基于Aspen Plus的柴油加氫裝置燃料氣能耗優(yōu)化

郭雅靜，徐善君

（中國石油烏魯木齊石化公司，新疆 烏魯木齊 830000）

柴油加氫是高溫、高壓、耗氫的反應(yīng)過程，需要消耗較多的能量［1］。目前，隨著產(chǎn)品指標(biāo)要求嚴(yán)格，對(duì)物料反應(yīng)的苛刻度增加，導(dǎo)致加氫裝置反應(yīng)爐消耗燃料上升，因此對(duì)加氫裝置節(jié)能降耗的要求越來越高，相關(guān)研究也隨之增加。但是針對(duì)降低占比最大的燃料氣消耗［2］的研究仍然較少。

文中利用Aspen Plus 軟件，以180×104t/a 柴油加氫裝置為原型建立模型，分別對(duì)反應(yīng)和分餾部分的工藝流程進(jìn)行模擬優(yōu)化，對(duì)熱量進(jìn)行合理的分配，在生產(chǎn)低硫高質(zhì)量柴油的同時(shí)，降低裝置燃料氣能耗，提高裝置用能水平，減少碳排放。

1 建立模型

Aspen Plus 是1 款可用于工藝流程優(yōu)化的軟件，能夠通過模擬改進(jìn)煉油流程。文中利用Aspen Plus 分別建立某煉油廠180×104t/a 柴油加氫裝置反應(yīng)系統(tǒng)和分餾系統(tǒng)的模型。

在反應(yīng)系統(tǒng)中，劣質(zhì)汽柴油原料與1.90 MPa的H2混合，通過反應(yīng)加熱爐加熱到329.0 ℃，在催化劑作用下，將原料中含S、O、N 等元素的化合物轉(zhuǎn)化成易脫除的H2S、NH3和H2O，同時(shí)使烯烴、多環(huán)芳烴飽和；原料經(jīng)以上處理后，通過分離器脫除部分輕組分，改善的油品最終進(jìn)入分餾系統(tǒng)［3］。

分餾系統(tǒng)是通過分餾塔和汽提塔一起進(jìn)行的。從反應(yīng)系統(tǒng)來低分油進(jìn)入脫H2S 汽提塔（C201）第3 層塔盤，塔底通入中壓蒸汽，塔頂油氣經(jīng)脫H2S塔頂氣→低溫?zé)崴畵Q熱器、汽提塔頂空冷器、汽提塔頂水冷器冷卻，進(jìn)入汽提塔頂回流罐進(jìn)行氣、油、水分離，閃蒸出的氣體送至下游裝置。油相經(jīng)汽提塔頂回流泵升壓后1 部分作為塔頂回流，另1部分送至下游裝置。

脫H2S 汽提塔底流出的汽提塔底油經(jīng)汽提塔底油→精制柴油換熱器和精制柴油換熱后進(jìn)入產(chǎn)品分餾塔的第22 層塔盤，塔頂油氣經(jīng)分餾塔頂氣→低溫?zé)崴畵Q熱器、分餾塔頂空冷器、分餾塔頂冷卻器冷卻，進(jìn)入分餾塔頂回流罐進(jìn)行油、水分離。油相經(jīng)分餾塔頂回流泵升壓后部分作為塔頂回流，部分作為石腦油產(chǎn)品經(jīng)石腦油冷卻器冷卻后送至重整裝置。產(chǎn)品分餾塔底流出的精制柴油部分經(jīng)分餾塔底重沸爐泵升壓后進(jìn)入分餾塔底重沸爐加熱后回流至產(chǎn)品分餾塔底部，部分柴油經(jīng)精制柴油泵升壓，冷卻后送出裝置。

1.1 反應(yīng)系統(tǒng)模型

以某煉油廠180×104t/a柴油加氫裝置為原型構(gòu)建的反應(yīng)系統(tǒng)Aspen模型，見圖1。

圖1 180×104 t/a柴油加氫裝置反應(yīng)系統(tǒng)模型

模擬結(jié)果中的部分關(guān)鍵參數(shù)與實(shí)際工況數(shù)據(jù)對(duì)比見表1。

表1 部分關(guān)鍵參數(shù)與實(shí)際工況數(shù)據(jù)對(duì)比

可以看出，模擬所得各部分溫度、壓力等與實(shí)際工況基本相符，說明模型較為準(zhǔn)確，能夠反映裝置實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行狀況，可進(jìn)行下一步的優(yōu)化模擬。

