催化汽油加氫裝置換熱網(wǎng)絡(luò)分析與優(yōu)化

田文爽，張海濱，孟碩

（中國(guó)海洋石油集團(tuán)有限公司節(jié)能減排監(jiān)測(cè)中心，天津 300457）

夾點(diǎn)技術(shù)是目前被廣泛應(yīng)用的一種過(guò)程系統(tǒng)節(jié)能方法，其將熱力學(xué)原理和系統(tǒng)工程相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)過(guò)程系統(tǒng)能量利用與回收的優(yōu)化配置，提高了能量利用率和經(jīng)濟(jì)性[1]。

某煉廠50萬(wàn)t/a催化汽油加氫裝置采用全餾分催化汽油選擇加氫脫硫工藝技術(shù)，裝置主要由反應(yīng)、汽提部分組成。反應(yīng)部分包含脫二烯烴反應(yīng)器R-101、加氫脫硫反應(yīng)器R-102和加氫脫硫醇反應(yīng)器R-103（以下簡(jiǎn)稱一反、二反、三反）3臺(tái)反應(yīng)器。來(lái)自催化裝置的原料汽油經(jīng)過(guò)濾和沉降脫水后進(jìn)入E-202與精制汽油換熱，然后與一反配氫混合后進(jìn)入E-101與三反產(chǎn)物換熱，升溫后進(jìn)入R-101。R101反應(yīng)產(chǎn)物與循環(huán)氫混合后進(jìn)入E-102A/B與三反產(chǎn)物換熱升溫后進(jìn)入R-102發(fā)生低分子硫醇硫的轉(zhuǎn)化。R-102反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)加熱爐F-101加熱后進(jìn)入R-103進(jìn)行加氫脫硫以及加氫脫硫醇等反應(yīng)。R-103反應(yīng)產(chǎn)物再依次經(jīng)過(guò)E-102A/B、E-101換熱，最后經(jīng)過(guò)汽提塔進(jìn)料換熱器E-103A/B、空冷器A-101A～D、水冷器E-104冷卻，并進(jìn)入反應(yīng)產(chǎn)物分離器V-102進(jìn)行三相分離，氣體進(jìn)入循環(huán)氫脫硫裝置和循環(huán)氫壓縮機(jī)升壓循環(huán)使用，含硫污水出裝置處理，油相經(jīng)E-103A/B加熱后進(jìn)入T-201汽提塔進(jìn)一步分離出精制汽油。裝置工藝流程如圖1所示。

1 換熱網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀

裝置運(yùn)行期間，產(chǎn)品經(jīng)歷了“國(guó)Ⅳ”到“國(guó)Ⅴ”標(biāo)準(zhǔn)的升級(jí)，操作參數(shù)與設(shè)計(jì)工況有一定差別。為滿足產(chǎn)品指標(biāo)，R-102反應(yīng)深度加強(qiáng)，進(jìn)料溫度比設(shè)計(jì)提高了30℃左右，反應(yīng)溫度提高會(huì)增大汽油加氫脫硫率及烯烴飽和率，同時(shí)會(huì)降低脫硫選擇性及增大汽油的辛烷值損失[2]，加快催化劑結(jié)焦、縮短催化劑使用周期。

當(dāng)前原料汽油經(jīng)E-202與精制汽油（109.7℃）換熱到82.2℃，混氫后進(jìn)入E-101與三反產(chǎn)物（196.5℃）換熱，升溫到173.4 ℃后進(jìn)入R-101，反應(yīng)產(chǎn)物（179.3℃）與88.1℃的循環(huán)氫混合后進(jìn)入E-102A/B與三反產(chǎn)物（381.8℃）換熱至305.7℃后進(jìn)入R-102。反應(yīng)產(chǎn)物（352.8℃）經(jīng)加熱爐F-101加熱到381.3℃后進(jìn)入R-103，反應(yīng)產(chǎn)物（381.8℃）再依次經(jīng)過(guò)E-102A/B、E-101與R-102和R-101進(jìn)料換熱，再經(jīng)過(guò)E-103A/B、A-101A～D、E-104冷卻至40.5℃進(jìn)入V-102，分離出的油相經(jīng)E-103A/B加熱至108℃后進(jìn)入T-201進(jìn)一步分離出精制汽油。

