加氫裂化裝置的能耗分析及節(jié)能優(yōu)化措施

楊靚，易志

（中韓（武漢）石油化工有限公司，湖北武漢 430000）

1 裝置概況

某石化公司180萬t/a加氫裂化裝置由SEI總體設計，中國石化工程建設四公司承建，采用一段串聯(lián)一次通過的加氫裂化工藝。反應部分為國內(nèi)成熟的爐前混氫方案，其中分餾部分為硫化氫汽提塔＋常壓塔出柴油方案；吸收穩(wěn)定部分采用混合石腦油作吸收劑；脫硫部分采用MDEA作脫硫劑，對液化氣和低分氣進行脫硫，并設有溶劑再生系統(tǒng)；低分氣氫提濃部分采用變壓吸附PSA方案。裝置以輕蠟油為原料，生產(chǎn)重石腦油、航煤、柴油、液化氣、輕石腦油和加氫尾油。

2013年6月裝置一次開車成功，在2016年4月裝置停工檢修期間，將R-6102裂化反應器第四床層更換為FC-80新劑。該文以企業(yè)180萬t/a加氫裂化裝置能耗數(shù)據(jù)為基礎，采用三環(huán)節(jié)理論模型對裝置的用能過程進行深入分析，提出裝置節(jié)能優(yōu)化方向，制訂切實可行的優(yōu)化措施，并對優(yōu)化后的節(jié)能效果及各項技術經(jīng)濟指標進行分析。

2 過程用能分析三環(huán)節(jié)模型

加氫裂化反應過程高溫、高壓、臨氫，進料和氫氣需加熱升溫、升壓，消耗大量的燃料和動力，是煉油廠能耗較大的裝置之一。同任何一個煉油生產(chǎn)過程一樣，加氫裂化裝置系統(tǒng)用能可以歸納為能量的轉換和傳輸、能量工藝利用、能量回收三個環(huán)節(jié)，如圖1所示[1]。

圖1 用能三環(huán)節(jié)分析模型

按照設備用能特點，可對加氫裂化裝置進行三環(huán)節(jié)劃分。

2.1 轉換和傳輸環(huán)節(jié)

進入該體系的總能量EP包括燃料化學能和部分電能等。通過反應進料加熱爐（F6101）、分餾加熱爐（F6201）、新氫/循環(huán)氫壓縮機（K6101、K6102）和反應進料泵（P6102）等設備轉換，EP中的一部分以熱能和機械能的形式提供工藝過程所需要的能量EU，還可直接輸出一部分能量EB如背壓蒸汽，同時不可避免地有一部分提供能量EW通過散熱及排煙直接損失掉。

2.2 工藝利用環(huán)節(jié)

工藝利用是用能過程的核心，進入該環(huán)節(jié)的能量除了轉換和傳輸環(huán)節(jié)有效供入的能量EU外，還有回收環(huán)節(jié)回收的能量ER。在這一環(huán)節(jié)中，熱力學能耗ET（產(chǎn)品帶出與原料帶入能量之差）不能回收，其余部分則有可能回收，稱為待回收能量EO。

2.3 回收環(huán)節(jié)

此處回收的能量有兩部分，一是用于本裝置工藝利用環(huán)節(jié)的能量，即回收循環(huán)能ER；另一部分是用于本裝置以外的能量，即回收輸出能EE，未回收的能量則以散熱、冷卻、物流排棄等方式進入周圍環(huán)境，即排棄能量EJ。

3 能耗組成

加氫裂化裝置的設計能耗為32.53 kgEO/t原料，2014年裝置能耗為23.36 kgEO/t原料，集團排名第8。為提高經(jīng)濟效益，通過對能耗構成進行分析并進行相應技術改造、優(yōu)化操作，裝置能耗逐漸降低，2019年已降至17.38 kgEO/t原料，相應排名上升至第2位。2014―2019年的裝置能耗趨勢見圖2。

