催化裂解裝置能耗分析及節(jié)能措施

路軍曉(中海油東方石化有限責(zé)任公司，海南 東方 572600)

0 引言

催化裂解裝置指的是，在催化劑作用下，通過高溫裂解石油烴類的方式，獲取丁烯、丙烯、乙烯、輕質(zhì)芳烴等物質(zhì)的一種石油煉化設(shè)備裝置。與常規(guī)的裝置相比，催化裂解裝置可減低反應(yīng)的溫度，提高低碳烯烴、芳香烴的產(chǎn)率，增強產(chǎn)品分布靈活性。然而催化裂解裝置的能耗較高，怎樣在技術(shù)改造中保證產(chǎn)品產(chǎn)率不降低，通過優(yōu)化參數(shù)等方式，挖掘裝置的節(jié)能潛力，促進節(jié)能降排，提高設(shè)備的生產(chǎn)效能，已成為當(dāng)下研究的重要內(nèi)容之一。

1 催化裂解裝置能耗情況分析

1.1 能耗現(xiàn)狀介紹

中海油某公司催化裂解裝置應(yīng)用了中石化研究院的DCC-plus技術(shù)，以常壓渣油為原料，以丙烯、乙烯為目標產(chǎn)品，是國內(nèi)最大的催化裂解裝置裝置。此裝置在2014年2月18日成功開車，且在持續(xù)優(yōu)化、調(diào)整的條件下，其乙烯收率、丙烯收率均有所提升。與常規(guī)的催化裂化相比較，該催化裂解裝置反應(yīng)溫度較高、反應(yīng)壓力和床層空速較低、注汽量較多，反應(yīng)熱可至常規(guī)的2～3倍。然而，催化裂解裝置能耗可至97.88 kg EO/t，在全廠能耗中占比最大，與常規(guī)裝置相比更高。鑒于此，從實際情況出發(fā)，綜合分析裝置能耗，探討節(jié)能降耗措施，是實現(xiàn)低碳生產(chǎn)的有效手段[1]。

1.2 催化裂解裝置能耗的主要原因

1.2.1 燒焦的原因

(1)霧化效果降低。由于催化裂解裝置選擇的霧化噴嘴型號不夠合理，以及噴嘴使用壽命達到了上限值，降低噴嘴工況，加之循環(huán)系統(tǒng)有結(jié)垢，油漿、原料油的換熱器不能正常運行，預(yù)熱溫度僅可至175 ℃，和220 ℃設(shè)計值相差較遠，從而降低了霧化的效果，增加了生焦量；

(2)床層料位的控制較大。因受催化裂解裝置制約作用，其處理能力僅為80%～90%，為保證正常供應(yīng)乙烯原料，而使得床層料位增加，相應(yīng)增加了生焦量。

1.2.2 蒸汽用量減少

(1)蒸汽用量減少。催化裂解裝置應(yīng)用背壓式的氣壓機，壓力入口值50 kPa，在塔頂循環(huán)取熱負荷下，通過減小冷回流等相關(guān)措施，降低油氣系統(tǒng)的冷凝負荷，提高入口壓力的值，直至60 kPa，在保證出口壓力沒有改變的基礎(chǔ)上，將氣壓機的轉(zhuǎn)速從4 408 r/min降為3 980 r/min，蒸汽用量從115.4 t/h降為102.0 t/h；

(2)蒸汽流量有所增加。催化裂解裝置的燒焦量有明顯上升，增加了系統(tǒng)的內(nèi)熱能，進而增加了余熱鍋爐、油漿等產(chǎn)汽量。

1.2.3 在用電和用水方面

(1)煙機運行同步率提高。通過加強維護、規(guī)范煙機開停車等工作，能降低煙機故障率，將其運行同步率提高，為節(jié)電提供了保障；

(2)低負荷的機泵停運。催化裂解裝置柴油系統(tǒng)有封油泵、貧吸收油泵和輕柴油泵，運行狀態(tài)均為低負荷，以原有流程為基礎(chǔ)對工藝流程進行優(yōu)化，可停運貧吸收油泵、封油泵；

