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        連續(xù)重整裝置能耗分析與節(jié)能改造措施

        2018-03-06 06:58:36胡珺張偉王紅濤張英
        石油與天然氣化工 2018年1期

        胡珺 張偉 王紅濤 張英

        中國石油化工股份有限公司撫順石油化工研究院

        催化重整是石油煉制的主要加工過程之一,其主要產(chǎn)品中的重整生成油是高辛烷值汽油調(diào)和組分,重整芳烴是化纖、塑料和橡膠的基礎(chǔ)原料。同時,煉化企業(yè)50%以上的用氫由重整裝置提供[1-3]。連續(xù)重整裝置多采用美國UOP公司的連續(xù)重整專利技術(shù)和法國IFP的連續(xù)重整專利技術(shù)[4]。催化重整反應(yīng)在熱力學上為強吸熱反應(yīng),中間產(chǎn)物需要多次加熱,吸熱量越大,燃料消耗量越大。連續(xù)重整裝置一般包括原料預(yù)處理單元、重整反應(yīng)單元、催化劑再生單元及產(chǎn)品分餾單元,所副產(chǎn)的大量氫氣需要壓縮機增壓,這些過程均需要消耗大量的能量[5-7],且連續(xù)重整裝置能耗隨反應(yīng)苛刻度的提高而增加。由于重整反應(yīng)的化學特征及其加工流程的特點,連續(xù)重整裝置的能耗在全廠總能耗中占有較大的比例,因此連續(xù)重整裝置的節(jié)能優(yōu)化對于煉廠極為重要[8-10]。

        對中國石化某煉廠的連續(xù)重整裝置能耗進行了研究,分別對燃料氣、蒸汽、電力和其他方面的消耗情況進行了分析。同時,對原料預(yù)處理單元和產(chǎn)品分餾單元的工藝現(xiàn)狀和存在的問題進行了分析,提出節(jié)能改造方案,從而進一步降低裝置能耗。

        1 連續(xù)重整裝置能耗情況

        中國石化某煉廠連續(xù)重整裝置以直餾石腦油和加氫裂化重石腦油的混合油為原料,主要生產(chǎn)汽油調(diào)和組分,同時副產(chǎn)含氫氣體、戊烷油、混合芳烴、非芳烴和燃料氣。該裝置由原料預(yù)處理單元、重整反應(yīng)單元、產(chǎn)品分餾單元、催化劑再生單元、芳烴抽提單元及界區(qū)內(nèi)配套的公用工程設(shè)施組成,采用UOP第二代超低壓連續(xù)重整工藝,催化劑再生單元采用UOP第三代催化劑連續(xù)再生(Cyclemax)工藝。裝置設(shè)計規(guī)模為100×104t/a,其中全餾分石腦油預(yù)處理部分:100×104t/a,重整反應(yīng)單元:100×104t/a,催化劑連續(xù)再生部分:907 kg/h ,芳烴抽提單元:45×104t/a ,裝置為連續(xù)生產(chǎn),年開工時數(shù)按8 000 h計,操作彈性為60%~110%。該連續(xù)重整裝置的設(shè)計能耗和實際能耗組成見表1。

        該連續(xù)重整裝置的能耗占該廠全部能耗的10%左右,在同類裝置能耗中處于中等水平,與先進的連續(xù)重整裝置相比還有較大差距。從表1中可以看出,無論是設(shè)計能耗還是實際能耗,連續(xù)重整裝置的能耗中燃料氣、蒸汽和電力的消耗最多。裝置的實際能耗中燃料氣占總能耗的比例最大,為69.61%,其次是蒸汽和電力的消耗,分別占總能耗的20.76%和7.34%,這種能耗分布是重整反應(yīng)的特性造成的,同時也為連續(xù)重整裝置節(jié)能優(yōu)化指明了方向。

        表1 連續(xù)重整裝置能耗構(gòu)成Table1 Compositionofenergyconsumptionforthecontinuouscatalyticreformingunit項目設(shè)計能耗實際能耗能耗/(kgEO·t-1)①占比/%能耗/(kgEO·t-1)①占比/%循環(huán)水1.6711.961.7562.04除鹽水0.3920.460.4960.58電5.2856.206.3237.343.5MPa蒸汽輸入20.73024.3223.66827.461.0MPa蒸汽輸出-5.242-6.15-5.771-6.70燃料氣62.04572.7960.00069.61凈化風0.2730.320.2940.34氮氣1.3211.551.4611.70凝結(jié)水-1.236-1.45-2.036-2.36合計85.238100.0086.191100.00 注:1.表中正值表示消耗能量,負值表示外輸能量。2.設(shè)計能耗以重整設(shè)計進料125t/h為基準計算,實際能耗以重整實際進料140.91t/h為基準計算。 ①1kgEO/t=41.86kJ/kg(下同)。