圖2 2014—2019年加氫裂化裝置能耗趨勢

表1列出了2014-2019年裝置各項單耗的對比情況。從表1可以看出能耗組成中，電耗、燃料氣單耗和蒸汽綜合能耗占94%～97%。因此對于加氫裂化裝置來說，能耗分析及節(jié)能措施的制定也應該圍繞燃料氣、電、蒸汽等因素進行。

表1 加氫裂化裝置能耗變化 kgEO/t原料

4 能耗分析及節(jié)能優(yōu)化方向

以降低影響加氫裂化裝置能耗的主要影響因素——電、燃料氣、蒸汽等的消耗為目標，依據(jù)過程系統(tǒng)用能模型進行能耗分析，得出每個環(huán)節(jié)的節(jié)能優(yōu)化方向。

4.1 能量的轉換和傳輸環(huán)節(jié)

電耗是影響裝置能耗的最主要因素，其中新氫壓縮機、反應進料泵是裝置主要的耗電設備。影響電耗的主要因素一方面取決于用電設備的數(shù)量及效率，另一方面壓縮機賀爾碧格控制系統(tǒng)和液力透平的運行狀況對電耗有較大影響。影響裝置能耗的第二大因素是燃料氣消耗量，主要有反應加熱爐燃料氣、分餾進料加熱爐燃料氣。

優(yōu)化方向：提高加熱爐熱效率；提高機泵效率，保證機泵在高效的工作區(qū)內(nèi)運行；保證壓縮機賀爾碧格控制系統(tǒng)和液力透平的長周期運行。

4.2 能量的工藝利用環(huán)節(jié)

根據(jù)裝置工藝構成，主要用能設備是兩臺反應器、汽提和主分餾塔、高低壓分離器及其它容器。反應設備的能耗主要取決于3.5 MPa蒸汽的消耗量；汽提和主分餾塔的能耗則取決于1.0 MPa汽提蒸汽的消耗量。

降低反應設備的能耗，其關鍵在于降低反應系統(tǒng)壓降、降低循環(huán)氫量、提高裂化反應器出口溫度；而采用低床層壓降的催化劑、保證合適的氫油比、提高裂化反應器出口溫度是主要手段。在節(jié)能優(yōu)化方向上采用低床層壓降的催化劑，可以降低反應系統(tǒng)的壓力損耗，從而降低循環(huán)氫壓縮機的蒸汽消耗；降低氫油比使循環(huán)氫壓縮機的蒸汽用量減少，同時降低加熱爐熱負荷和燃料消耗；提高裂化反應器出口溫度可以提高反應加熱爐的入口溫度，減少燃料消耗。

優(yōu)化方向：在滿足產(chǎn)品質量的前提下，可以降低塔底的汽提蒸汽量，以減少1.0 MPa蒸汽的消耗。

4.3 能量的回收環(huán)節(jié)

從能耗模型可知，工藝總用能包括有效利用能和回收循環(huán)能，因此提高能量的回收利用率是降低裝置能耗的關鍵?；厥占託淞鸦b置低溫熱，進料采用熱進料，利用分餾塔中段回流產(chǎn)生低壓蒸汽，都能有效降低裝置能耗。

優(yōu)化方向：提高熱進料溫度、回收裝置凝結水的熱量、提高汽包的產(chǎn)汽量、回收裝置的低溫熱；還應加強高溫部位的保溫，減少散熱排棄。

5 節(jié)能措施與效果

5.1 能量的轉換和傳輸環(huán)節(jié)

5.1.1 對部分機泵葉輪進行切削

在實際生產(chǎn)中，發(fā)現(xiàn)部分機泵余量較大，如尾油泵、二中回流泵等，因而對有余量的泵進行了葉輪切削，在機泵運轉正常情況下電流下降，進而達到節(jié)電目的。2015―2018年共對7臺機泵進行了切削，見表2?？梢钥闯觯~輪切削后每小時可節(jié)約電90千瓦左右。

表2 葉輪切削前后節(jié)電情況

5.1.1 提高加熱爐熱效率

為提高加熱爐熱效率，采取了以下措施：定期清理加熱爐火嘴及長明燈，調(diào)整配風量，保證火嘴燃燒狀況良好；加強氧化鋯的維護和管理，嚴格控制氧含量和爐膛負壓，本裝置的氧含量控制在2.0%～2.5%；搞好余熱回收，降低排煙溫度，本裝置的排煙溫度控制在120～125℃。

