70 萬噸/年裂解柴油加氫裝置能耗分析及優(yōu)化方法

張博

（中海石油寧波大榭石化有限公司，浙江 寧波 315800）

0 引言

習(xí)近平總書記在75 屆聯(lián)合國大會(huì)上提出 “中國力爭在2030 年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，在2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，隨之而來的是各省、市也在逐步收緊碳排放權(quán)配額。2021 年7 月16 日，全國碳排放權(quán)交易市場開市，意味著開始引入市場化機(jī)制對碳排放進(jìn)行嚴(yán)格、全面的管控。在此背景之下，各生產(chǎn)企業(yè)通過各項(xiàng)技術(shù)改造來降低裝置的單位能耗以保證更大的產(chǎn)能。

1 裝置概述

1.1 裝置簡介

70 萬噸/年裂解柴油加氫裝置（以下簡稱 “裂柴加氫裝置” ），裝置原料為1# 裂解柴油、2# 裂解柴油、C10 粗芳烴和重芳烴的混合原料。由于裝置原料油氮含量和芳烴含量較高，故采用撫順石油化工研究院開發(fā)的柴油超深度加氫脫硫工藝技術(shù)及配套FHUDS-8 加氫精制催化劑和配套FBN 系列保護(hù)劑，生產(chǎn)硫含量小于10 μg/g 的精制柴油。

此裝置主要流程如圖1 所示，原料油進(jìn)入裝置后由進(jìn)料泵輸送至反應(yīng)系統(tǒng)，經(jīng)過高壓換熱器、加熱爐進(jìn)入反應(yīng)器精制，反應(yīng)流出物通過高壓分離器回收循環(huán)氫后進(jìn)入低壓分離器，低分油進(jìn)入分餾系統(tǒng)，最后經(jīng)過分餾塔的分離得到最終產(chǎn)品。

圖1 裂柴加氫流程簡圖

其主要產(chǎn)品為精制柴油、干氣、低分氣、粗石腦油、石腦油、酸性水，分別送至罐區(qū)、輕烴回收裝置、蠟油加氫裝置、加氫裂化裝置、重整裝置、酸性水汽提裝置。

1.2 物料平衡

裂柴加氫物料平衡如表1 所示。

表1 裂柴加氫物料平衡表

1.3 裝置目前節(jié)能措施

本裝置設(shè)計(jì)時(shí)采用了很多先進(jìn)可靠的工藝技術(shù)來進(jìn)行有效節(jié)能。采用纏繞管換熱器提高換熱效率；反應(yīng)爐設(shè)計(jì)為開工爐，節(jié)省燃料；采用高效塔板提高分離效率、降低能耗；設(shè)備及管道布置盡量緊湊合理，減少管線散熱損失和壓力損失；加強(qiáng)設(shè)備及管道保溫，減少散熱損失；加熱爐設(shè)置氧含量分析儀，控制煙氣中的氧含量，提高加熱爐的熱效率；采用高效節(jié)能機(jī)泵。

在節(jié)能的同時(shí)，設(shè)置了低溫?zé)崴畵Q熱器，充分回收低溫?zé)?；加熱爐設(shè)置余熱回收系統(tǒng)，回收煙氣余熱；優(yōu)化換熱流程，合理利用塔底油熱量，提高了裝置的能量回收率。

2 能耗對比

首先，采集了2022 年的200 萬噸/年工業(yè)燃料油加氫改質(zhì)裝置（以下簡稱 “柴油加裂裝置” ）全年單耗清單以及設(shè)計(jì)能耗清單，如表2 和表3 所示。

表2 柴油加裂裝置全年單耗清單

表3 柴油加裂裝置設(shè)計(jì)能耗清單

如表4 所示，為70 萬噸/年裂解柴油加氫裝置設(shè)計(jì)能耗情況。

表4 裂柴加氫裝置設(shè)計(jì)能耗

經(jīng)過對比后，兩套裝置有較大差異的單耗項(xiàng)為燃料氣、電能、3.5 MPa 蒸汽、1.0 MPa 蒸汽。

3 原因分析

3.1 燃料氣

裂柴加氫裝置燃料氣的單耗遠(yuǎn)小于柴油加裂裝置。經(jīng)分析，柴油加裂裝置新鮮原料的處理量為150 萬噸/年，反應(yīng)處理量為200 萬噸/年，而裂柴加氫裝置只有70 萬噸/年。在加熱至相同溫度時(shí)反應(yīng)爐所需的熱源較多，所以柴油加裂裝置燃料氣總耗增加，單耗降低。兩套裝置分餾爐均為分餾塔底重沸爐，柴油加裂循環(huán)量為640 t/h，五期裂柴加氫循環(huán)量為101 t/h，溫度提升量都為10～15 ℃，同時(shí)柴油加裂分餾塔有側(cè)線抽出，將一部分熱量抽出，塔底部則需要更多燃料氣使氣相組分到達(dá)分餾塔頂部，使得燃料氣單耗增加。而裂柴加氫中輕組分較少，所需燃料氣量少，所以單耗較少；裂柴加氫的反應(yīng)爐只作為開工爐，開工結(jié)束后反應(yīng)爐熄爐，只有分餾爐運(yùn)轉(zhuǎn)，故柴油加裂所需燃料氣量更多。