1.2 分餾系統(tǒng)模型

以該柴油加氫裝置為原型構(gòu)建了分餾系統(tǒng)Aspen模型，見圖2。在分餾系統(tǒng)的流程中，分餾塔需要大量的熱量，燃料氣也會(huì)過多消耗。

圖2 180×104 t/a柴油加氫裝置分餾系統(tǒng)模型

利用該裝置分餾系統(tǒng)的實(shí)際工況數(shù)據(jù)作為模擬計(jì)算條件，采用由精制柴油、石腦油、輕烴、酸性氣混合成1股物流作為系統(tǒng)進(jìn)料。柴油、石腦油分析數(shù)據(jù)，酸性氣、輕烴的組成見表2、3。

表2 精制柴油、石腦油分析數(shù)據(jù)

表3 酸性氣、輕烴的組成

模擬結(jié)果中的部分關(guān)鍵參數(shù)與實(shí)際工況數(shù)據(jù)對(duì)比見表4。

表4 關(guān)鍵參數(shù)與實(shí)際工況數(shù)據(jù)對(duì)比

由表4可以看出，模擬所得各部分溫度、壓力、產(chǎn)品質(zhì)量和各物流抽出量與實(shí)際工況基本相符，說明模型較為準(zhǔn)確，能夠反映裝置實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行狀況，可進(jìn)行下一步的優(yōu)化模擬。

1.3 精制柴油換熱流程

分餾系統(tǒng)的產(chǎn)品精制柴油經(jīng)過E201、G201、E202、E203、E209 冷卻后送出裝置。若嘗試通過分餾塔進(jìn)料溫度調(diào)節(jié)燃料氣的消耗，會(huì)對(duì)精制柴油的換熱流程產(chǎn)生影響。

因此，為了強(qiáng)化精制柴油的熱量回收，構(gòu)建的精制柴油的換熱模型見圖3。對(duì)應(yīng)的換熱物流工藝參數(shù)及換熱器負(fù)荷見圖4。

圖3 180×104 t/a柴油加氫裝置分餾系統(tǒng)模型

圖4 精制柴油換熱流程

可以看出，精制柴油先與溫度最高的汽提塔底油換熱，然后再與溫度較高的除氧水和原料油換熱，最后與溫度最低的低溫?zé)崴c循環(huán)水換熱。該流程符合熱量梯級(jí)利用原理。

2 反應(yīng)系統(tǒng)燃料氣能耗優(yōu)化

目前，180×104t/a 柴油加氫裝置的燃料氣的消耗主要是加熱爐F101和F201，其中F101給反應(yīng)器提供熱源，F(xiàn)201 為分餾塔塔底提供熱源。目前反應(yīng)器加熱爐F101 瓦斯消耗量維持在330.0～380.0 m3/h（標(biāo)準(zhǔn)）。設(shè)計(jì)時(shí)，F(xiàn)101 計(jì)劃僅在開工時(shí)升溫使用，正常運(yùn)行時(shí)可不使用。F101 瓦斯用量的增加原因有2 個(gè)。（1）催化劑活性下降，為確保產(chǎn)品質(zhì)量，將反應(yīng)器入口溫度提高；（2）裝置反應(yīng)熱量未被充分利用，爐前高壓換熱器E101 換熱不充分，也導(dǎo)致F101能耗增加。

2.1 E101殼程副線流量對(duì)F101能耗的影響

混合進(jìn)料先進(jìn)入換熱器（E-101）換熱后，進(jìn)入反應(yīng)進(jìn)料加熱爐（F-101）加熱，再進(jìn)入加氫精制反應(yīng)器（R-101），因此，嘗試通過調(diào)節(jié)E101 殼程副線流量以提高F101入口溫度來降低反應(yīng)系統(tǒng)燃料氣消耗量。

