柴油加氫裝置能量平衡及能耗分析

龍鑾瓊

(廣東眾和工程設計有限公司，廣東 廣州 511430)

隨著市場競爭的日趨激烈，節(jié)能減排、降本增效已經(jīng)成為企業(yè)、裝置謀求發(fā)展的重要舉措。有關數(shù)據(jù)顯示，能耗費用已經(jīng)成為石油化工企業(yè)生產(chǎn)成本中僅次于原料成本的第二大組成部分。節(jié)能降耗成為企業(yè)降低成本和提高競爭力的重要手段。柴油加氫裝置主要供入能有加熱爐的燃料氣、循環(huán)氫壓縮機蒸汽、機泵的電耗等。加熱爐的熱效率、機泵機械效率和裝置能量回收效率影響裝置能耗。

1 裝置概括

1.1 工藝技術及流程特點

柴油加氫裝置采用中壓加氫技術，應部分采用爐前混氫、熱高分流程。采用爐前混氫流程可提高換熱器換熱效率，減緩結焦程度；采用熱高分流程可更好利用能量，降低裝置能耗。分餾部分采用雙塔汽提分餾流程，脫硫化氫汽提塔采用水蒸汽汽提，產(chǎn)品分餾塔采用塔底重沸爐供熱。裝置工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程圖

1.2 原料和產(chǎn)品性質

柴油加氫裝置原料為催化柴油、直餾柴油和焦化柴油，目的產(chǎn)品清潔柴油要求硫的質量含量小于10 ppm，氮的質量含量小于1 ppm，多環(huán)芳烴質量行量5%。

2 裝置能量平衡分析

2.1 能量平衡

裝置能量平衡如表1所示。

表1 裝置能量平衡表

裝置轉換環(huán)節(jié)能量平衡如表2所示。

表2 裝置轉換環(huán)節(jié)能量平衡

裝置回收利用環(huán)節(jié)能量平衡如表3所示。

表3 裝置回收利用環(huán)節(jié)能量平衡表

通過能量平衡分析得知，裝置工藝總用能為1943.1 MJ/t，裝置凈能耗為694.5 MJ/t。裝置能量轉換效率96.62%，能量回收率為55.63%。

2.2 用能分析

2.2.1 裝置能量利用環(huán)節(jié)分析

柴油加氫裝置的能量利用環(huán)節(jié)主要有反應器加熱用能和汽提塔及分餾塔的分餾加熱用能，物流輸送機泵用能，新氫和循環(huán)氫氣增壓用能。

工藝總用能為1943.1 MJ/t，外輸入有效能302.1 MJ/t，原料帶人210 MJ/t，反應放熱442.3 MJ/t，循環(huán)回收能988.8 MJ/t。

要降低裝置的工藝用能，需要從優(yōu)化裝置的工藝方案和工藝操作參數(shù)做起。本裝置工藝方案采用中壓加氫改質催化劑和成熟的柴油加氫工程技術，反應部分采用爐前混氫、熱高分流程，在熱高壓分離器和熱低壓分離器之間設液力透平，用于驅動加氫進料泵。采用爐前混氫流程可提高換熱器換熱效率，減緩結焦程度；采用熱高分流程可更好利用能量，在熱高壓分離器和熱低壓分離器之間設液力透平，用于驅動加氫進料泵，充分回收能量，降低裝置能耗。分餾部分采用雙塔汽提分餾流程，脫硫化氫汽提塔采用水蒸汽汽提，產(chǎn)品分餾塔采用塔底重沸爐供熱。溫度相對較低的汽提塔采用水蒸汽汽提，溫度較高的產(chǎn)品分餾塔采用塔底重沸爐供熱，充分考慮了不同溫位的熱阱與熱源的匹配，有利于能量品質的利用。

對脫硫化氫汽提塔的操作溫度、壓力的分析，脫硫化氫汽提塔操作參數(shù)在合適范圍內(nèi)。對產(chǎn)品分餾塔的操作溫度、壓力的分析，產(chǎn)品分餾塔進料溫度較高，是過熱狀態(tài)進料。過熱狀態(tài)下進料，產(chǎn)品分餾進料預熱帶入的熱量不能完全轉移至塔釜，以降低塔底重沸爐負荷?？煽紤]適當降低分餾塔進料溫度，使精制柴油多產(chǎn)1.0 MPa蒸汽，增加裝置蒸汽輸出量，降低裝置能耗。