3.2 電能

裂柴加氫裝置遠(yuǎn)大于柴油加裂裝置的電能單耗，裂柴加氫主要耗電設(shè)備為新氫壓縮機(jī)和進(jìn)料泵。由于裂柴加氫進(jìn)料泵沒有增加液力透平裝置，而柴油加裂液力透平所能回收的能量約為450 kW，投用液力透平前電流為150 A 左右，投用后為75 A，大大降低了用電量。新氫壓縮機(jī)因工況不同，用電量暫時(shí)無法對比。

3.3 中壓蒸汽

兩套裝置消耗3.5 MPa 中壓蒸汽的主要設(shè)備同為背壓式循環(huán)氫壓縮機(jī)，背壓后蒸汽均為1.0 MPa，其中對比了汽輪機(jī)功率、蒸汽用量、氫氣濃度、反應(yīng)系統(tǒng)壓差后，得出裂柴加氫3.5 MPa 蒸汽單耗高的原因應(yīng)為反應(yīng)系統(tǒng)壓差不同所導(dǎo)致，裂柴加氫反應(yīng)系統(tǒng)壓差高于柴油加裂反應(yīng)系統(tǒng)壓差，故裂柴加氫的循環(huán)機(jī)需要更大的驅(qū)動(dòng)力，導(dǎo)致3.5 MPa 蒸汽用量增加。

3.4 低壓蒸汽

裂柴加氫裝置的1.0 MPa 低壓蒸汽單耗遠(yuǎn)小于柴油加裂裝置，裂柴加氫中有蒸汽發(fā)生器，擁有自產(chǎn)過熱蒸汽系統(tǒng)，而柴油加裂蒸汽發(fā)生系統(tǒng)并未投用，且柴油加裂的石腦油分餾塔底重沸器是以1.0 MPa 蒸汽為熱源，故相比于裂柴加氫，1.0 MPa 蒸汽能耗增加，但裂柴加氫裝置的除氧水單耗略高于柴油加裂裝置。

3.5 回收低溫?zé)?/h3>

兩套裝置都擁有低溫?zé)崴l(fā)生器，裂柴加氫在分餾塔頂部、底部分別設(shè)置熱水發(fā)生器，回收分餾塔頂、底部多余熱源；柴油加裂是由高壓換熱器和分餾塔頂換熱器回收熱量。兩套裝置都在這方面節(jié)省大量能耗。

4 優(yōu)化建議及可行性分析

現(xiàn)有裝置投用的節(jié)能降耗措施擬在五期裝置推薦使用。

4.1 增設(shè)無極調(diào)速系統(tǒng)

建議裂柴加氫裝置在投產(chǎn)后，可根據(jù)實(shí)際工況，增加新氫壓縮機(jī)無極調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以節(jié)省耗電量。

根據(jù)三期柴油加裂裝置無極調(diào)節(jié)系統(tǒng)投用前后的曲線和詳細(xì)數(shù)據(jù)對比，如圖2 所示，壓縮機(jī)功率在無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)投用后降幅顯著。

圖2 柴油加裂裝置無極調(diào)節(jié)系統(tǒng)投用前后曲線對比

如表5 所示，在5 月4 日19：40 之前新氫壓縮機(jī)利用返回閥控制時(shí)，排氣量33 000 m3/h 時(shí)的耗電量為3 800 kW·h；當(dāng)19：50 投用無極調(diào)節(jié)系統(tǒng)后，在排氣量無大幅變化的情況下，耗電量由3 800 kW·h降低至2 800 kW·h。由此可以明顯看出，投用無極調(diào)節(jié)系統(tǒng)，能很大程度降低輸出功率，從而節(jié)省電能。

表5 柴油加裂裝置無極調(diào)節(jié)系統(tǒng)投用前后詳細(xì)數(shù)據(jù)

圖3 是210 萬噸/年原料油加氫裝置投用無極調(diào)節(jié)系統(tǒng)后壓縮機(jī)功率與排氣量的變化趨勢情況。由圖3 也可以看出，C-102B 在裝備無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)后，電能消耗和排氣量都得到不同程度的降低，不再根據(jù)電機(jī)的額定功率運(yùn)行，利用調(diào)速系統(tǒng)降低能耗。

圖3 210 萬噸/年原料油加氫裝置投用無極調(diào)節(jié)系統(tǒng)數(shù)據(jù)