在保持F101 出口溫度為338.0 ℃不變的情況下，通過調(diào)節(jié)E101 殼程副線流量以提高F101 入口溫度，從而節(jié)省燃料氣消耗量。其中，橫坐標(biāo)為E101 殼程副線流量，縱坐標(biāo)為F101 燃料氣消耗量，具體結(jié)果見表5和圖5。

表5 E101殼程副線流量對(duì)F101燃料氣流量和管程出口溫度的影響

圖5 E101殼程副線流量對(duì)F101燃料氣流量以及入口溫度的影響

從圖5 中可以看出，隨著E101 殼程副線流量減少，F(xiàn)101 入口溫度逐漸增加，加熱爐的燃料氣消耗量逐漸降低，可節(jié)省燃料氣394.6 m3/h。因此，適當(dāng)降低E101殼程副線流量有利于降低加熱爐燃料氣的消耗。

不同殼程副線流量情況下，對(duì)E101 的負(fù)荷與管程出口溫度進(jìn)行了研究，結(jié)果見圖6。

圖6 E101殼程副線流量對(duì)E101負(fù)荷的影響

由圖6 可以看出，降低E101 殼程副線流量，F(xiàn)101 入口溫度增加，燃料氣消耗降低。但是隨著E101 殼程副線流量減少，E101 負(fù)荷增加，而管程出口溫度下降。如此會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱設(shè)備E101負(fù)荷增加，要增加E101 的投資，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致E101 管程出口溫度，即D103入口溫度降低，會(huì)對(duì)后續(xù)設(shè)備造成影響，如溫度過低會(huì)導(dǎo)致銨鹽結(jié)晶，空冷管束堵塞。所以需要以綜合效益最大化為目標(biāo)，綜合權(quán)衡2方面因素。

2.2 經(jīng)濟(jì)效益

前文模擬結(jié)果表明，在理想情況下，將E101殼程副線流量設(shè)置為37 t/h時(shí)，E101管程出口溫度為203.5 ℃，E101 殼程出口溫度，即F101 入口溫度可達(dá)到337.9 ℃。

在此條件下，如果停用F101，也能夠滿足反應(yīng)器R101 入口溫度要求。目前，F(xiàn)101 燃料氣消耗量為300.0 m3/h，如果停用F101，可以節(jié)省燃料氣的費(fèi)用為：300.0 m3/h×1.5 ￥/kg×24 h×365 d=394.2×104元/a。

3 分餾系統(tǒng)

分餾系統(tǒng)中，精制柴油是重要的高溫?zé)嵩?，將其與汽提塔底油進(jìn)行換熱（E201），來提高分餾塔進(jìn)料溫度，降低能耗，但是由于溫差較大，其能量損耗也較大；同時(shí)，分餾塔進(jìn)料溫度低，塔底需要重沸爐（F201）提供大量熱量，消耗較多燃料氣。因此，該裝置分餾系統(tǒng)可以通過調(diào)節(jié)C202 進(jìn)料溫度來降低能耗，提高效率。

3.1 分餾塔進(jìn)料溫度對(duì)重沸爐負(fù)荷的影響

分餾塔的作用是切割石腦油和柴油，保證柴油質(zhì)量。

首先，在保持分餾塔塔底回流不變的情況下，通過調(diào)節(jié)分餾塔進(jìn)料溫度以討論其對(duì)F201熱負(fù)荷的影響。結(jié)果見表6。根據(jù)表6 制得圖7，橫坐標(biāo)為溫度，縱坐標(biāo)為F201負(fù)荷及燃料氣流量。

表6 分餾塔進(jìn)料溫度對(duì)重沸爐負(fù)荷的影響

圖7 分餾塔C202進(jìn)料溫度對(duì)F201的影響

由圖7 可以看出，隨著分餾塔進(jìn)料溫度由225.0 ℃提高到235.0 ℃，重沸爐的負(fù)荷逐漸降低，可節(jié)省燃料氣51.4 kg/h。因此，適當(dāng)提高分餾塔入口溫度有利于降低分餾塔塔底加熱爐燃料氣的消耗。目前，提高C202 進(jìn)料溫度的方法之一是調(diào)節(jié)E201的副線。

將E201 的副線TIC20703 關(guān)小，則進(jìn)行換熱的汽提塔底油增多，未進(jìn)行換熱的溫度低的汽提塔底油減少，C202進(jìn)料溫度提高，流程見圖8。

