加氫裝置節(jié)能途徑探討

阮 宇 紅

(中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

隨著環(huán)保法規(guī)日益嚴(yán)格，綠色低碳理念深入人心[1-2]。為降低油品燃燒過程中產(chǎn)生的SOx等有害物質(zhì)，世界各國不斷更新油品標(biāo)準(zhǔn)。我國從2019年下半年起實(shí)施汽油、柴油國Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)，2020年起實(shí)施低硫船用燃料標(biāo)準(zhǔn)。這些持續(xù)升級(jí)的油品質(zhì)量要求使得煉油廠不斷新建加氫裝置或?qū)ΜF(xiàn)有裝置進(jìn)行改造，加氫能力持續(xù)提升[1，3]，加氫裝置所占全廠能耗及操作費(fèi)用的比例隨之大幅增加。

另一方面，世界油價(jià)面臨下行壓力，而環(huán)保要求則愈加苛刻，為滿足環(huán)保要求而增加的裝置建設(shè)、改造和操作成本使得煉油效益大幅縮減，國內(nèi)逐漸過剩的煉油能力也使煉油廠間競爭日益激烈，降低裝置能耗從而削減加工費(fèi)用是煉油廠生存和發(fā)展的迫切要求。

基于上述原因，有必要對加氫裝置的節(jié)能降耗途徑進(jìn)行系統(tǒng)梳理和探討，為裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。以下將從工藝節(jié)能、設(shè)備節(jié)能、裝置聯(lián)合節(jié)能3方面探討加氫裝置在設(shè)計(jì)或改造過程中可采取的節(jié)約能耗途徑。

1 工藝節(jié)能

1.1 選用節(jié)能型工藝技術(shù)

不同的工藝技術(shù)對應(yīng)不同的工藝原理和流程設(shè)置，對裝置能耗具有根本性的決定作用。在裝置進(jìn)行技術(shù)選擇時(shí)，應(yīng)根據(jù)擬加工原料性質(zhì)及產(chǎn)品要求，優(yōu)先選用節(jié)能型工藝技術(shù)。以柴油加氫精制裝置為例，選用中國石油化工股份有限公司(中國石化)開發(fā)的連續(xù)液相加氫工藝，可使裝置能耗比常規(guī)滴流床工藝低25%以上[4]。圖1和圖2分別為常規(guī)滴流床加氫工藝和連續(xù)液相加氫工藝的流程示意，表1則列出了兩種工藝技術(shù)的主要區(qū)別。

圖1 常規(guī)滴流床加氫工藝的流程示意

圖2 連續(xù)液相加氫工藝的流程示意

表1 連續(xù)液相加氫工藝與常規(guī)滴流床加氫工藝的主要區(qū)別

由圖1、圖2及表1可見：①連續(xù)液相加氫技術(shù)中，取消了高壓循環(huán)氫系統(tǒng)，節(jié)省了循環(huán)氫壓縮機(jī)相關(guān)的蒸汽、電的消耗，同時(shí)注水系統(tǒng)和氣體脫硫系統(tǒng)相應(yīng)由高壓變?yōu)榈蛪合到y(tǒng)，電耗降低顯著；新增的循環(huán)油泵流量雖然大，但揚(yáng)程低，電耗??；②連續(xù)液相加氫技術(shù)中，反應(yīng)器入口溫度靠高溫循環(huán)油與加熱爐出口介質(zhì)直接混兌提升，熱量利用效率高，消除了傳統(tǒng)滴流床技術(shù)靠換熱器加熱帶來的換熱器熱效率的問題；③在反應(yīng)起始溫度(反應(yīng)器入口溫度)相同的情況下，連續(xù)液相加氫反應(yīng)器入口有高溫循環(huán)油加入，因此要求反應(yīng)進(jìn)料加熱爐出口溫度低于常規(guī)滴流床工藝，且低的氫油比使加熱爐出口汽化率低，燃料消耗降低顯著。

表2是2019年中國石化連續(xù)液相柴油加氫裝置的操作數(shù)據(jù)[5]。由表2可知：2019年，中國石化所有柴油加氫裝置的平均操作負(fù)荷為75.31%，平均能耗為431.8 MJ/t。采用連續(xù)液相加氫工藝的A、B兩套裝置的能耗顯著低于中國石化所有柴油加氫裝置的平均水平，其中裝置A的操作負(fù)荷為75.78%，與中國石化平均水平相當(dāng)，而能耗為216.9 MJ/t，僅為平均水平的50.2%；裝置B的操作負(fù)荷僅為53.32%，在遠(yuǎn)低于中國石化平均水平的情況下，能耗為305.1 MJ/t，仍比平均水平低29.3%。