由工藝流程可知，裝置共有3股熱物流和5股冷物流，提取所有冷、熱物流數(shù)據(jù)，如表1所示。

圖1 裝置工藝流程

表1 裝置冷熱物流數(shù)據(jù)

對(duì)于換熱網(wǎng)絡(luò)，最小傳熱溫差ΔTmin的值越大，所需要的冷、熱公用工程也越多，因此要選擇盡量小的ΔTmin值以獲得最大的能量有效利用。但是，ΔTmin的值越小，所需的換熱器越大，投資越高[3-4]。結(jié)合當(dāng)前換熱設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況，選取20℃作為換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的最小傳熱溫差。利用提取的物流數(shù)據(jù)，在溫焓圖上對(duì)冷、熱物流進(jìn)行組合，在不同的溫位標(biāo)出凈熱流量和相應(yīng)溫度值，做出裝置冷、熱物流曲線和復(fù)合曲線，如圖2所示。復(fù)合曲線熱負(fù)荷為零處對(duì)應(yīng)換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)，可知夾點(diǎn)處熱物流溫度381.8℃，冷物流溫度361.8℃。

圖2 裝置冷、熱物流及復(fù)合曲線

在ΔTmin為20℃情況下，裝置理論所需最小熱公用工程為1 326 kW，最小冷公用工程為4 470 kW。現(xiàn)有換熱網(wǎng)絡(luò)實(shí)際熱公用工程用量約為1 965 kW，冷公用工程用量約為6 513 kW。裝置理論熱公用工程節(jié)能潛力為639 kW，冷公用工程節(jié)能潛力為2 043 kW。

2 問(wèn)題分析

根據(jù)夾點(diǎn)技術(shù)設(shè)計(jì)原則，理想狀態(tài)下夾點(diǎn)以下不設(shè)置熱公用工程[5]。由圖3現(xiàn)有換熱網(wǎng)絡(luò)的柵格圖可知，當(dāng)前流程中，裝置三反產(chǎn)物與一反原料油換熱過(guò)程跨越夾點(diǎn)，同時(shí)三反原料油加熱過(guò)程跨越夾點(diǎn)，即夾點(diǎn)以下使用了熱公用工程。

圖3 現(xiàn)有換熱網(wǎng)絡(luò)柵格

換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)之上的部分，利用加熱爐為三反進(jìn)料進(jìn)行加熱，不存在優(yōu)化空間。換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)之下的部分，熱源三反產(chǎn)物初始溫度381.8℃，直接與一反產(chǎn)物換熱，溫差約200℃，不利于三反產(chǎn)物熱量的梯級(jí)利用，同時(shí)溫差過(guò)大影響換熱器的安全運(yùn)行。該股物流夾點(diǎn)之上的部分可用于替代一部分熱公用工程，降低裝置能耗。裝置其他未利用熱源主要有汽提塔進(jìn)料換熱器出口物流和汽提塔頂氣相，溫度均不超過(guò)90℃，回收成本高、效益差。

此外，由于目前處理量較小，為維持反應(yīng)器空速，部分精制汽油需要循環(huán)至進(jìn)料緩沖罐，該部分汽油先從82℃冷卻至34.4℃再與54.4℃催化汽油進(jìn)料混合，再經(jīng)過(guò)E-202等一系列換熱器提升溫度后進(jìn)入反應(yīng)器，循環(huán)冷卻升溫過(guò)程造成能量浪費(fèi)。