目前，加氫裂化裝置加熱爐F-6101、F-6201熱效率在93.5%以上，說明裝置能很好的利用燃料氣。

5.1.1 加強節(jié)電管理，杜絕浪費

在生產(chǎn)管理中，從以下幾個方面來完善節(jié)電管理：1）加強變頻空冷的巡檢，保證其正常運行，夜晚溫度較低時盡量停用部分空冷電機；2）加強對K-6101/A及其賀爾碧格系統(tǒng)的巡檢，以保證其正常運行，從而達到減少裝置電耗的目的；3）控制液力透平工藝介質參數(shù)，保證液力透平最大量通過，并且延長運行時間。

5.2 能量的工藝利用環(huán)節(jié)

5.2.1 裂化反應器第四床層更換使用FC-80催化劑

2016年4月檢修后，裝置裂化反應器R-6102第四床層更換使用FC-80催化劑。由于FC-80的裂化性能較FC-32偏低，因此可在四床層溫升相同的前提下，提高四床層的入口溫度，從而增加裂化反應器的出口溫度；在降低四床層的冷氫消耗的同時，通過提高反應器的出口溫度以增加混氫油進反應加熱爐的溫度，減少瓦斯的消耗。由表3可見，在四床層溫升均為12℃的前提下，本周期四床層的入口溫度上升了2.2℃，反應器的出口溫度上升了2.1℃，四床層的冷氫消耗減少了約1 200 Nm3/h，反應加熱爐入口溫度增加了2℃，瓦斯的消耗減少了約190 Nm3/h。

表3 催化劑更換前后工藝條件對比

5.2.2 控制合理的氫油比，降低3.5 MPa蒸汽消耗

氫油比同樣是影響加氫裂化工藝的重要參數(shù)，它影響加氫裂化的反應過程，影響催化劑的壽命，但過高的氫油比將增加裝置的操作費用[2]。因此控制合適的氫油比對反應器的用能影響較大。加氫裂化裝置氫油比的工藝卡片為不小于700，從表4可以看出，氫油比越高，汽輪機消耗3.5 MPa蒸汽量越大。因此在滿足生產(chǎn)需要的情況下，根據(jù)處理量的變化及時調(diào)整循環(huán)氫壓縮機轉速，將裝置氫油比控制在710～750。通過對精制反應器的入口氫油比的卡邊操作，可以降低汽輪機動力3.5 MPa蒸汽的消耗2～3 t/h。同時，也能降低加熱爐的熱負荷、燃料消耗以及風冷器的電耗。

表4 氫油比與汽輪機蒸汽消耗對照

5.2.3 降低汽提蒸汽量

加氫裂化裝置在滿足產(chǎn)品質量的前提條件下，降低了脫硫化氫汽提塔和主分餾塔的汽提蒸汽量，目前汽提蒸汽總量為3.2 t/h，比設計值4.5 t/h減少了1.3 t/h，每年可相應節(jié)約135萬元。

5.3 能量的回收環(huán)節(jié)

5.3.1 優(yōu)化進料結構，提高進料溫度

加氫裂化裝置分三路進料，分別是減壓蠟油（VGO）、催化柴油、罐區(qū)來冷蠟。其中，VGO、催化柴油為熱供料，進料溫度均在100℃以上；罐區(qū)來冷蠟為冷供料，進料溫度低于70℃。經(jīng)過長時間摸索及與上游裝置的持續(xù)溝通，加氫裂化裝置將罐區(qū)冷蠟占進料比例從40%降至20%以內(nèi)；VGO進料比例從50%提高至70%以上。加氫裂化裝置進料結構優(yōu)化后，有效地利用了上游裝置的富余熱量，混合進料溫度從原來的100℃提高至115℃。