表2 2019年中國石化柴油連續(xù)液相加氫裝置的操作數(shù)據(jù)

上述數(shù)據(jù)表明，連續(xù)液相加氫工藝具有本質(zhì)節(jié)能的技術(shù)優(yōu)勢，采用該技術(shù)的工藝裝置能耗遠(yuǎn)低于常規(guī)滴流床工藝。

1.2 優(yōu)化工藝流程

在工藝技術(shù)選定后，加氫裝置的能耗與工藝流程密切相關(guān)。以下舉例說明加氫裝置的幾類流程節(jié)能優(yōu)化途徑。

1.2.1 換熱流程的優(yōu)化裝置換熱流程優(yōu)化是工藝節(jié)能的重要方法，應(yīng)在充分分析物流理化性質(zhì)、熱交換目標(biāo)及工藝約束條件的基礎(chǔ)上，對多股物質(zhì)-能量流進(jìn)行合理匹配以達(dá)成最優(yōu)方案。以下以某4.0 Mt/a渣油加氫裝置(以下簡稱渣油加氫裝置一)為例進(jìn)行說明。

表3為對該裝置的低壓換熱流程的優(yōu)化分析結(jié)果。依據(jù)表3中各項(xiàng)條件，在設(shè)計(jì)換熱網(wǎng)絡(luò)時(shí)，通過優(yōu)化換熱順序以及合理匹配冷熱物流實(shí)現(xiàn)了熱量的梯級(jí)利用，得到了如圖3所示的具有較高換熱效率的渣油加氫裝置低壓換熱優(yōu)化流程。

表3 渣油加氫裝置一的低壓換熱流程優(yōu)化分析結(jié)果

從原料油預(yù)熱角度看，原料渣油經(jīng)4組換熱器從150 ℃加熱到285 ℃后，進(jìn)行過濾，其主要加熱介質(zhì)為加氫渣油，并在188～193 ℃溫度段利用分餾塔中段回流來加熱，充分利用分餾塔熱量。

從加氫渣油冷卻角度看，加氫渣油從分餾塔塔底抽出后，358～365 ℃最高溫位的熱量用作柴油汽提塔重沸器的熱源，之后用于預(yù)熱原料油，剩余的熱量去發(fā)生蒸汽，最后直接作為熱出料送至下游催化裂化裝置。當(dāng)催化裂化裝置不接受熱料時(shí)，將此熱出料經(jīng)空氣冷卻器冷卻后送入罐區(qū)。

圖3 渣油加氫裝置一的低壓換熱優(yōu)化流程1—原料油緩沖罐； 2、3—原料油/加氫渣油換熱器； 4—原料油/分餾塔中段回流換熱器； 5—熱原料油/加氫渣油換熱器Ⅰ； 6、7—熱原料油/加氫渣油換熱器Ⅱ； 8—自動(dòng)反沖洗過濾器； 9—濾后原料油緩沖罐

在預(yù)熱原料油的流程中，根據(jù)溫位的逐步降低，分為a，b，c三段(如圖3中虛線方框所示)進(jìn)行換熱：在a、b段，加氫渣油的分界溫度為286 ℃，恰好與原料油預(yù)熱終溫285 ℃相匹配，可用作原料油過濾器的反沖洗油，兩種介質(zhì)溫度相近，使過濾器在操作過程中溫度始終處于穩(wěn)定狀態(tài)，有利于過濾操作的連續(xù)性；在b、c段，將c段預(yù)熱原料油的溫度選擇在188 ℃，該溫位可使原料的預(yù)熱與中段回流的溫位相匹配，以充分利用分餾塔中段回流熱量。這個(gè)低壓換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置充分考慮了反應(yīng)與分餾部分的熱量轉(zhuǎn)移與匹配，使原料渣油的低壓換熱終溫達(dá)285 ℃，反應(yīng)進(jìn)料加熱爐負(fù)荷低，節(jié)約燃料用量，充分利用了分餾塔中段回流的熱量，降低分餾塔塔頂空氣冷卻器的負(fù)荷，從而實(shí)現(xiàn)了整個(gè)低壓換熱流程的優(yōu)化。

1.2.2 合理設(shè)置蒸汽發(fā)生器回收低溫?zé)峒託溥^程中的化學(xué)反應(yīng)總體表現(xiàn)為放熱反應(yīng)，裝置內(nèi)存在大量的低溫?zé)崃繜o法作為工藝熱量使用，設(shè)置蒸汽發(fā)生器可以有效回收這部分熱能，作為全廠蒸汽系統(tǒng)的有益補(bǔ)充，同時(shí)還可以作為裝置熱量平衡調(diào)節(jié)的輔助手段。以下以某3.9 Mt/a渣油加氫裝置(以下簡稱渣油加氫裝置二)為例進(jìn)行說明。

