加氫裂化裝置能耗優(yōu)化方案的分析

(四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，四川成都，610065)

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，能源的供求矛盾日益加劇。同時(shí)，原油供應(yīng)的短期、原油品質(zhì)的惡化、化工耗能的增加、環(huán)境污染等問題也日益嚴(yán)重，并成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸[1]。作為耗能大戶的煉油企業(yè)，一定要高度重視煉油生產(chǎn)中的節(jié)能降耗工作[2]。

為提高蠟油加氫裂化裝置能源利用率，全面降低能耗，某石化廠針對(duì)自身情況，對(duì)蠟油加氫裂化裝置做了關(guān)于降低能耗的技術(shù)改造，并在實(shí)際生產(chǎn)中取得了很好的效果，在全廠增產(chǎn)增效、節(jié)能減排中發(fā)揮了積極的作用。

1 蠟油加氫裂化裝置概況

某石化蠟油加氫裂化裝置設(shè)計(jì)年處理量270萬t/a，采用UOP工藝技術(shù)，由反應(yīng)、分餾和脫硫三部分組成，采用雙劑串聯(lián)一次通過加氫裂化工藝[3]。裝置主要以減壓蠟油為原料，生產(chǎn)液化氣、石腦油、航煤、柴油，尾油等產(chǎn)品。

簡單工藝為：原料升壓、升溫后與加熱爐出來的高溫氫氣混合，進(jìn)入加氫精制、加氫裂化反應(yīng)器進(jìn)行脫金屬、加氫脫硫、加氫脫氮、加氫脫氧、烯烴飽和、芳烴加氫飽和等精制反應(yīng)和加氫裂化反應(yīng)。反應(yīng)產(chǎn)物降溫、分離后得到主要產(chǎn)品液化氣、輕石腦油、重石腦油、航空煤油、柴油及尾油[4]。

2 節(jié)能降耗舉措

裝置的節(jié)能降耗可以減少消耗，增加經(jīng)濟(jì)效益。節(jié)能降耗的工作主要采取以下兩個(gè)方面的措施。

2.1 技術(shù)改造優(yōu)化

通過技術(shù)改造優(yōu)化，淘汰掉落后設(shè)備，更新工藝技術(shù)，采用新的高效設(shè)備[5]。

2.2 調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

對(duì)于能耗高而利潤低的產(chǎn)品生產(chǎn)方案，可以少生產(chǎn)或不生產(chǎn)，例如多產(chǎn)柴油方案；對(duì)于經(jīng)濟(jì)利益高的航煤生產(chǎn)方案，可以多生產(chǎn)。

3 技術(shù)改造優(yōu)化的實(shí)施

在2015年初，某石化公司加氫裂化裝置集中進(jìn)行了技術(shù)改造優(yōu)化。此次優(yōu)化以本裝置內(nèi)部能量優(yōu)化為主，包括優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)流程、優(yōu)化新氫壓縮機(jī)無級(jí)變速系統(tǒng)、投用熱高分底液力透平等[6]。

3.1 能量轉(zhuǎn)換、傳輸環(huán)節(jié)技術(shù)改造優(yōu)化

3.1.1 新氫壓縮機(jī)增加無級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)

因?yàn)榉磻?yīng)系統(tǒng)氫氣耗量經(jīng)常變化，且長期處于低負(fù)荷工況運(yùn)行，一臺(tái)壓縮機(jī)提供的氫氣量不足，兩臺(tái)壓縮機(jī)提供的氫氣量又太大，于是長期使用具有三返一功能的K2002C運(yùn)行，再加一臺(tái)A機(jī)或者B機(jī)搭配運(yùn)行。如此一來，在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)K2002C基本接近全量返回，即使是在高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，全部氫耗也只有9萬Nm3/h，即C機(jī)有接近27%的氫氣量在返回。

新氫壓縮機(jī)K2002A/B/C型號(hào)為3HHE-VL-3三級(jí)往復(fù)式壓縮機(jī)，軸功率4365 kW，入口流量52000 Nm3/h，共有三臺(tái)。驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)運(yùn)行的原動(dòng)機(jī)為沈鼓集團(tuán)生產(chǎn)的型號(hào)TAW5100-20/325OW電機(jī)，功率5100 kW。