(3)冷卻器水線速循環(huán)調(diào)整。催化裂解裝置冷卻器應(yīng)用八臺四組并聯(lián)的方式，因存在偏流的現(xiàn)象，且冷卻器溫差不一致，調(diào)節(jié)水流量循環(huán)的難度極大。因此，為保證穩(wěn)定塔操作的平穩(wěn)性，預(yù)防冷卻器管結(jié)垢，往往采用較高線速的循環(huán)水，而加大了循環(huán)水的能耗[2]。

2 催化裂解裝置能耗的節(jié)能措施

2.1 進一步優(yōu)化反應(yīng)操作

催化裂解裝置應(yīng)用提升管、床層反應(yīng)技術(shù)，操作條件較苛刻，以此加強重質(zhì)原料一次裂化、生成汽油餾二次裂化。同時，催化裂解裝置應(yīng)用了輕汽油的循環(huán)裂化、C4餾分技術(shù)，以此提升目標產(chǎn)品乙烯、丙烯收率，但在此過程中也增加了生焦量，對反應(yīng)熱的需求更大，其生焦量在8.8%～9.8%左右，在衡算反再熱量后，裂解反應(yīng)所需的熱量為60 MW，在再生燒焦的放熱能量中約占25%。鑒于此，催化裂解裝置可控制脫氫反應(yīng)、非理想的熱裂化等方式，來降低生焦、反應(yīng)熱。

(1)增加二反熱催化劑的循環(huán)量。在第二提升管的輸送作用下，將高活性、高溫的催化劑輸送到反應(yīng)器，在確保汽油餾分二次裂解需要高活性、高溫催化劑的同時，降低反應(yīng)器溫度，精準控制提升管、床層反應(yīng)器溫度，發(fā)揮DCC優(yōu)勢來提升丙烯收率、降低生焦。通過優(yōu)化DCC裝置可使焦炭的產(chǎn)率下降約2.49%左右；

(2)對原料配比進行優(yōu)化。催化裂解裝置所用原料為常壓渣油，其性質(zhì)會直接影響生焦量，在原料變重的影響下，原料中殘留的氮、硫、炭等重金屬也有所增加，使得產(chǎn)品分布較差，而增加了生焦量。因此，可以原料性質(zhì)為依據(jù)，對原料配比進行及時調(diào)整，尾油、常渣比例一般控制在0.8～1.3左右。通過對原料配比進行調(diào)整、優(yōu)化，可保證原料質(zhì)量與設(shè)計要求相符，從而優(yōu)化產(chǎn)品的分布情況，降低生焦量；

(3)對催化劑的活性進行調(diào)整，以控制好裂化反應(yīng)。MMC-2催化劑能更好地選擇丙烯，焦炭產(chǎn)率更低，可選擇此催化劑。作為裂解反應(yīng)重要媒介，催化劑對產(chǎn)品的分布有重大影響，可通過實際摸索操作，將其活性維持在62～65左右，可在保證裝置產(chǎn)品附加值高的同時，預(yù)防原料裂化過度。在加入鈍化劑時，需遵循中銻相等原則，按照相關(guān)數(shù)值合理調(diào)整[3]。

2.2 增加汽輪機做功效率

催化裂解裝置的壓縮機包括NG50/40汽輪機、2MCL1006壓縮機兩部分，汽輪機在3.5 MPa中壓蒸汽驅(qū)動作用下做功，提供壓縮富氣至穩(wěn)定系統(tǒng)需要的壓力。由于催化裂解的反應(yīng)深度較大，氣體量約高出常規(guī)3～4倍，轉(zhuǎn)化率較高，壓縮機的入口流量在達86 000 Nm3/m時，氣壓機的做功負荷較大，耗汽量可至106 t/h，故此汽輪機是否能良好運行，與耗汽量有著密切關(guān)系，可通過增加汽輪機做功效率改善蒸汽消耗。

(1)對氣壓機的控制方案進行優(yōu)化。催化裂解裝置在運行時，反飛動的調(diào)節(jié)閥、氣壓機的轉(zhuǎn)速控制著反應(yīng)壓力，為預(yù)防氣壓機出現(xiàn)喘振，往往設(shè)有喘振的曲線，且防喘振的曲線具備10%的安全余量。在操作時，若反飛動的調(diào)節(jié)閥開度變大、氣壓機的轉(zhuǎn)速增加時，氣壓機的工作點就會偏離喘振點，雖然增加了安全裕度，但也增加了氣壓機的耗汽量，兩者存在相矛盾的現(xiàn)象。同時，應(yīng)和氣壓機的廠家及時溝通，讓其以氣壓機的實際工況為依據(jù)，重新核算出防喘的振線，盡量全關(guān)調(diào)節(jié)閥，讓氣壓機的轉(zhuǎn)速控制反應(yīng)壓力；