該裝置中，溫位為210～240 ℃的加氫渣油用于發(fā)生1.2 MPa低壓蒸汽，溫位為180～234 ℃的分餾塔中段回流、溫位為180～270 ℃的加氫渣油和溫位為170～282 ℃的柴油產(chǎn)品用于發(fā)生0.4 MPa低低壓蒸汽。此利用方案下，該裝置的低溫?zé)崃坷媒Y(jié)果如表4所示。由表4可以看出，在操作初期(SOR)和操作末期(EOR)，裝置能耗分別降低了244.9 MJ/t和263.8 MJ/t。

表4 渣油加氫裝置二的低溫?zé)崃坷媒Y(jié)果

2 設(shè)備節(jié)能

2.1 新氫壓縮機(jī)氣量無級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

電耗是加氫裝置的主要能量消耗之一，根據(jù)裝置類型不同，電耗占加氫裝置總能耗的35%～70%，其中新氫壓縮機(jī)耗電量占總電耗的40%～65%，故其節(jié)電方案對裝置節(jié)能意義重大。特別是，對于大型渣油加氫裝置，反應(yīng)壓力高，原料油與氫氣升壓耗電量巨大，且在操作中為保證反應(yīng)氫分壓，需通過排放部分循環(huán)氫氣來維持循環(huán)氫純度，并補(bǔ)入過量的新氫以維持反應(yīng)壓力，故新氫壓縮機(jī)的操作負(fù)荷由化學(xué)反應(yīng)氫耗和循環(huán)氫排放量共同決定。在裝置的整個(gè)操作周期內(nèi)，隨著催化劑活性逐漸降低，渣油加氫反應(yīng)生成的C1～C4輕組分增加，為維持循環(huán)氫純度而排放的氫氣量隨之增加，因此新氫壓縮機(jī)的負(fù)荷在整個(gè)操作周期內(nèi)變化較大，且新氫壓縮機(jī)在裝置運(yùn)轉(zhuǎn)初期的實(shí)際操作流量與設(shè)備額定流量差別很大。表5為上述兩套典型渣油加氫裝置的電耗情況。

表5 典型渣油加氫裝置的電耗情況

新氫壓縮機(jī)采用往復(fù)式壓縮機(jī)，通過壓縮機(jī)出口氫氣部分回流至入口的方法來控制新氫補(bǔ)入反應(yīng)系統(tǒng)的實(shí)際量，這種控制方案會(huì)因大量氫氣回流而造成電能的浪費(fèi)。為新氫壓縮機(jī)配備氣量無級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)則可大幅度降低新氫壓縮機(jī)用電量，從而顯著降低裝置能耗，可解決上述問題。以渣油加氫裝置一為例，采用新氫壓縮機(jī)氣量無級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的節(jié)能效果見表6。目前，新氫壓縮機(jī)氣量無級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)已基本成為大型加氫裝置的標(biāo)配設(shè)施。

表6 渣油加氫裝置一采用新氫壓縮機(jī)氣量無級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的節(jié)能效果

2.2 液力透平系統(tǒng)

加氫裝置包含高壓系統(tǒng)與低壓系統(tǒng)，在二者相銜接的部位，比如熱高壓分離器(簡稱高分)油到熱低壓分離器(簡稱低分)、冷高分油到冷低分、循環(huán)氫脫硫富胺液從脫硫塔到富胺液閃蒸罐等，高壓介質(zhì)一般通過高壓角閥降壓后注入低壓設(shè)備。在上述部位設(shè)置液力透平可回收這些高壓液體的壓力能，以用于驅(qū)動(dòng)反應(yīng)進(jìn)料泵、循環(huán)氫脫硫貧胺液泵等高壓泵，從而節(jié)約電能。表7為渣油加氫裝置二設(shè)置液力透平的節(jié)能效果。由表7可以看出，通過兩套液力透平回收壓力能，使裝置能耗降低了50.2 MJ/t。

表7 渣油加氫裝置二設(shè)置液力透平的節(jié)能效果

設(shè)置液力透平系統(tǒng)會(huì)增加設(shè)備和管道投資，因此是否設(shè)置需在投資增加和節(jié)電效益之間進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算后確定。一般而言，大型的渣油加氫、加氫裂化、蠟油加氫等裝置因規(guī)模大、反應(yīng)系統(tǒng)壓力等級(jí)高、原料硫含量高(循環(huán)氫脫硫富胺液量大)，適宜設(shè)置液力透平。

