袁春華 任建生

(中國(guó)石油工程建設(shè)公司華東設(shè)計(jì)分公司(北京))

連續(xù)重整裝置擴(kuò)能改造節(jié)能設(shè)計(jì)

袁春華 任建生

(中國(guó)石油工程建設(shè)公司華東設(shè)計(jì)分公司(北京))

依托20世紀(jì)90年代中期建成投產(chǎn)的40×104t/a連續(xù)重整裝置的擴(kuò)能改造,從裝置規(guī)模、流程設(shè)置、能量綜合利用等方面,采取了一系列節(jié)能措施實(shí)施改造。該裝置所采取的節(jié)能改造方案包括:①結(jié)合原料特點(diǎn)優(yōu)化進(jìn)料方案,降低預(yù)處理反應(yīng)部分的規(guī)模;②采用高效焊接板式換熱器、雙殼程換熱器,提高反應(yīng)進(jìn)料/產(chǎn)物換熱深度;③降低煙氣出口溫度,提高重整進(jìn)料四合一加熱爐效率;④優(yōu)化換熱流程,降低空冷入口溫度,充分利用塔頂蒸發(fā)潛熱。上述節(jié)能設(shè)計(jì)措施可將裝置擴(kuò)能13%,綜合能耗降低502.4 MJ/t。

連續(xù)重整 擴(kuò)能 節(jié)能設(shè)計(jì)

催化重整是現(xiàn)代化石油加工過(guò)程中生產(chǎn)高辛烷值汽油組分、芳烴和含氫氣體的重要工藝過(guò)程,也是煉油廠中能量消耗較高的加工過(guò)程[1]。因此,降低該過(guò)程能耗是工藝設(shè)計(jì)中關(guān)注的重要問(wèn)題之一。

自20世紀(jì)80年代開(kāi)始,我國(guó)陸續(xù)引進(jìn)了60余套連續(xù)重整裝置。由于受到加工規(guī)模、重整催化劑技術(shù)及其他相關(guān)技術(shù)水平等因素的客觀限制,加之當(dāng)時(shí)能源價(jià)格偏低的實(shí)際情況,部分早期引進(jìn)的裝置規(guī)模通常較小,裝置總體技術(shù)水平、能耗水平與當(dāng)前新建裝置存在較大差距。如何根據(jù)工廠原料和實(shí)際需求的變化,充分利用已有的技術(shù)進(jìn)步,在經(jīng)濟(jì)可行的條件下對(duì)老裝置適當(dāng)擴(kuò)能,回收利用擴(kuò)能優(yōu)化裝置的能量,大幅度降低裝置的公用工程消耗,使裝置總體技術(shù)水平及能耗達(dá)到與新建裝置相當(dāng)?shù)乃?是相關(guān)的工藝設(shè)計(jì)者需要解決的重要課題[2-3]。

以下結(jié)合將20世紀(jì)90年代引進(jìn)投產(chǎn)的1套40×104t/a連續(xù)重整裝置擴(kuò)能改造為50×104t/a的實(shí)例,根據(jù)工廠總體要求及裝置現(xiàn)狀確定了改造原則、擴(kuò)能規(guī)模及節(jié)能方案等,并對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了探討。

1 改造背景

項(xiàng)目所涉及的催化重整裝置含石腦油加氫處理、連續(xù)重整、催化劑連續(xù)再生3個(gè)生產(chǎn)單元,是工廠芳烴聯(lián)合裝置的一部分,其主要目的是用進(jìn)入芳烴聯(lián)合裝置的原料最大限度地生產(chǎn)苯、甲苯、二甲苯等芳烴產(chǎn)品。該裝置采用美國(guó)環(huán)球油品公司(UOP)加壓再生專(zhuān)利技術(shù),由日本東洋工程公司承包建設(shè),于20世紀(jì)90年代中期建成投產(chǎn)。

經(jīng)過(guò)近20年的長(zhǎng)周期運(yùn)轉(zhuǎn),該裝置逐漸暴露出以下問(wèn)題:

(1)石腦油加氫處理反應(yīng)及汽提塔加熱能力受限。石腦油加氫處理單元的混合進(jìn)料換熱器原設(shè)計(jì)負(fù)荷偏低,導(dǎo)致預(yù)加氫進(jìn)料加熱爐的進(jìn)料溫度偏低,爐負(fù)荷增加較大。因受該加熱爐加熱能力的限制,石腦油加氫處理單元的反應(yīng)部分達(dá)不到原設(shè)計(jì)處理能力。此外,受汽提塔底重沸爐加熱能力的限制,石腦油汽提塔的汽提效果也受到一定的影響。

(2)重整進(jìn)料四合一爐負(fù)荷不足。在反應(yīng)器進(jìn)料平均入口溫度為520℃時(shí),重整2#中間加熱爐的爐膛溫度已達(dá)到780℃以上,接近允許的設(shè)計(jì)上限,限制了重整單元加工負(fù)荷的提高。改造前重整單元實(shí)際處理能力約為原設(shè)計(jì)值的89%。

(3)重整立式進(jìn)料換熱器效率低。重整立式進(jìn)料換熱器原設(shè)計(jì)負(fù)荷為25.89 MW,原設(shè)計(jì)熱端溫差為49℃(熱流入口溫度511℃,冷流出口溫度462℃)。改造前,實(shí)際運(yùn)行時(shí)熱端溫差達(dá)到69.5℃(熱流入口溫度479℃,冷流出口溫度409.5℃),換熱效果很差,無(wú)法滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。

(4)裝置供氫能力不足,無(wú)法滿足工廠的H2需求。受設(shè)備卡邊、老化等因素的影響,裝置的整體加工能力低于原設(shè)計(jì)能力,產(chǎn)氫能力下降。同時(shí),部分用氫裝置規(guī)模也發(fā)生了變化,對(duì)H2的需求增加,目前重整裝置的產(chǎn)氫能力無(wú)法滿足工廠對(duì)H2的需求。

綜合以上問(wèn)題可看出,迫切需要對(duì)該裝置進(jìn)行擴(kuò)能改造,以滿足工廠實(shí)際生產(chǎn)及H2平衡的需要。

2 改造分析

2.1 擴(kuò)能規(guī)模分析

在確定擴(kuò)能改造后的裝置規(guī)模時(shí),考慮到原裝置設(shè)計(jì)余量小、平面布置緊湊的實(shí)際情況及近10年發(fā)展規(guī)劃的同時(shí),依托重整催化劑的技術(shù)進(jìn)步,對(duì)原裝置的設(shè)備規(guī)格及能力進(jìn)行了核算。根據(jù)反應(yīng)器、循環(huán)氫壓縮機(jī)、增壓機(jī)、加熱爐爐體和催化劑再生規(guī)模不進(jìn)行大改動(dòng)的原則,對(duì)擴(kuò)能后的規(guī)模進(jìn)行了如下分析:

(1)按原設(shè)計(jì)苛刻度要求,通過(guò)選用高活性、低積炭的催化劑、提高反應(yīng)空速、降低氫油比等措施適當(dāng)提高裝置處理能力(工況1)。

(2)降低產(chǎn)品苛刻度要求,進(jìn)一步降低氫油比以實(shí)現(xiàn)更高的處理量(工況2)。

改造前后兩種規(guī)模下的主要操作條件和相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比列于表1。

表1 改造前后兩種工況的反應(yīng)條件對(duì)比Table 1 Reaction conditions comparison before and after transformation

由于原裝置設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)備余量較小,經(jīng)核算,擴(kuò)能至75 000 kg/h時(shí),裝置改造后可利用的原設(shè)備不多,投資較高。綜合考慮后最終確定改造后重整單元的進(jìn)料量為60 000 kg/h,較原設(shè)計(jì)擴(kuò)能13%,配套石腦油加氫處理的規(guī)模為64 498 kg/h。經(jīng)過(guò)對(duì)改造方案(工況1)進(jìn)行分析及論證,并結(jié)合工廠對(duì)原有設(shè)備的檢測(cè)結(jié)果,確定將該裝置由目前的0.4 Mt/a擴(kuò)能改造至0.5 Mt/a是可行且安全的。