新氫壓縮機(jī)沒有賀爾碧格系統(tǒng)，無法實(shí)現(xiàn)無級(jí)量調(diào)節(jié)，在裝置氫耗發(fā)生變化時(shí)，往往造成新氫壓縮機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行，而實(shí)際效率卻只有50%或60%，大大浪費(fèi)了電功。

2015年2月開始改造投用賀爾碧格無級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，且分別對(duì)K2002A和K2002B都增設(shè)了無級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以降低新氫壓縮機(jī)的能耗。

表1 賀爾碧格投用前后K2002C各參數(shù)對(duì)比

根據(jù)電功率的計(jì)算公式，在75%負(fù)荷運(yùn)行工況下，節(jié)約電功率=1.732×10×(270-204)×0.89=1143 kW，運(yùn)行時(shí)間按8400小時(shí)計(jì)算，電價(jià)按0.61元計(jì)算，則每年僅電費(fèi)就可節(jié)約585萬元左右[7]。

3.1.2 空冷器、鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)增設(shè)變頻電機(jī)

(1)因?yàn)榭绽淦饔泻芏鄾]有百葉窗，也沒有安裝變頻電機(jī)，在對(duì)工藝介質(zhì)進(jìn)行溫度調(diào)整時(shí)只能人工啟停電機(jī)，這樣就會(huì)存在停一臺(tái)空冷介質(zhì)溫度過高，啟一臺(tái)空冷介質(zhì)溫度過低。于是在此次節(jié)能改造中對(duì)空冷增設(shè)了變頻電機(jī)。根據(jù)表2的相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)過計(jì)算，40臺(tái)變頻空冷每小時(shí)節(jié)省355kW·h，每年按8400小時(shí)計(jì)算，變頻空冷可節(jié)省180萬元左右。

(2)鼓風(fēng)機(jī)K801、K802型號(hào)G4-73-1550D，軸功率110kW。驅(qū)動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)的原動(dòng)機(jī)為型號(hào)YBPT315L-6的主電機(jī)，功率132 kW。

引風(fēng)機(jī)K803型號(hào)Y4-73-1850D，軸功率138kW。驅(qū)動(dòng)引風(fēng)機(jī)的電機(jī)型號(hào)YB355L1-6，功率220kW。經(jīng)過測(cè)算，變頻鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)每小時(shí)節(jié)約用電87kW·h，每年按8400小時(shí)計(jì)算，電價(jià)按0.61元計(jì)算，每年節(jié)省電費(fèi)44萬元左右。

表2 空冷電機(jī)相關(guān)參數(shù)表

3.2 能量回收環(huán)節(jié)技術(shù)改造優(yōu)化

在此次節(jié)能改造項(xiàng)目中，加氫裂化裝置增設(shè)了熱高分底部液力透平，充分回收熱高分液的能量來驅(qū)動(dòng)反應(yīng)進(jìn)料泵。

加氫裂化裝置熱高分壓力13.151MPa，溫度276℃，底部液體流量160m3/h。此次設(shè)置TLKS0500液力透平后，熱高分液經(jīng)液力透平傳輸能量后，熱高分液壓力降低到2.596MPa，溫度基本保持不變，熱高分液密度約0.8t/m3，液力透平效率按90%計(jì)算，則液力透平每小時(shí)可回收能量160×(13.151-2.596)×1817.7×0.8×0.9/367=2210kW·h。全年按8400小時(shí)計(jì)算，電價(jià)按0.61元計(jì)算，則每年可節(jié)省費(fèi)用1100萬元左右。

3.3 能量利用環(huán)節(jié)技術(shù)改造優(yōu)化

3.3.1 優(yōu)化反應(yīng)流出物和熱高分氣換熱流程

原料油和循環(huán)氫在精制反應(yīng)器和裂化反應(yīng)器中進(jìn)行放熱反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后在裂化反應(yīng)器底出來，這一部分流體我們稱為反應(yīng)流出物。高溫的反應(yīng)流出物與循環(huán)氫和反應(yīng)進(jìn)料換熱，供給熱能，使循環(huán)氫和反應(yīng)進(jìn)料溫度升高，節(jié)省反應(yīng)加熱爐的燃料氣消耗量。