        2 裝置能耗現(xiàn)狀分析

        為進一步分析裝置實際能耗的組成,下面將分別從燃料氣消耗、蒸汽消耗、電力消耗和其他方面對連續(xù)重整裝置的能耗現(xiàn)狀進行分析。

        2.1 燃料氣消耗

        該連續(xù)重整裝置的加熱爐類型分為預(yù)加氫進料加熱爐、分餾塔塔底重沸爐、石腦油分餾塔重沸爐、重整反應(yīng)進料“四合一”加熱爐和重整油分餾塔重沸爐,各加熱爐燃料氣用量及占比見表2。

        表2 加熱爐燃料氣用量及占比Table2 Fuelgasconsumptionofthefurnacesandthecorrespondingproportion名稱燃料氣用量/(kg·h-1)用量占比/%預(yù)加氫進料加熱爐7618.55分餾塔塔底重沸爐5646.34石腦油分餾塔重沸爐6507.30重整油分餾塔重沸爐153717.27重整反應(yīng)進料“四合一”加熱爐538860.54合計8900100.00

        由表2可知,重整反應(yīng)進料“四合一”加熱爐燃料氣用量最大,占總?cè)剂蠚庥昧康?0.54%。由于燃料消耗占裝置能耗的比例最大,且加熱爐在低負荷下很難操作,因此在很大程度上,加熱爐的燃燒狀況和熱效率決定了裝置的總能耗。對于重整反應(yīng)進料“四合一”加熱爐,適當增加重整進料換熱器的換熱深度可以提高反應(yīng)產(chǎn)物的熱能回收率,從而可以減少“四合一”加熱爐的負荷和燃料氣的消耗。

        2.2 蒸汽消耗

        該連續(xù)重整裝置涉及3.5 MPa蒸汽和1.0 MPa蒸汽兩種蒸汽的使用。

        3.5 MPa蒸汽產(chǎn)汽點為重整余熱鍋爐,用汽點包括穩(wěn)定塔底再沸器、重整循環(huán)氫壓縮機背壓式汽輪機和重整增壓氫壓縮機凝汽式汽輪機,不足蒸汽由中壓蒸汽管網(wǎng)輸入。3.5 MPa蒸汽產(chǎn)用平衡見表3。中壓蒸汽管網(wǎng)需輸入37.9 t/h的 3.5 MPa蒸汽。

        表3 3.5MPa蒸汽產(chǎn)用平衡表Table3 Productionbalanceof3.5MPasteam項目蒸汽產(chǎn)用量/(t·h-1)占比/%入方余熱鍋爐產(chǎn)汽30.144.26中壓蒸汽管網(wǎng)輸入37.955.74合計68.0100.00出方穩(wěn)定塔塔底再沸器8.812.94重整循環(huán)氫壓縮機背壓式汽輪機25.938.09重整增壓氫壓縮機凝汽式汽輪機33.348.97合計68.0100.00

        1.0 MPa蒸汽產(chǎn)汽點為重整循環(huán)氫壓縮機背壓式汽輪機,用汽點包括除氧器、增壓氣加熱器、重整循環(huán)氫壓縮機抽氣器、重整增壓氫壓縮機抽氣器、伴熱、汽提塔重沸爐和石腦油分餾塔重沸爐對流段等,多余蒸汽外輸至低壓蒸汽管網(wǎng)。1.0 MPa蒸汽產(chǎn)用平衡見表4。1.0 MPa蒸汽外輸至低壓蒸汽管網(wǎng)10.7 t/h。

        3.5 MPa蒸汽用汽大戶為重整循環(huán)氫壓縮機背壓式汽輪機和重整增壓氫壓縮機凝汽式汽輪機。重整循環(huán)氫壓縮機和重整增壓氫壓縮機是重整單元的能耗大戶,汽輪機采用背壓式的能耗遠低于凝汽式汽輪機。重整循環(huán)氫壓縮機背壓式汽輪機產(chǎn)1.0 MPa蒸汽,重整增壓氫壓縮機凝汽式汽輪機產(chǎn)生的凝結(jié)水可進行進一步回收利用,如預(yù)熱燃料氣,提高燃料氣入爐溫度,充分利用低溫熱,以節(jié)約燃料氣消耗。