圖8 180×104 t/a柴油加氫裝置分餾系統(tǒng)流程

不同進(jìn)料溫度下，對(duì)E201 的負(fù)荷與管殼程溫差進(jìn)行研究，結(jié)果見圖9。

圖9 分餾塔C202進(jìn)料溫度對(duì)F201與E201負(fù)荷的影響

從圖9 可以看出，隨著進(jìn)料溫度的增加，E201負(fù)荷也增加。提升分餾塔進(jìn)料溫度，分餾塔底重沸爐負(fù)荷降低、燃料氣用量降低，降低能耗。將F201 與F201 負(fù)荷進(jìn)行比較，若僅從F201 與E201負(fù)荷的角度來看，229 ℃是C202最佳進(jìn)料溫度。

然而提高進(jìn)料溫度要增加換熱設(shè)備E201的投資［4］，同時(shí)過高的進(jìn)料溫度也會(huì)導(dǎo)致精制柴油收率降低。因此需要以綜合效益最大化為目標(biāo)，綜合權(quán)衡2方面因素。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

以上模擬結(jié)果表明，提高C202進(jìn)料溫度，能夠降低F201 燃料氣用量，但是提高C202 進(jìn)料是通過提高E201負(fù)荷實(shí)現(xiàn)的。

提高E201 負(fù)荷會(huì)對(duì)設(shè)備造成影響，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致E201 管程側(cè)精制柴油溫度降低，會(huì)對(duì)后續(xù)G201 的換熱效果產(chǎn)生影響，導(dǎo)致G201 低壓蒸汽發(fā)汽量降低，造成損失。在計(jì)算經(jīng)濟(jì)效益時(shí)需將此部分納入。

因此，將G201負(fù)荷固定，研究分餾塔進(jìn)料溫度對(duì)G201發(fā)汽量的影響，模擬結(jié)果見表7。

表7 分餾塔進(jìn)料溫度對(duì)E201負(fù)荷的影響

根據(jù)模擬結(jié)果可以看出，進(jìn)料溫度對(duì)G201 發(fā)汽量的影響可近似看做1次函數(shù)，進(jìn)料溫度每上升1.0 ℃，發(fā)汽量下降0.066 t/h。

分餾塔進(jìn)料溫度對(duì)重沸爐燃料氣的用量也可看做1次函數(shù)，進(jìn)料溫度每上升1.0 ℃，燃料氣用量下降5.14 kg/h。

因此，進(jìn)料溫度每上升1.0 ℃，可節(jié)省費(fèi)用為：5.14 kg×1.5 元/kg-0.066 t×（110 元/t -9 元/t）=1.05 元/h。

目前C202 進(jìn)料溫度為224.0 ℃，若上升到模擬出的最佳溫度229.0 ℃，可節(jié)省費(fèi)用4.2 元/h，可節(jié)約成本：4.2×365×24=3.68×104元/a。

4 結(jié)束語

（1）利用Aspen Plus 軟件分別建立某煉油廠180×104t/a 柴油加氫裝置反應(yīng)系統(tǒng)和分餾系統(tǒng)。結(jié)果表明，模擬值與實(shí)際值基本一致，能夠代表裝置的實(shí)際運(yùn)行狀況，可以進(jìn)行后續(xù)的模擬與優(yōu)化。

（2）對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)的優(yōu)化模擬表明，在理想情況下，將E101 殼程副線流量設(shè)置為37.0 t/h 時(shí)，F(xiàn)101入口溫度可達(dá)到337.9 ℃。此條件下，如果停用F101，也滿足反應(yīng)器R101 入口溫度要求?？晒?jié)省燃料氣的費(fèi)用為394.2×104元/a。

（3）對(duì)分餾系統(tǒng)的優(yōu)化模擬表明，提高C202進(jìn)料溫度至模擬出的最佳溫度229.0 ℃，能夠降低F201 燃料氣用量，但是會(huì)使E201 負(fù)荷升高，會(huì)對(duì)設(shè)備造成影響，同時(shí)也會(huì)對(duì)精制柴油后續(xù)換熱效果產(chǎn)生影響，如導(dǎo)致G201低壓蒸汽發(fā)汽量降低。