此次在反應(yīng)流出物換熱流程最后增加了一臺(tái)與汽提塔底油換熱的換熱器，汽提塔底油經(jīng)反應(yīng)流出物加熱后溫度可以提升8-10℃，然后進(jìn)入預(yù)閃蒸罐，后經(jīng)分餾塔進(jìn)料泵升壓輸送進(jìn)分餾塔進(jìn)料加熱爐，而后進(jìn)入分餾塔進(jìn)行分離。

改造后充分利用了反應(yīng)流出物高品質(zhì)熱能來加熱分餾塔進(jìn)料，達(dá)到節(jié)省燃料氣的目的。

3.3.2 優(yōu)化熱高分氣換熱流程

反應(yīng)流出物經(jīng)過換熱之后冷卻到274℃，進(jìn)入熱高壓分離器進(jìn)行油、氣兩相分離。熱高壓分離器頂部出來的氣體我們稱為熱高分氣。

此次優(yōu)化的點(diǎn)在于充分讓熱高分氣與冷原料、冷循環(huán)氫換熱，充分使用高溫位的熱量。換熱后的熱高分氣溫度已經(jīng)降得很低，非常容易在后面的換熱器中產(chǎn)生銨鹽結(jié)晶現(xiàn)象，導(dǎo)致?lián)Q熱器管束堵塞。于是放棄熱高分氣與低分油的換熱，低分油全部走副線。

3.3.3 優(yōu)化石腦油分餾塔再沸器換熱流程

石腦油再沸器的熱源是航煤中段回流，航煤中段回流是分餾塔的一個(gè)內(nèi)回流。在2014年生產(chǎn)調(diào)整中，中段回流量始終保持在280t/h左右。后來，發(fā)現(xiàn)石腦油塔底溫度偏低造成重石腦油水含量增加，于是調(diào)整中段回流量來增加石腦油分餾塔底的熱量。在作出調(diào)整后，分餾塔內(nèi)的熱量得到及時(shí)排除，降低了分餾塔頂空冷的負(fù)荷，同時(shí)，也增加了石腦油塔底溫度，保證了重石腦油水含量合格。

3.3.4 分餾塔進(jìn)料加熱爐出口溫度優(yōu)化

為了實(shí)施節(jié)能降耗目的，不斷摸索調(diào)整操作參數(shù)，分析產(chǎn)品質(zhì)量。在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，降低分餾塔進(jìn)料加熱爐出口溫度(其設(shè)計(jì)值377℃)。將其調(diào)整到350℃后，分餾塔的氣相回流正常，各產(chǎn)品收率和流程切割、重疊現(xiàn)象不明顯。故將分餾塔進(jìn)料加熱爐出口溫度降至350℃，是一次成功的節(jié)能降耗舉措。

通過高通量測(cè)序技術(shù)、重點(diǎn)針對(duì)郎酒高溫制曲過程中的6個(gè)階段，研究高溫制曲過程中“醬香功能菌群（細(xì)菌與真核微生物）”的組成與演化規(guī)律。該項(xiàng)研究結(jié)果對(duì)解析郎酒高溫制曲機(jī)制奠定基礎(chǔ)，同時(shí)亦為優(yōu)化制曲工藝、監(jiān)測(cè)曲塊品質(zhì)、提升醬香型酒產(chǎn)量以及品質(zhì)，提供理論指導(dǎo)。

3.4 調(diào)整原料、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的實(shí)施

在2014年里，加氫裂化裝置負(fù)荷只有39.69%，裝置處理量嚴(yán)重不足，回?zé)捨灿土看?，?dǎo)致能耗增加。后來，在公司協(xié)調(diào)、統(tǒng)一安排、有機(jī)結(jié)合的統(tǒng)籌下，增加常三線組分中柴油組分的比例，以此來增加加氫裂化裝置的原料。同時(shí)，增加催化裂化裝置來的一條線，將催化柴油作為原料引進(jìn)裝置。再者，公司通過外購一部分蠟油來增加加氫裂化裝置處理量。最終，在2015年里加氫裂化裝置負(fù)荷上升至60.5%。