        表4 1.0MPa蒸汽產(chǎn)用平衡表Table4 Productionbalanceof1.0MPasteam項目蒸汽產(chǎn)用量/(t·h-1)占比/%入方 重整循環(huán)氫壓縮機背壓式汽輪機25.90100.00 合計25.90100.00出方 除氧器8.3032.05 增壓氣加熱器0.170.66 重整循環(huán)氫壓縮機抽氣器0.632.43 重整增壓氫壓縮機抽氣器1.033.98 伴熱5.0019.31 汽提塔重沸爐、石腦油分餾塔重沸爐對流段0.090.35 外輸至低壓蒸汽管網(wǎng)10.7041.31 合計25.90100.00

        2.3 電力消耗

        該連續(xù)重整裝置用電設(shè)備主要包括預(yù)處理、重整和催化劑再生單元的機泵、空冷器、機組和電加熱器等(見表5)。其中,機組及電加熱器的電耗占裝置用電量的51.16%左右??绽淦鞯臄?shù)量多,且易于調(diào)節(jié),也應(yīng)該作為節(jié)約電耗的重點之一。

        表5 電力消耗及占比Table5 Compositionofpowerconsumption項目蒸汽產(chǎn)用量/kW電耗占比/%泵電耗919.026.82空冷電耗754.522.02機組及電加熱器電耗1753.351.16合計3426.8100.00

        2.4 其他

        各塔頂物流的冷卻、氣液分離及送出裝置的產(chǎn)品均采用空氣冷卻或水冷卻,壓縮機、風機和泵在運行時也需要循環(huán)水冷卻。另外,凈化風的主要使用點為空氣干燥器和儀表用風等。凝結(jié)水的來源主要為重整增壓氫壓縮機凝汽式汽輪機凝結(jié)水和穩(wěn)定塔塔底再沸器凝結(jié)水。

        3 工藝現(xiàn)狀及存在問題

        3.1 原料預(yù)處理單元

        由裝置外罐區(qū)來的直餾石腦油在液位和流量串級控制下自壓進入預(yù)加氫進料緩沖罐;然后,經(jīng)預(yù)加氫進料泵升壓后、經(jīng)預(yù)加氫進料預(yù)熱器與石腦油分餾塔塔頂氣換熱至約72.3 ℃;再與循環(huán)氫混合,進入預(yù)加氫混合進料換熱器,與預(yù)加氫反應(yīng)產(chǎn)物換熱至約222.3 ℃;最后,經(jīng)預(yù)加氫進料加熱爐加熱,升溫至283.5 ℃后進入預(yù)加氫反應(yīng)器。

        在預(yù)加氫反應(yīng)器中,原料油在催化劑和氫氣的作用下進行加氫精制反應(yīng),脫除原料中的有機硫、氮化合物和金屬雜質(zhì)等;再經(jīng)預(yù)加氫脫氯罐脫除氯化物后,溫度約為279.5 ℃;然后,經(jīng)預(yù)加氫混合進料換熱器與反應(yīng)進料換熱,換熱后溫度約126.2 ℃;最后,與補充氫(化肥來)混合后,經(jīng)預(yù)加氫產(chǎn)物空冷器冷凝冷卻后進入預(yù)加氫氣液分離器。

        預(yù)加氫進料換熱器的熱端溫差為57.2 ℃,冷熱物流的傳熱系數(shù)(污垢狀態(tài)下)為237.36 W/m2·K、傳熱溫差為21.3 ℃,預(yù)加氫反應(yīng)產(chǎn)物的熱量未充分回收,預(yù)加氫進料進入加熱爐的溫度偏低,造成加熱爐燃料氣用量偏大、能耗偏高。

        3.2 產(chǎn)品分餾單元

        重整油分餾塔塔頂油氣自重整油分餾塔塔頂出來后(溫度約120 ℃、壓力0.09 MPa),直接進塔頂油氣空冷器冷卻至約68 ℃,然后進入重整油分餾塔塔頂分液罐,塔頂油氣熱量未進行回收。

