，C4四股。其中C1與H1換熱，且仍采用了加熱爐加熱；C2、C3全部由加熱爐加熱；C4與H2換熱。整個(gè)口袋的熱負(fù)荷為8 394 kW(A、G兩點(diǎn)焓差)?？芍苯佑玫蛪赫羝訜岬钠骄鶞囟葹?72.4 ℃，根據(jù)總復(fù)合曲線可得出其熱負(fù)荷約為2 888 kW(A、D兩點(diǎn)焓差)?？捎糜诋a(chǎn)較高溫位如中壓蒸汽(平均溫度為235.1 ℃)的熱物流，根據(jù)總復(fù)合曲線可得出其熱負(fù)荷約為4 520 kW(A、F兩點(diǎn)焓差)。原換熱網(wǎng)絡(luò)不夠合理，有部分口袋內(nèi)的熱量用來(lái)加熱了口袋外的冷物流，如C1的溫度跨度為146.0～421.3 ℃，但只有164.9 ℃以上的部分位于口袋內(nèi)，口袋以外的部分可以用其它熱物流或者低壓蒸汽加熱，口袋內(nèi)的部分應(yīng)該由H1加熱。C2的溫度跨度為154.5～398.9 ℃，全部由加熱爐加熱；C3的溫度跨度為83.6～343.3 ℃，也全部由加熱爐加熱，這兩股冷物流均有部分熱量在口袋外，可以由口袋外的低溫?zé)嵛锪鬟M(jìn)行加熱，口袋內(nèi)的部分亦應(yīng)該由H1加熱。

3 裝置用能優(yōu)化

從用能的角度考慮，該裝置在正常運(yùn)行時(shí)，不應(yīng)設(shè)置加熱爐。但由于該裝置已經(jīng)設(shè)置了加熱爐，因此，在考慮用能優(yōu)化時(shí)，有兩種不同的改造方案：方案一仍保留加熱爐，用口袋內(nèi)的熱物流副產(chǎn)中壓蒸汽，不足的熱需求由低壓蒸汽提供；方案二去掉加熱爐，口袋內(nèi)冷熱物流之間進(jìn)行換熱，口袋外僅采用低壓蒸汽作為裝置的熱源。

對(duì)現(xiàn)有換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化改造應(yīng)充分考慮現(xiàn)行網(wǎng)絡(luò)已有的結(jié)構(gòu)，盡可能少變動(dòng)，充分考慮利用現(xiàn)有換熱器，減少改造投資費(fèi)用。在現(xiàn)行換熱網(wǎng)絡(luò)的改造中，一些換熱量較小的換熱器不具備優(yōu)化價(jià)值，故被忽略，主要考慮消除表2中所列舉的4個(gè)不合理?yè)Q熱量較大的換熱設(shè)備。

3.1 副產(chǎn)中壓蒸汽優(yōu)化方案

根據(jù)換熱網(wǎng)絡(luò)的總復(fù)合曲線分析，口袋的最大熱負(fù)荷為8 393 kW，即最大可產(chǎn)生8 393 kW中壓蒸汽?？诖袦夭钶^大，根據(jù)工業(yè)中常用的飽和蒸汽等級(jí)，飽和低壓蒸汽(1.0 MPa)的溫度為179.9 ℃，飽和中壓蒸汽(3.5 MPa)的溫度為242.6 ℃，故在口袋中存在至少兩級(jí)公用工程級(jí)別，因此本案例滿足口袋熱優(yōu)化的使用條件[6]。采用Aspen energy analyzer計(jì)算，具體優(yōu)化方案如下：熱物流H1上增加一換熱器EA1，用來(lái)增產(chǎn)中壓蒸汽，根據(jù)前面的分析，可增產(chǎn)中壓蒸汽的量為8 393.0 kW，其對(duì)應(yīng)熱物流H1中溫位為493.3～436.3 ℃的熱量；H1用來(lái)加熱冷物流C1的溫度變成436.3～146.0 ℃，熱負(fù)荷為42 739.5 kW；H3夾點(diǎn)以上的熱負(fù)荷為7 666.1 kW，原本由冷卻公用工程直接冷卻，現(xiàn)用來(lái)加熱C1的低溫部分；對(duì)于C1不足的熱量，增加一個(gè)換熱器EA2，用低壓蒸汽來(lái)提供，負(fù)荷為726.9 kW；C6、C7原本由加熱公用工程加熱，現(xiàn)用H3夾點(diǎn)下的熱量來(lái)加熱，所需熱量分別為307.2 kW和101.4 kW，均可達(dá)到工藝要求的溫度，因此H3空冷器的負(fù)荷由3 569.0 kW降為2 844.3 kW。