2.2 優(yōu)化流程、提高裝置處理能力

目前,石腦油加氫處理單元進(jìn)料由直餾石腦油、加氫裂化石腦油和裂解汽油抽余油組成,其中加氫裂化石腦油占28.4%。根據(jù)工廠提供的加氫裂化石腦油實(shí)際雜質(zhì)含量數(shù)據(jù),其S、N等雜質(zhì)含量均較低,可不經(jīng)加氫反應(yīng)直接作為重整進(jìn)料。因此,在本次改造流程中,加氫裂化石腦油不再進(jìn)入加氫反應(yīng)部分,而是直接進(jìn)入汽提塔,經(jīng)汽提塔汽提脫水后作為重整進(jìn)料。

改造后,加氫處理單元的實(shí)際處理量比原設(shè)計(jì)降低18%,無(wú)需進(jìn)行擴(kuò)能改造,降低了整個(gè)項(xiàng)目的改造工程量,擴(kuò)能前后加氫處理反應(yīng)單元的操作條件對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 擴(kuò)能前后加氫處理反應(yīng)操作條件對(duì)比Table 2 Comparison of operating conditions of naphtha hydrotreating reaction before and after capacity expansion

3 擴(kuò)能改造時(shí)的節(jié)能設(shè)計(jì)

基于擴(kuò)能規(guī)模,采取以下節(jié)能設(shè)計(jì)措施對(duì)裝置進(jìn)行了擴(kuò)能降耗改造。

3.1 采用高效換熱器代替瓶頸換熱器

3.1.1 重整進(jìn)料換熱器

擴(kuò)能后,重整進(jìn)料換熱器在換熱能力和工藝介質(zhì)壓降方面均不能滿足需要,應(yīng)予以更換。

設(shè)計(jì)改造時(shí)曾考慮過(guò)新增1臺(tái)同樣規(guī)格的立式換熱器與原立式換熱器并聯(lián),或新增1臺(tái)換熱面積較小的立式換熱器與原立式換熱器串聯(lián),但通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比及綜合分析,最終確定采用高效焊接板式換熱器替換原立式換熱器的方案。板式換熱器傳熱效率高,可最大限度地回收利用重整反應(yīng)產(chǎn)物的熱量,且系統(tǒng)壓降及占地面積較小[4],改造工程量不大,雖然一次投資偏高,但后續(xù)的操作維護(hù)費(fèi)用較低。擴(kuò)能前后重整進(jìn)料換熱器的參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表3。

從表3可以看出,由于采用了高效焊接板式換熱器,重整裝置擴(kuò)能13%后,重整進(jìn)料加熱爐的負(fù)荷不僅沒(méi)有增加,反而有較大程度的降低?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)加熱爐和空冷器的總體熱負(fù)荷較原設(shè)計(jì)值降低0.3 MW。

表3 擴(kuò)能前后重整進(jìn)料換熱器參數(shù)對(duì)比Table 3 Comparison of exchanger parameters for reformer feed before and after expansion

3.1.2 加氫混合進(jìn)料換熱器

石腦油加氫處理單元混合進(jìn)料換熱器原設(shè)計(jì)負(fù)荷偏低,隨著煉油廠檢修周期的增長(zhǎng),管束結(jié)垢嚴(yán)重,換熱效率低,增加了預(yù)加氫進(jìn)料加熱爐的負(fù)荷。此次擴(kuò)能改造雖然在流程上對(duì)反應(yīng)部分進(jìn)料進(jìn)行了優(yōu)化,但為了增加該單元的操作靈活性,進(jìn)一步降低預(yù)加氫進(jìn)料加熱爐負(fù)荷,盡可能回收加氫反應(yīng)產(chǎn)物的熱量,本次改造時(shí)在低溫端采用兩臺(tái)碳鋼雙殼程換熱器替換原來(lái)的兩臺(tái)普通碳鋼管殼式換熱器,以提高熱回收能力。

由于雙殼程換熱器具有類(lèi)似于純逆流的傳熱特性,可實(shí)現(xiàn)更大的傳熱溫差,從而提高熱回收能力,改造前后的熱負(fù)荷對(duì)比列于表4。