5.3.2 改造工藝流程，回收裝置凝結水的熱量

車間對原有工藝流程進行改造，新增一臺換熱器E-6309，將裝置的0.35 MPa蒸汽凝結水用于給干氣提濃裝置的富乙烯產(chǎn)品氣加熱。同時車間將加氫裂化、2#制氫及干氣提濃等3套裝置的凝結水回用，經(jīng)凝結水冷卻器E-6307后引至反應注水罐D-6111，具體流程見圖3。

圖3 加氫裂化裝置工藝流程改造

表5列出了裝置流程改造前后工藝條件的變化情況。新增E-6309后，富乙烯氣出裝置溫度從30℃提高到了100℃，利于向乙烯進行輸送，同時E-6307每小時可以減少60噸循環(huán)水的消耗；新增3套裝置的凝結水回用流程，則每小時可以節(jié)約除鹽水用量5噸。

表5 流程改造前后工藝條件對比

5.3.3 調(diào)整分餾塔中段回流，優(yōu)化取熱操作

該裝置分餾塔設計有兩個中段回流，一中回流、二中回流及煤油出裝置前設置蒸汽發(fā)生器，用來回收熱量，降低裝置能耗。換熱產(chǎn)汽流程見圖4。

圖4 分餾塔回流換熱產(chǎn)汽流程

在生產(chǎn)過程中，因為尾油生產(chǎn)量的不斷降低，分餾塔中上部氣相負荷增加較多。在滿足各產(chǎn)品切割精度的前提下，通過對分餾塔進行優(yōu)化調(diào)整，盡量提高一中回流、二中回流的負荷，降低頂回流的負荷，以降低分餾塔頂空冷的冷卻負荷，同時增加蒸汽發(fā)生器的產(chǎn)汽量。具體調(diào)整效果見表6。

表6 分餾塔優(yōu)化調(diào)整前后主要參數(shù)對比

調(diào)整后分餾塔頂空冷停用一臺，每小時可節(jié)電40千瓦左右；而蒸汽發(fā)生器的產(chǎn)汽量共增加了5 t/h，每年可節(jié)約費用約520萬元。

5.3.4 優(yōu)化低溫熱利用，減少熱量損失

裝置共有4臺低溫熱除鹽水換熱器，分別利用出裝置的煤油、柴油、尾油及重石腦油來給除鹽水加熱。通過對四路除鹽水的入口溫度和流量控制，盡量使除鹽水多取熱，合理利用低溫熱。同時控制產(chǎn)品出裝置溫度卡上限操作，詳見表7，減少各產(chǎn)品空冷器的負荷，達到節(jié)電效果。通過調(diào)整，停用了三臺空冷風機，每小時節(jié)電25千瓦左右。

表7 產(chǎn)品出裝置溫度控制 ℃

6 節(jié)能效果及技術經(jīng)濟指標

6.1 節(jié)能效果

①混合熱進料溫度由100℃升至115℃，提高了15℃。

②反應加熱爐入口溫度從346℃升至348℃，提高了2℃。

6.2 技術經(jīng)濟指標

經(jīng)過上述優(yōu)化，裝置能耗明顯降低，2019年綜合能耗為17.38 kgEO/t，可產(chǎn)生經(jīng)濟效益約1 872萬元/年，詳見表8。可以看出，裝置經(jīng)過節(jié)能優(yōu)化后，電耗減少了0.92 kgEO/t原料，燃料氣消耗減少了1.46 kgEO/t原料，蒸汽綜合消耗減少了2.44 kgEO/t原料。

表8 節(jié)能措施效果匯總

7 總結

該文針對某石化企業(yè)180萬t/a加氫裂化裝置能耗進行了分析和研究，采用三環(huán)節(jié)理論模型對該裝置用能過程進行了深入分析，圍繞如何降低加氫裂化裝置能耗主要影響因素即電、燃料氣、蒸汽等項目的消耗，指出加氫裂化裝置節(jié)能方向，并提出切實可行的措施。相應措施被采納一段時間后，裝置的綜合能耗明顯降低。2019年裝置的綜合能耗為17.38 kgEO/t原料，可以增加效益約1 872萬元/年。