優(yōu)化后的換熱網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

根據(jù)優(yōu)化方案可以看出，若將口袋內(nèi)的高溫?zé)嵬耆糜诋a(chǎn)生中壓蒸汽，則需要額外多消耗部分低壓蒸汽，雖然會(huì)增加部分投資，但從收益的角度看仍是合理的，這也符合提高能量利用效率的要求。經(jīng)過(guò)此方案的優(yōu)化后，系統(tǒng)可產(chǎn)生8 393.0 kW中壓蒸汽，比初始網(wǎng)絡(luò)增耗726.9 kW低壓蒸汽。

圖4 方案一優(yōu)化后的換熱網(wǎng)絡(luò)圖中數(shù)據(jù)為溫度， ℃

3.2 去掉加熱爐優(yōu)化方案

原換熱網(wǎng)絡(luò)中含有一個(gè)加熱爐，采用燃料氣進(jìn)行加熱。從換熱網(wǎng)絡(luò)可以看出，冷物流C1，C2，C3由加熱爐提供熱量，而這3股物流所需的溫度和熱負(fù)荷都可以由熱工藝物流或低壓蒸汽提供，因此可以考慮去掉加熱爐。具體優(yōu)化方案如下：C2、C3均由H1加熱，使其溫度達(dá)到工藝要求，H1溫度降為489.5 ℃；H1剩余熱量用來(lái)加熱C1，換熱量為50 570.9 kW，C1仍需407.7 kW熱量，這部分熱量由低壓蒸汽提供，增加一個(gè)換熱器EA2；C6、C7原本由加熱公用工程加熱，現(xiàn)用H3夾點(diǎn)下的熱量來(lái)加熱，所需熱量分別為307.2 kW和101.4 kW，因此H3空冷器的負(fù)荷由3 569.0 kW降為2 844.3 kW。這樣優(yōu)化后所有物流溫度均達(dá)到工藝要求。

優(yōu)化后的換熱網(wǎng)絡(luò)如圖5所示。

圖5 方案二優(yōu)化后的換熱網(wǎng)絡(luò)圖中數(shù)據(jù)為溫度， ℃

4 經(jīng)濟(jì)性分析

中、低壓蒸汽價(jià)格分別為170元/t、120元/t，燃料氣價(jià)格為2 000元/t，年裝置運(yùn)行時(shí)間按8 000 h計(jì)。換熱器的投資費(fèi)用與面積成指數(shù)關(guān)系，一般可表示為C=a+bAc[7](式中a，b，c為價(jià)格系數(shù)，安裝費(fèi)用a取20 000元，每平方米換熱面積b取400元，c取1)。

方案一優(yōu)化后增產(chǎn)中壓蒸汽8 393 kW，約合8.2 t/h，節(jié)省費(fèi)用1 115萬(wàn)元/a；增耗低壓蒸汽318.3 kW，約合0.36 t/h，增加費(fèi)用34.5 萬(wàn)元/a。因此，總的節(jié)能效益為1 080.5萬(wàn)元/a。新增兩臺(tái)換熱器EA1、EA2，面積分別為248.3 m2、67.24 m2；更換3臺(tái)換熱器，面積為26.07，76.49，3 876 m2，需投資181.7萬(wàn)元。因此，簡(jiǎn)單投資回收期約為2個(gè)月，年凈效益1 044.2萬(wàn)元。