表4 采用雙殼程換熱器前后熱負(fù)荷對(duì)比Table 4 Heat load comparison before and after using double shell heat exchanger

由表4可知,將加氫進(jìn)料換熱器更換為雙殼程換熱器后,提高了預(yù)加氫進(jìn)料/產(chǎn)物的換熱深度,加氫反應(yīng)產(chǎn)物空冷器及預(yù)加氫進(jìn)料加熱爐的熱負(fù)荷在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)均有較大程度的降低,二者的熱負(fù)荷之和較原設(shè)計(jì)降低約46%。

3.2 重整進(jìn)料四合一爐改造

重整反應(yīng)為強(qiáng)吸熱反應(yīng),加熱爐為重整反應(yīng)提供熱量,是重整裝置的主要耗能設(shè)備[1]。在長(zhǎng)周期的操作運(yùn)行后,重整進(jìn)料四合一爐自身負(fù)荷不足,出現(xiàn)了滿負(fù)荷下?tīng)t膛溫度超標(biāo)的情況。同時(shí),擴(kuò)能后原設(shè)計(jì)輻射盤(pán)管不能滿足改造后的熱負(fù)荷和管內(nèi)壓降要求,需進(jìn)行改造。擴(kuò)能改造時(shí)采取了以下設(shè)計(jì)措施:

3.2.1 提高重整進(jìn)料四合一爐的加熱能力

重整進(jìn)料加熱爐、重整2#加熱爐、重整3#加熱爐的爐管數(shù)由原來(lái)的26根增加至34根。同時(shí),對(duì)爐管長(zhǎng)度進(jìn)行了不同程度的加長(zhǎng)。重整1#加熱爐爐管由26根增加到46根。

3.2.2 提高重整進(jìn)料四合一爐的加熱效率

燃燒器對(duì)燃燒效果和爐子熱效率具有直接的影響[5]。因此,擴(kuò)能改造時(shí)更換了重整四合一爐的部分燃燒器。同時(shí),在對(duì)流室余熱鍋爐系統(tǒng)原設(shè)計(jì)蒸發(fā)段預(yù)留位置增加兩排翅片管,以避免對(duì)流室排煙溫度升高,提高加熱效率。擴(kuò)能改造后,加熱爐效率由改造前的90.2%提高至90.6%。

3.3 優(yōu)化換熱流程以強(qiáng)化換熱

擴(kuò)能后,汽提塔處理量增加,為滿足汽提效果,需同時(shí)增加外界提供熱量。經(jīng)過(guò)核算,該汽提塔塔底重沸爐已無(wú)法滿足處理量增加后的供熱需求。處理量增大后,塔頂和塔底物流攜帶的熱量也相應(yīng)增大,若能有效回收利用這部分熱量,用以提高汽提塔進(jìn)料溫度,則有望在不增加汽提塔底重沸爐負(fù)荷的情況下,提高汽提塔的汽提效果。經(jīng)核算,新增1臺(tái)汽提塔塔頂/進(jìn)料換熱器可以提高汽提塔的進(jìn)料溫度,強(qiáng)化汽提效果。同時(shí),也降低了汽提塔塔底重沸器負(fù)荷,增加汽提塔塔頂/進(jìn)料換熱器前后的熱負(fù)荷對(duì)比情況列于表5。

表5 增加汽提塔塔頂/進(jìn)料換熱器前后熱負(fù)荷對(duì)比Table 5 Heat load comparison before and after adding stripper top/feed heat exchanger

汽提塔塔頂/進(jìn)料換熱器設(shè)在汽提進(jìn)料/塔底換熱器前,將汽提塔進(jìn)料溫度由158℃提高至180℃,相應(yīng)的汽提塔再沸爐熱負(fù)荷將由5.65 MW降至4.41 MW,可節(jié)能1.26 MW。同時(shí),汽提塔空冷器熱負(fù)荷由2.90 MW降至1.65 MW,降低了風(fēng)機(jī)電耗。汽提塔塔頂/進(jìn)料換熱器和汽提塔空冷器的熱負(fù)荷實(shí)際運(yùn)行值較設(shè)計(jì)值降低較多,總能耗得到有效降低。