循環(huán)氫壓縮機返回量21000 Nm3/h，返回量較大，不利于裝置節(jié)能。

新氫壓縮機沒有無極調(diào)量系統(tǒng)，新氫壓縮機有約10%的返回量，造成裝置電耗增加。

2.2.2 能量轉換環(huán)節(jié)分析

柴油加氫裝置能量轉換環(huán)節(jié)主要有加熱爐、新氫壓縮機、循環(huán)氫壓縮機、泵等。

裝置能量轉化環(huán)節(jié)總供入能735.5 MJ/t，輸出有效利用能302.1 MJ/t，轉換輸出能408.6 MJ/t，直接損失能24.9 MJ/t，能量轉換效率為96.62%。

加熱爐熱效率，電機效率決定能量轉換效率。設計高效的加熱爐和選用高效電機是提高裝置轉換效率的有效途徑。

對加熱爐操作參數(shù)進行分析，反應進料加熱爐煙氣氧含量5.2%，產(chǎn)品分餾塔底重沸爐煙氣氧含量5.4%，對于燃料氣加熱爐，煙氣氧含量一般可控制至2%左右，反應進料加熱爐和產(chǎn)品分餾塔底重沸爐煙氣氧含量偏高，有優(yōu)化的潛力；加熱爐排煙溫度124 ℃，根據(jù)燃料分析數(shù)據(jù)，燃料中硫含量在20～30 ppm，計算出裝置安全排煙溫度在123 ℃左右，裝置排煙溫度合理。

2.2.3 能量回收環(huán)節(jié)分析

能量回收環(huán)節(jié)包括物流熱量回收、產(chǎn)品輸出、乏汽回收等。裝置待回收能1940.6 MJ/t，回收循環(huán)能988.8 MJ/t，回收輸出能90.8 MJ/t，產(chǎn)品帶出192.7 MJ/t，排棄能668.4 MJ/t，能量回收率為55.63%。

提高能量回收率的主要途徑是優(yōu)化裝置換熱網(wǎng)絡，提高熱量回收，減少冷卻和排棄。

裝置能量回收情況如下：

(1)反應產(chǎn)物依次經(jīng)原料、分餾塔進料、原料換熱至197 ℃，然后進入熱高分罐進行氣液分離，反應產(chǎn)物熱量回收較為充分；

(2)熱高分氣與混合氫氣換熱至145 ℃后進空冷器冷卻，熱高分氣換熱后溫度較高，熱量回收不充分；

(3)汽提塔頂氣溫度188 ℃，經(jīng)空冷器冷卻至40 ℃，冷卻負荷約2900 kW。該塔頂氣溫度高，熱量較大，沒有得到回收利用，存在能量浪費；

(4)分餾塔塔頂溫度138 ℃，直接經(jīng)過空冷冷卻至40 ℃，熱量未回收，存在能量浪費；

(5)精制柴油從產(chǎn)品分餾塔抽出，依次經(jīng)精制柴油/產(chǎn)品分餾塔進料換熱器、精制柴油蒸汽發(fā)生器、精制柴油/冷低分油換熱器、精制柴油/原料油換熱器換熱到166 ℃，再由空冷器冷卻后出裝置。精制柴油進空冷器溫度較高，熱量沒有得到充分回收利用，存在能量浪費。

綜上，裝置工藝物流余熱回收利用不充分，有經(jīng)一步優(yōu)化的潛力。

3 能耗分析

3.1 設計能耗與實際能耗對比

裝置實際能耗與設計能耗對比如表4所示。

表4 裝置設計能耗與實際能耗對比

通過對比，裝置實際能耗稍低于設計能耗。在個單項能耗對比中，電耗比設計值低82.9 MJ/t，蒸汽消耗比設計值低18 MJ/t，燃料氣消耗比設計值低54 MJ/t。熱輸入較設計值減少30.6 MJ/t。

3.2 裝置設計能耗和實際能耗對比分析

3.2.1 蒸汽消耗對比分析

蒸汽的主要用戶循環(huán)氫壓縮機的驅動汽輪機，與設計相對比，由于實際生產(chǎn)循環(huán)氫的量比設計值底，故3.5 MPa蒸汽用量比設計值小，故3.5 MPa蒸汽消耗比設計值小。

3.2.2 燃料消耗對比分析

燃料消耗主要是反應加熱爐和分餾塔重沸爐。反應爐的負荷與反應溫度和反應溫升有關，反應溫度越高，加熱爐負荷越大，反應溫升越大，反應加熱爐負荷越低。由于實際生產(chǎn)反應溫升和設計值差不多，反應溫度比設計值低，使得反應加熱爐熱負荷也比設計值低，燃料能耗比設計值小。