3 裝置間聯(lián)合節(jié)能

通過裝置聯(lián)合的方式達(dá)成全廠節(jié)能是當(dāng)前煉油廠節(jié)能設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢。聯(lián)合方式可以是物質(zhì)流形式，比如氫氣的分級(jí)利用，也可以是能量流形式，比如一套裝置的物流為另一套裝置的換熱設(shè)備提供熱源。

3.1 氫氣的梯級(jí)利用

煉油廠總加工流程中通常設(shè)有多套加氫裝置，各類型加氫裝置的壓力等級(jí)按照渣油加氫>加氫裂化>蠟油加氫>柴油加氫>噴氣燃料加氫>石腦油加氫的順序依次降低。裝置間的氫氣梯級(jí)利用是加氫裝置群總體節(jié)能的有效措施。

圖4為某煉油廠渣油加氫裝置-柴油加氫裝置的氫氣梯級(jí)利用示意。由圖4可以看出，該煉油廠的渣油加氫裝置設(shè)置了兩級(jí)膜分離系統(tǒng)用于回收壓力為15.4 MPa、氫純度(φ)為85.8%的排放氫中的氫氣，一級(jí)膜分離的滲透氣壓力為11 MPa，氫純度(φ)為98.5%，用作柴油加氫裝置(壓力等級(jí)為10 MPa)的補(bǔ)充氫氣，二級(jí)膜分離的滲透氣壓力為5.3 MPa，氫純度(φ)為97.0%，送至渣油加氫

圖4 某煉油廠渣油加氫裝置-柴油加氫裝置的氫氣梯級(jí)利用流程

裝置新氫壓縮機(jī)的二級(jí)入口，作為渣油加氫反應(yīng)系統(tǒng)的部分補(bǔ)充氫氣。送往柴油加氫裝置的高壓氫氣并入柴油加氫裝置新氫壓縮機(jī)的出口，直接進(jìn)入高壓反應(yīng)系統(tǒng)作為柴油加氫反應(yīng)系統(tǒng)的補(bǔ)充氫氣使用，可為柴油加氫裝置節(jié)約電量約1 150 kW·h。

圖5為某煉油廠渣油加氫裝置-噴氣燃料加氫裝置聯(lián)合的氫氣梯級(jí)利用流程示意。由圖5可以看出，渣油加氫裝置部分低分氣送至噴氣燃料加氫裝置，作為噴氣燃料加氫的補(bǔ)充氫氣，噴氣燃料加氫采用一次通過式流程，可以不再設(shè)置新氫壓縮機(jī)和循環(huán)氫壓縮機(jī)，從而可節(jié)約設(shè)備投資和能量消耗。

圖5 某煉油廠渣油加氫裝置-噴氣燃料加氫裝置的氫氣梯級(jí)利用流程

3.2 裝置間的能量傳遞

當(dāng)加氫裝置的低溫?zé)崃吭谘b置內(nèi)沒有合適冷源吸收時(shí)，可考慮對外輸出。某2.2 Mt/a柴油加氫裝置與1.6 Mt/a氣分裝置的熱聯(lián)合利用流程如圖6所示。由圖6可以看出，柴油產(chǎn)品物流為氣分裝置提供熱源，從而縮減了氣分裝置脫丙烷塔的蒸汽用量約8 t/h，同時(shí)使柴油加氫裝置的低溫?zé)彷敵隽吭黾?3 567 MJ/h，能耗降低51.8 MJ/t。

圖6 柴油加氫裝置-氣分裝置的熱聯(lián)合利用流程

3.3 裝置熱進(jìn)料和熱出料聯(lián)合

裝置間熱進(jìn)料和熱出料可有效降低能耗。以常減壓蒸餾裝置-渣油加氫裝置-催化裂化裝置之間的聯(lián)合為例，裝置間采用熱進(jìn)料和熱出料聯(lián)合時(shí)的工藝流程如圖7所示。由圖7可以看出，正常操作工況下原料渣油和加氫渣油均不經(jīng)過中間罐，而是直接與上下游裝置相連，因而省去上游裝置產(chǎn)品冷卻用能量及下游裝置原料加熱用能量，從而可達(dá)成顯著的能量節(jié)約。

圖7 裝置間采用熱進(jìn)料和熱出料聯(lián)合時(shí)的工藝流程

4 結(jié) 論

在設(shè)計(jì)階段，加氫裝置的節(jié)能措施可從工藝、設(shè)備和裝置聯(lián)合3方面實(shí)施。此外，在裝置建成后的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，還需通過精細(xì)控制原料性質(zhì)、產(chǎn)品質(zhì)量，加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)及狀態(tài)管理，應(yīng)用信息技術(shù)強(qiáng)化裝置間協(xié)調(diào)等途徑優(yōu)化裝置操作，確保能量高效利用。