3.4 節(jié)能效果

由于裝置要為下游抽提單元提供原料,故設(shè)置了重整液分離塔。擴(kuò)能改造后,裝置(含重整液分離塔)設(shè)計(jì)能耗為4 302.8 MJ/t重整進(jìn)料,與擴(kuò)能改造前4 797.2 MJ/t重整進(jìn)料的能耗值相比降低了10%。如果不計(jì)入重整液分離塔的消耗,裝置能耗為3 701.1 MJ/t重整進(jìn)料,與國(guó)內(nèi)同類(lèi)新建先進(jìn)裝置水平相當(dāng),表明擴(kuò)能改造的節(jié)能效果明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)進(jìn)行裝置擴(kuò)能改造時(shí),應(yīng)結(jié)合原料情況、產(chǎn)品要求、裝置現(xiàn)狀,在經(jīng)濟(jì)合理的前提下確定裝置擴(kuò)能后的合理規(guī)模。

(2)在經(jīng)濟(jì)可行的前提下采用新技術(shù)、先進(jìn)設(shè)備進(jìn)行擴(kuò)能改造,優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò),充分回收可利用的熱量,可在擴(kuò)能的同時(shí)起到節(jié)能作用。

(3)裝置擴(kuò)能改造后,能耗從4 797.2 MJ/t重整進(jìn)料降至4 302.8 MJ/t重整進(jìn)料,如果不計(jì)入重整液分離塔的消耗,裝置能耗為3 701.1 MJ/t重整進(jìn)料,能耗水平與國(guó)內(nèi)同類(lèi)新建裝置相當(dāng),擴(kuò)能改造效果明顯。

[1]徐承恩.催化重整工藝與工程[M].北京:中國(guó)石化出版社, 2006.

[2]邵文,劉傳強(qiáng),栗雪云,等.2.2 Mt/a連續(xù)重整裝置的標(biāo)定[J].石油與天然氣化工,2011,40(6):581-584.

[3]江勁松,唐忠懷.解決重整裝置大負(fù)荷運(yùn)行下的瓶頸問(wèn)題[J].石油與天然氣化工,2011,40(2):154-159.

[4]秦永強(qiáng).重整裝置的節(jié)能改造[J].煉油技術(shù)與工程,2003,33 (8):55-57.

[5]沈波.連續(xù)重整燃料氣節(jié)能途徑探討[J].石油煉制與化工, 2011,42(8): 74.

Energy-saving design of capacity expansion revamping for CCR unit

Yuan Chunhua,Ren Jiansheng
(CPECC East-China Design Branch(Beijing),Beijing 100101,China)

Relying on the capacity expansion and revamp of 400×103t/a CCR unit built in the 1990’s,a series of energy saving measures were taken considering the scale,process and energy utilization,which include:optimizing the feed scheme according to the characteristics of the feed to reduce the scale of reaction;utilizing the high-efficient welded plate heat exchanger and double shell side heat exchanger to enhance heat transfer;decreasing the outlet temperature of flue gas to increase thermal efficiency of heating furnace;and optimizing the heat exchanger process flow to lower the inlet temperature of air cooler,and maximizing to utilize the latent heat of evaporation in the top of the tower.As a result,the processing ability increased by 13%,while the comprehensive energy consumption decreased by 502.4 MJ/t.

continuous catalyst reforming,capacity expansion,energy-saving design

TE624.4+2

B

10.3969/j.issn.1007-3426.2014.05.004

2014-01-09;編輯:溫冬云

袁春華(1983-),女,山東鄆城人,工程師,2008年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(北京)化學(xué)工藝專(zhuān)業(yè),研究生學(xué)歷(碩士學(xué)位),現(xiàn)任職于中國(guó)石油工程建設(shè)公司華東設(shè)計(jì)分公司(北京),從事催化重整及芳烴裝置的工藝設(shè)計(jì)工作。地址: (100101)北京市朝陽(yáng)區(qū)安立路101號(hào)名人大廈9層。電話:010-58170216。E-mail:bj-yuanchunhua@cnpccei.cn