3 換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化調(diào)整

3.1 優(yōu)化調(diào)整方案

為了使裝置能量的利用更為合理，消除跨夾點(diǎn)換熱情況，新增換熱器EN-01，利用三反產(chǎn)物將二反產(chǎn)物預(yù)熱至361.8℃，替代夾點(diǎn)之下使用的熱公用工程，以減少天然氣的消耗，同時(shí)利用合理的熱源對(duì)熱量進(jìn)行補(bǔ)充。裝置內(nèi)缺少合適的熱源，考慮到就近原則，相鄰布置的柴油加氫裝置汽提塔T-1201塔頂氣體由183.4℃直接被空冷器A-1201冷卻，可補(bǔ)充足夠熱量。增加一臺(tái)換熱器EN-02，利用T-1201塔頂氣體將二反配氫預(yù)熱至124℃后再與R-101反應(yīng)產(chǎn)物混合，從而保證R-102進(jìn)料溫度不變。

同時(shí)，改造長(zhǎng)循環(huán)精制汽油管道，將精制汽油水冷器E-204出口至原料油緩沖罐V-101的管道接點(diǎn)改到精制汽油空冷器A-202A/B之前，降低冷卻負(fù)荷93 kW，進(jìn)一步降低進(jìn)料對(duì)熱公用工程的需求量。

改造方案需新增2臺(tái)換熱器，其中EN-01型號(hào)BES700-2.5-105-3.5/19-I，設(shè)備費(fèi)用約44萬(wàn)元；EN-02型號(hào)BEU600-2.5-115-4.5/19-I，設(shè)備費(fèi)用約32萬(wàn)元；管線改造費(fèi)用約38萬(wàn)元，合計(jì)114萬(wàn)元。調(diào)整前后換熱流程如圖4、5所示。

3.2 調(diào)整后的運(yùn)行狀況及效果

圖4 調(diào)整前換熱流程

新增EN-01后，加熱爐F-101熱負(fù)荷由1 965 kW下降到1 326 kW，E-102A/B由于傳熱溫差減小，熱負(fù)荷下降732 kW，該部分熱量由T-1201塔頂氣經(jīng)EN-02換熱補(bǔ)充。調(diào)整前后裝置傳熱設(shè)備負(fù)荷變化如表2所示。

圖5 調(diào)整后換熱流程

表2 調(diào)整前后傳熱設(shè)備負(fù)荷變化情況

裝置熱公用工程由加熱爐F-101提供，調(diào)整后加熱爐負(fù)荷下降639 kW，燃料消耗量可下降114 m3/h，按年運(yùn)行8 400 h計(jì)算，可產(chǎn)生節(jié)能量830.8 tce，達(dá)到預(yù)期的節(jié)能目標(biāo)。

裝置冷公用工程主要由空冷器、水冷器提供，調(diào)整后裝置內(nèi)冷卻負(fù)荷可下降93 kW，同時(shí)可以降低柴油加氫裝置冷卻負(fù)荷697 kW，可降低空冷器功率約23.3 kW，折標(biāo)煤24.1 tce，裝置內(nèi)冷公用工程量下降占預(yù)期節(jié)能目標(biāo)的4.6%。

3.3 效益核算

加熱爐F-101燃料氣消耗每年可減少95.8萬(wàn)m3，燃料氣價(jià)格按1.1元/m3計(jì)算，年收益105萬(wàn)元。空冷器負(fù)荷降低23.3 kW，每年可減少電耗195.7 MW·h，經(jīng)濟(jì)效益約15.7萬(wàn)元。16個(gè)月即可收回改造成本。

4 結(jié)論

在原有換熱網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，提出了增加2臺(tái)換熱器的調(diào)整方案，解決了裝置跨夾點(diǎn)換熱的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了裝置內(nèi)高品位熱源的梯級(jí)利用。節(jié)約熱公用工程量639 kW、冷公用工程量93 kW，有效降低了裝置能耗。