反應(yīng)進(jìn)料泵運(yùn)行過程中最低流量為320 t/h，而通常反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)料量在200 t/h，反應(yīng)進(jìn)料泵運(yùn)行工況效率低，大大增加了電耗。此次原料結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整后，反應(yīng)進(jìn)料泵的效率有大幅增加，使單位能耗有所降低。

而摻煉柴油導(dǎo)致精制反應(yīng)器溫度需要提升，冷氫量增加，需要提高循環(huán)氫壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，這些都是4.0MPa蒸汽消耗增加的問題所在。

摻煉催化柴油，因?yàn)榇呋裼屠锵N含量高而使反應(yīng)放熱量有所增加。與反應(yīng)產(chǎn)物換熱的原料油、循環(huán)氫的溫度會(huì)得到提高，使加熱循環(huán)氫的反應(yīng)加熱爐的燃料氣消耗有所降低。

4 加氫裂化裝置能耗優(yōu)化的效果

4.1 能耗優(yōu)化效果

將2015年的單位能耗和2014年的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，相關(guān)數(shù)據(jù)詳見表3。

表3 優(yōu)化前后各項(xiàng)單位能耗和綜合能耗值(單位：kgEO/t)

從表3的數(shù)據(jù)比對(duì)，不難看出，實(shí)施科學(xué)的石化生產(chǎn)過程管理、技術(shù)改造優(yōu)化以及原料、產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)調(diào)整等一系列節(jié)能降耗的舉措之后，加氫裂化裝置綜合能耗由41.84 kgEo/t下降到34.263 kgEo/t，下降幅度18.1%。

4.2 加氫裂化裝置繼續(xù)挖潛增效

在經(jīng)歷了初步能耗優(yōu)化舉措后，加氫裂化裝置在能量消耗方面取得了重大成績。但是，深挖效益，查找短板，繼續(xù)在過程管理、技術(shù)改造優(yōu)化以及原料、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整三個(gè)大的方面挖潛增效，持續(xù)改進(jìn)，勢(shì)在必行。2015年到2017年近三年的綜合能耗數(shù)據(jù)見表4。

表4 2015至2017年各項(xiàng)單位能耗值

從表4可以看出，2016年全年裝置累計(jì)加工量2357053噸，年生產(chǎn)負(fù)荷85.24%，比2015年高出24.74%，裝置綜合能耗較設(shè)計(jì)值低3.98 kgEo/t。2017年全年裝置累計(jì)加工量2223180噸，年生產(chǎn)負(fù)荷82.34%，裝置綜合能耗較設(shè)計(jì)值低2.065 kgEo/t。

5 結(jié)論

在各項(xiàng)方案措施得到有效實(shí)施后，裝置能耗得到明顯降低，加氫裂化裝置綜合能耗由41.84 kgEo/t下降到34.263 kgEo/t，下降幅度18.1%。至2017年，裝置全年生產(chǎn)負(fù)荷為82.34%，裝置綜合能耗31.885 kgEo/t，較2014年下降23.8%，較設(shè)計(jì)值低6.2%。

通過分析與研究，本文得到以下主要結(jié)論。

5.1 能量轉(zhuǎn)換、傳輸環(huán)節(jié)

通過增加新氫壓縮機(jī)無級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以大大降低新氫壓縮機(jī)對(duì)電的消耗，每年節(jié)省585萬元左右。通過增設(shè)空冷器、鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)變頻電機(jī)，每年可節(jié)省電費(fèi)224萬元。

5.2 能量回收環(huán)節(jié)

在此次節(jié)能改造項(xiàng)目中，加氫裂化裝置增設(shè)了熱高分底部液力透平，充分回收熱高分液的能量。每年可節(jié)省電量2210 kWh，節(jié)省費(fèi)用1100萬元左右。

5.3 能量利用環(huán)節(jié)

通過優(yōu)化反應(yīng)流出物和熱高分氣換熱流程、優(yōu)化熱高分氣換熱流程、優(yōu)化石腦油分餾塔再沸器換熱流程、優(yōu)化分餾塔進(jìn)料加熱爐出口溫度，實(shí)現(xiàn)充分利用高品位能量、實(shí)現(xiàn)降低燃料氣消耗的目的。