(2)縮小氣壓機的壓縮比。在確保產(chǎn)品質(zhì)量的情況下，催化裂解裝置可增加頂循循環(huán)的量、降低頂循返塔的溫度，以減少冷回流的流量，從而增加入口的壓力，將入口壓力的設(shè)計值定為60 kPa，同時吸收穩(wěn)定系統(tǒng)調(diào)整補充吸收劑的流量以保證吸收的效果；

(3)加大蒸汽品質(zhì)的管控力度。汽輪機的蒸汽品質(zhì)既和汽輪機能否安全運行有關(guān)，也影響著汽輪機的經(jīng)濟性。倘若蒸汽品質(zhì)與要求不符，其中攜帶雜質(zhì)會停留在蒸汽流道內(nèi)而形成結(jié)垢，在流通面積逐漸變小的情況下，會增加汽輪機的壓力，開大調(diào)節(jié)汽閥，降低汽輪機的做功效率，同時蒸汽品質(zhì)差還會造成汽輪機轉(zhuǎn)子出現(xiàn)腐蝕。因此，需嚴格管控爐水品質(zhì)、過熱蒸汽鈉離子含量和鍋爐給水，將SiO2濃度控制在20 μg/L以內(nèi)。在操作時，需平穩(wěn)操作各汽包的壓力、液位，避免超負荷下運行或者大幅度的波動[4]。

2.3 優(yōu)化煙機的運行

催化裂解裝置主風(fēng)機組應(yīng)用的是煙氣輪機、電機聯(lián)合驅(qū)動形式，在三旋分離大部分細粉之后，高溫的煙氣進入煙機作功，對其中的壓力能、熱能進行回收，進而在與電機的驅(qū)動下促進主風(fēng)機正常運轉(zhuǎn)。因此為了延長煙機的運行壽命，提升煙機做功的效率，可對煙機的運行進行優(yōu)化。

(1)提升煙機做功的效率。全開煙機入口的蝶閥，適當(dāng)增加再生的壓力，確保雙動滑閥的開度在3%以內(nèi)，以降低煙氣旁路的損失。在確保兩器流化正常的基礎(chǔ)上，以操作經(jīng)驗為依據(jù)，將再生壓力提升至適合數(shù)值。將燒焦的罐藏量控制在較低范圍，以此降低系統(tǒng)壓力，具體為燒焦的罐藏量140 t，系統(tǒng)壓力155 kPa。以燒焦效果為前提，對主風(fēng)量進行調(diào)節(jié)，并控制剩余氧的體積分數(shù)；

(2)確保煙機可長期運行。煙機結(jié)垢是影響煙機長期運行主要因素，因此需對煙機結(jié)垢進行緩解。首先，對煙機入口的粉塵含量進行密切監(jiān)測，分析三旋細粉、平衡劑組成，掌握旋風(fēng)分離設(shè)備運行的狀況，將粉塵質(zhì)量的濃度控制在200 mg/m3以內(nèi)，10 μm以上催化劑顆?！?%；其次，加大煙機運行管理力度。為防止出現(xiàn)粉塵、泥等結(jié)垢，改善煙機輪盤蒸汽品質(zhì)，輪盤冷后溫度控制320～350 ℃，合理的冷卻蒸汽使用量，確保煙機葉片正常運行；最后，將潤滑油壓控制在穩(wěn)定范圍，以防油膜不穩(wěn)而出現(xiàn)振蕩，造成機組操作波動。

2.4 優(yōu)化分餾塔各中段取熱

在反應(yīng)中生成的過熱高溫油氣，在進分餾塔之后，在其各中段回流以取熱，進而用作穩(wěn)定塔和解吸塔熱源、加熱換熱、原料預(yù)熱和產(chǎn)生蒸汽。在分餾塔操作時，需在確保產(chǎn)品質(zhì)量、收率前提下，最大限度提升高溫位的能量利用率，還需提升低溫位的熱量回收率，從而減少過程損失。另外盡量提高氣壓機入口壓力。