        自穩(wěn)定塔來的重整汽油(流量約120.3 t/h、溫度約60.2 ℃)經(jīng)重整油分餾塔進料換熱器與重整油分餾塔塔底出料換熱至約90 ℃,進入重整油分餾塔。分餾塔進料溫度偏低,分餾塔塔底重沸爐負荷偏高。

        4 節(jié)能改造方案

        根據(jù)連續(xù)重整能耗分析,結(jié)合工藝現(xiàn)狀及存在問題,分別對預(yù)處理部分和產(chǎn)品分流單元提出節(jié)能改造方案。

        4.1 原料預(yù)處理單元

        預(yù)加氫與反應(yīng)產(chǎn)物強化換熱工藝改造方案見圖1。將預(yù)加氫反應(yīng)產(chǎn)物和預(yù)加氫混氫油原料增加一級換熱,即新增一臺預(yù)加氫進料換熱器,預(yù)加氫混氫油進預(yù)加氫進料加熱爐的溫度不僅由222.3 ℃提高到了243.5 ℃,降低了加熱爐燃料氣用量,同時還將預(yù)加氫反應(yīng)產(chǎn)物溫度由126.2 ℃降低到了104.2 ℃,從而降低了空冷電耗。

        4.2 產(chǎn)品分餾單元

        為了充分回收重整油分餾塔塔頂油氣熱量,新增板式換熱器(見圖2)。自穩(wěn)定塔來的重整汽油(流量約120.3 t/h、溫度約60.2 ℃)首先經(jīng)重整油分餾塔進料-塔頂油氣換熱器與塔頂油氣換熱,重整油分餾塔進料溫度升高到93 ℃,塔頂油氣溫度由120 ℃降低到105.1 ℃;然后,再經(jīng)重整油分餾塔進料換熱器與重整油分餾塔塔底出料換熱,重整油分餾塔進料溫度為113.3 ℃。從而回收了塔頂熱量,降低塔頂空冷負荷,同時提高了分餾塔進料溫度,降低分餾塔重沸爐負荷。

        5 實施效果

        節(jié)能改造方案實施后,對于預(yù)處理單元:預(yù)加氫原料進加熱爐的溫度升高至243.5 ℃,加熱爐有效熱負荷降低2 702 kW,可節(jié)省加熱爐燃料氣用量約210kg/h,降低裝置能耗1.28 kgEO/t;對于產(chǎn)品分餾單元:優(yōu)化后重整油分餾塔塔底重沸爐有效熱負荷降低約815 kW,可節(jié)省加熱爐燃料氣用量約60 kg/h,降低裝置能耗0.48 kgEO/t。

        因此,節(jié)能改造方案實施后,加熱爐總有效熱負荷降低3 517 kW,可節(jié)省加熱爐燃料氣總用量約270 kg/h,裝置總能耗降低1.76 kgEO/t。

        6 結(jié) 論

        連續(xù)重整裝置的能耗在煉廠總能耗中占有較大的比例,因此連續(xù)重整裝置的節(jié)能優(yōu)化是降低煉廠成本的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。從生產(chǎn)工藝技術(shù)方面來看,裝置的重整反應(yīng)與產(chǎn)物分離生產(chǎn)單元的能耗占總能耗的主要部分,其次是預(yù)處理單元和催化劑再生單元的能耗。從單項能耗方面來看,裝置的能耗中燃料氣占總能耗的比例最大,為69.61%,其次是蒸汽和電力的消耗,分別占總能耗的20.76%和7.34%。

        通過對中國石化某煉廠的連續(xù)重整裝置用能情況進行分析,結(jié)合工藝現(xiàn)狀與存在問題,發(fā)現(xiàn)原料預(yù)處理單元預(yù)加氫反應(yīng)產(chǎn)物的熱量未充分回收,預(yù)加氫進料進入加熱爐的溫度偏低;產(chǎn)品分餾單元重整油分餾塔塔頂油氣熱量未進行回收,并且分餾塔進料溫度偏低,分餾塔塔底重沸爐負荷偏高。因此,提出節(jié)能改造方案:① 預(yù)加氫反應(yīng)產(chǎn)物和預(yù)加氫混氫油原料增加一級換熱;② 自穩(wěn)定塔來的重整汽油首先與重整油分餾塔塔頂油氣換熱,再與塔底出料換熱。改造方案實施后,加熱爐總有效熱負荷降低3 517 kW,可節(jié)省加熱爐燃料氣總用量約270 kg/h,裝置總能耗降低1.76 kgEO/t。

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