方案二優(yōu)化后節(jié)省加熱爐燃料7 918 kW，約合0.72 t/h，節(jié)省燃料氣費(fèi)用1 146萬(wàn)元/a；增耗低壓蒸汽407.7 kW，約合0.46 t/h，增加費(fèi)用44.2萬(wàn)元/a。因此，總的節(jié)能效益為1 101.8萬(wàn)元/a。新增兩臺(tái)換熱器EA1、EA2，面積分別為207.3 m2、15.79 m2；更換3臺(tái)換熱器，面積分別為26.07 m2，76.49、3 876 m2，需投資178萬(wàn)元。簡(jiǎn)單投資回收期約為2個(gè)月，年凈效益1 066.2萬(wàn)元。

5 結(jié) 論

采用夾點(diǎn)技術(shù)對(duì)S Zorb裝置的用能狀況進(jìn)行了分析與優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)S Zorb裝置不僅在數(shù)量上存在跨越夾點(diǎn)的不合理用能，節(jié)能潛力為24%，且在夾點(diǎn)以上的熱口袋內(nèi)存在高能低用的問(wèn)題。對(duì)該裝置用能提出了兩個(gè)優(yōu)化方案：方案一保留裝置中的加熱爐，副產(chǎn)中壓蒸汽，對(duì)原換熱網(wǎng)絡(luò)改動(dòng)相對(duì)較小，年凈效益約1 044.2萬(wàn)元；方案二取消加熱爐，可節(jié)省燃料氣，對(duì)原換熱網(wǎng)絡(luò)改動(dòng)相對(duì)較大， 年凈效益約1 066.2萬(wàn)元。兩個(gè)方案的改造費(fèi)用均較低，回收期均只有約兩個(gè)月，可獲得明顯的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 劉進(jìn)平，白永濤，宋紅燕.S Zorb汽油精制裝置操作優(yōu)化[J].石油煉制與化工，2014，45(12)：50-53

[2] Xu Li.Influence of carbon content on S Zorb sorbent activity[J].China Petroleum Processing and Petrochemical Technology，2013，15(2)：6-10

[3] 吳德飛，莊劍，袁忠勛，等.S Zorb技術(shù)國(guó)產(chǎn)化改進(jìn)與應(yīng)用[J].石油煉制與化工，2012，43(7)：76-79

[4] 馮霄.化工節(jié)能原理與技術(shù)[M].3版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：159-160

[5] 肯普.能量的有效利用，夾點(diǎn)分析與過(guò)程集成[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010：50-51

[6] Wang Yufei，F(xiàn)eng Xiao，Cai Yan，et al.Improving a process’s efficiency by exploiting heat pockets in its heat exchange network[J].Energy，2009，34(11)：1925-1932

[7] 王雷，蔣寧.基于MATLAB的管殼式換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].輕工機(jī)械，2012，30(2)：9-12

ENERGY UTILIZATION ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF S Zorb PROCESS

Xue Chao， Feng Xiao， Wang Yufei

(ChinaUniversityofPetroleum，Beijing102249)

S Zorb process is a desulphurization technology for clean fuel production， the energy utilization of the whole device can yet be further improved. In this paper， pinch technology was used to analyze the S Zorb process in a refinery with the help of the grand composite curve. The results indicate that the device consumes overmuch utility， energy saving potential can be about 24%， and meanwhile， the problem of high energy for low energy situation exists in the pockets of the grand composite curve. Two optimization schemes are proposed. In the first scheme， furnace is retained and medium pressure steam is generated as a byproduct， which realizes the cascade utilization of energy， resulting in a benefit of 10.442 million RMB per year. The other scheme is to remove the furnace which leads to the less consumption of fuel gas with a benefit of 10.662 million RMB per year. Both the schemes have low retrofitting costs and short payback periods. A large amount of energy can be saved which contributes to considerable economic benefits.

S Zorb process； pinch technology； energy utilization analysis； grand composite curve

2014-12-18； 修改稿收到日期： 2015-02-06。

薛超，碩士，從事過(guò)程系統(tǒng)工程研究工作。

馮霄，E-mail：xfeng@cup.edu.cn。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21306228)。