(1)對分餾塔的中段取熱進行優(yōu)化。首先，由一中為汽油分割塔、穩(wěn)定塔提供熱量，實現(xiàn)一中換熱；其次，在原料油換熱作用下實現(xiàn)催化原料預(yù)熱；最后，形成3.5 MPa中壓蒸汽。在控制油漿取熱時，應(yīng)在滿足一中熱量和原料油預(yù)熱的基礎(chǔ)上，多從油漿系統(tǒng)取熱，增產(chǎn)中壓蒸汽，同時盡可能減少冷回流；

(2)對分餾塔的冷回流量實施降低操作。分餾塔溫度通過調(diào)節(jié)冷回流量、循回流的流量來實現(xiàn)。而冷回流為分餾塔頂汽油成分，進到分餾塔的最上層，在傳質(zhì)傳熱作用下，通過氣化返回到管線，增大了油氣管線的壓力、分餾塔頂?shù)睦鋮s負荷。因此，在操作時，在確保產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，需盡可能提高分餾塔頂?shù)难h(huán)回流，從而降低冷回的流量。當(dāng)頂循回流提到520 t /h左右時以至頂循泵最大的負荷，而塔頂溫度僅能在冷回流的溫度下進行調(diào)節(jié)，存在不合理利用能量的現(xiàn)象。鑒于此，可優(yōu)化頂循、熱水換熱的流程，在Aspen模擬運算下，將冷回流量降低，降低塔頂?shù)睦鋮s負荷[5]，節(jié)約循環(huán)水耗量，同時也提高了氣壓機入口壓力。

2.5 其他措施

2.5.1 煙氣能量的回收

在部分操作條件未發(fā)生明顯變化情況之下，如主風(fēng)流量在3 250 Nm3/min，再生器的壓力為155 kPa，雙動滑閥的開度為1%等，煙機裝置入口蝶閥開度較前期會有更大下降幅度，一般會從45%降為41%，此時則可通過煙氣能量的回收，實現(xiàn)節(jié)能的目標。另外，由于催化裂解裝置鍋爐取余熱的負荷較小，當(dāng)處理量為90%、吹灰器工作正常的情況下，最高排煙溫度可達180 ℃，與標準排煙的溫度相比節(jié)能空間還很大，可通過煙氣能量的回收降低能耗。

2.5.2 調(diào)整蒸汽用量

催化裂解裝置的氣壓機流通面積相對較小時，在事故情況下，即使將反飛動的控制閥維持在全開，也無法達到反喘振最小的流量，加之在分餾平臺最高處，反飛動的控制閥不能及時打開副線，因此可將副線開度維持在2扣左右，此時的蒸汽用量可維持102 Nm3/t，此數(shù)值不僅能保證氣壓機運行安全性，而且能避免能量浪費現(xiàn)象。另外，除調(diào)整原料油的霧化蒸汽、汽提蒸汽至正常值之外，剩余的用汽點仍存在優(yōu)化空間，從而減少蒸汽用量。如可優(yōu)化換熱，提高除鹽水進入除氧器溫度，以此降低除氧器蒸汽的用量。

2.5.3 其他輔助措施

(1)減少裝置熱損失。高溫管線、設(shè)備及時包保溫，特別是管線堵漏設(shè)備檢修后，保溫要及時恢復(fù)；

(2)變頻電機的應(yīng)用。裝置中的空冷及機泵在滿足工藝需求的狀態(tài)下，可以充分的推行變頻電機的運用，達到節(jié)約裝置的耗電；

(3)現(xiàn)場管理上臺階，杜絕“跑、冒、滴、漏”的老毛病、低標準現(xiàn)象，設(shè)備管理建立臺賬，規(guī)范管理，降低裝置損耗。

3 結(jié)語

綜上所述，因受到工藝原理制約作用，催化裂解裝置相較常規(guī)裝置存在更大的能耗，因此怎樣降低能耗是實現(xiàn)低碳生產(chǎn)的關(guān)鍵。鑒于此，相關(guān)人員應(yīng)以生產(chǎn)實際情況作為依據(jù)，在不影響產(chǎn)品分布情況的基礎(chǔ)上，采取有效節(jié)能措施，有效調(diào)整相關(guān)參數(shù)，以此優(yōu)化各項操作，從而達到改善能耗、提高節(jié)能的目標，為催化裂解裝置高效運行、安全生產(chǎn)提供有力保障。