通過以上數(shù)據(jù)表明，裂柴加氫裝置可以通過增設(shè)無極調(diào)節(jié)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)較大幅度降低裝置電能消耗。

4.2 擬推薦使用高效復(fù)合阻聚劑

由于裂柴加氫裝置原料油從催化裝置來，原料油中的芳烴含量較高，而芳烴具有很強(qiáng)的縮合特性，根據(jù)210 萬噸/年原料油加氫處理裝置的使用情況，建議裂柴加氫使用JM-2 高效復(fù)合阻聚劑從而更好地延緩繞管換熱器管束的結(jié)焦、堵塞等情況，以保證繞管換熱器換熱效率長時(shí)間維持在較高水平。

4.2.1 JM-2 高效復(fù)合阻聚劑特性

JM-2 高效復(fù)合阻聚劑A/B 是一種聚合物抑制劑，主要用于柴油加氫裝置、渣油加氫裝置、烯烴裝置裂解C9 餾分加氫阻聚，防止自由基聚合，抑制雜質(zhì)在換熱器管束、管壁和催化劑表面附著，延長設(shè)備運(yùn)行周期，延長催化劑使用壽命。

4.2.2 JM-2 高效復(fù)合阻聚劑作用機(jī)理

稀土材料具有多配位性，在自由基形成初期即可將其 “撲捉” 使其失活，無法與其他未飽和烴繼續(xù)反應(yīng)，具有清凈分散的效果。

納米稀土氧化物宏觀表現(xiàn)為惰性，不會(huì)與其他分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以催化劑的形式對納米材料周圍 “撲捉” 的長鏈自由基進(jìn)一步催化分解。

納米稀土材料能提高被加氫油品的導(dǎo)熱性能，使其熱傳遞快而且均勻，有利于減少油品中 “膠質(zhì)” 或 “瀝青質(zhì)” 的生成。

4.2.3 210萬噸/年原料油加氫處理裝置使用情況

使用前，對原料油換熱影響最大的高壓換熱器為E104 和E103。在3 月5 日至4 月4 日使用期間，E104 在阻垢劑更換后，換熱效率下降趨勢明顯減緩，且在初期有小幅上漲，末期處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。初期K-E104 為52.12，末期K-E104 為56.01，增長7.46%。E104 熱端溫差由53.52 ℃下降至52.42 ℃，下降1.1 ℃；冷端溫差由38.16 ℃上升至40.39 ℃，上升2.23 ℃。從總體趨勢看，阻聚劑更換后，E104 冷熱端溫差由明顯上升轉(zhuǎn)為平穩(wěn)狀態(tài)。

E103 在阻聚劑使用后，換熱效率下降趨勢明顯減緩，且在初期有小幅上漲。初期K-E103 為81.66，末期K-E103 為86.78，增長6.37%。E103 熱端溫差由26.82 ℃下降至23.26 ℃，下降3.56 ℃；冷端溫差由56.05 ℃下降至54.63 ℃，下降1.42 ℃。從總體趨勢看，阻聚劑使用后，E103 冷熱端溫差由明顯上升轉(zhuǎn)為平穩(wěn)狀態(tài)。

從高壓換熱器E104、E103 的變化中可以確定，JM-2 高效復(fù)合阻聚劑能有效延緩和控制換熱管束的結(jié)焦、堵塞情況，提高換熱效率，減少熱能損耗，從而降低能耗。

4.3 結(jié)合離心泵使用情況采取增設(shè)變頻及切割葉輪等節(jié)能措施

建議裂柴加氫裝置在投產(chǎn)后，根據(jù)裝置內(nèi)離心泵實(shí)際運(yùn)行情況并結(jié)合生產(chǎn)需要，分析所需要的流量和壓力，判斷哪些離心泵可以采用切割葉輪技術(shù)[1]或增加電機(jī)變頻器的方式降低電能消耗[2]，由于裝置尚未投產(chǎn)，此處暫不進(jìn)行詳細(xì)分析。

5 結(jié)語

兩套裝置間單耗差距最大的因素為電能消耗和燃料氣消耗。在電能對比中，柴油加裂處理量大，充分體現(xiàn)出大規(guī)模效應(yīng)，規(guī)模大，單耗低。而在燃料氣對比中，關(guān)鍵在于柴油加裂中分餾的輕組分多，側(cè)線抽出量大，使分餾爐燃料氣消耗更大，增加了裝置單耗。

由以上分析得到，可以通過增設(shè)新氫機(jī)無極調(diào)節(jié)系統(tǒng)、加注阻聚劑的方法，減少電能消耗和熱量損失，這樣既能降低裝置能耗，又可以延長生產(chǎn)周期，將 “降本增效” 持續(xù)推進(jìn)。