產(chǎn)品分餾塔操作壓力比設計值低，有利于降低分餾塔重沸爐的負荷，從而降低燃料消耗。

3.2.3 電耗對比分析

裝置耗電設備主要由新氫壓縮機、泵電機和空冷風機。由于裝置部分機泵采用了變頻調(diào)節(jié)，使得裝置電耗比設計值明顯降低。

4 裝置節(jié)能潛力分析

裝置主要能耗為燃料、電和蒸汽消耗。要較低裝置能耗，重點考慮降低裝置燃料、電和蒸汽的消耗。

4.1 燃料消耗節(jié)能潛力

(1)通過提高加熱爐效率，降低燃料用量。

經(jīng)過核算，反應爐的熱效率為88%，重沸爐的熱效率為92%，反應爐的熱效率偏低。主要原因是反應爐空氣過剩系數(shù)偏高。反應進料加熱爐煙氣氧含量5.2%，產(chǎn)品分餾塔底重沸爐煙氣氧含量5.4%，對于燃料氣加熱爐，煙氣氧含量一般可控制至2%左右?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)爐子的通風量，優(yōu)化空氣過剩系數(shù)，提高加熱爐效率，減少燃料用量。

(2)通過優(yōu)化換熱網(wǎng)絡，提高能量回收率，降低加熱爐負荷，減少燃料用量。

根據(jù)能量平衡分析可知，裝置能量回收率為55.63%，其中回收循環(huán)能為50.95%，回收輸出能為4.68%?；厥昭h(huán)能比率與燃料消耗息息相關，回收循環(huán)能比率越高，則燃料消耗越低，反之越高。裝置回收循環(huán)能占比50.95%，還有提高的潛力。

裝置具有熱量回收的物流有反應產(chǎn)物、熱高分氣、精制柴油、汽提塔頂油氣、分餾塔頂油氣。目前熱高分氣進空冷器溫度為145 ℃左右，精制柴油進空冷氣的溫度為166 ℃左右、汽提塔頂油氣進空冷器溫度188 ℃左右，分餾塔頂油氣進空冷溫度138 ℃左右。熱高分氣、精制柴油和汽提塔頂油氣和分餾塔頂油氣的熱量還能進一步回收。

4.2 電耗節(jié)能潛力

新氫壓縮機節(jié)電。

新氫壓縮機額定負荷55000 Nm3/h，額定功率為4.1 MW。實際新氫耗量為36000～40000 Nm3/h，新氫壓縮機存在較大的負荷余量。

余隙自動無極量調(diào)節(jié)裝置是在固定余隙調(diào)節(jié)的基礎上，將固定余隙改變成余隙容積連續(xù)可調(diào)的調(diào)節(jié)方法，取消控制輔助余隙缸與氣缸之間連接的余隙閥，可調(diào)余隙缸與外側氣缸直接連通，進出余隙缸的氣體幾乎沒有阻力損失。對于雙作用氣缸來說，理論上采用比較普通的電液控制措施就可實現(xiàn)壓縮機排氣量50%～100%范圍無極量調(diào)節(jié)。新氫壓縮其考慮設置余隙自動無極量調(diào)節(jié)裝置，可有效降低裝置電耗。

4.3 蒸汽消耗節(jié)能潛力

裝置主要的蒸汽用戶是循環(huán)氫壓縮機驅動用中壓蒸汽，裝置循環(huán)氫壓縮機有10%左右的返回量，可以通過操作調(diào)整，降低甚至關停循環(huán)氫壓縮機的返回量，從而降低中壓蒸汽的消耗量。

5 結 論

柴油加氫裝置能量輸入中主要是蒸汽(51.34%)、燃料氣(15.87%)、電(10.59%)。要降低裝置能耗，主要從降低裝置的蒸汽消耗、燃料氣消耗和電耗方面考慮。提高裝置熱量回收率，可有效降低裝置的燃料消耗。新氫壓縮機作為裝置電耗大戶，選用設置余隙自動無極量調(diào)節(jié)裝置的新氫壓縮機，能有效降低裝置電耗。循環(huán)氫壓縮機驅動是蒸汽消耗大戶，生產(chǎn)過程中對循環(huán)氫壓縮機精心操作，可有效降低裝置蒸汽消耗。