S Zorb裝置用能分析與優化

薛 超，馮 霄，王彧斐

(中國石油大學(北京)，北京 102249)

S Zorb裝置用能分析與優化

薛 超，馮 霄，王彧斐

(中國石油大學(北京)，北京 102249)

S Zorb脫硫工藝為一項清潔燃料生產技術，但整個裝置的用能還有改進的潛力。對某煉油廠S Zorb裝置采用夾點技術，以總復合曲線為工具進行了分析，發現其裝置用能既在數量上多消耗了公用工程，節能潛力為24%左右，同時，在總復合曲線上的“口袋”內還存在高能低用的問題。提出了兩個優化方案：一個方案保留加熱爐，副產中壓蒸汽，實現了能量的梯級回收利用，其年凈效益約1 044.2萬元；另一個方案取消加熱爐，節省燃料氣，其年凈效益約1 066.2萬元。兩個方案改造費用均較低，回收期短，可獲得明顯的節能效果和經濟效益。

S Zorb裝置 夾點技術 用能分析 總復合曲線

隨著世界各國對環境保護要求的不斷提高，國內外對汽油硫含量的要求日漸嚴格，采用有效的技術手段降低硫含量是解決問題的關鍵。在諸多的脫硫技術中，Conoco Phillips公司研發的S Zorb工藝具有脫硫效率高、辛烷值損失小、氫耗低及能耗低等優點[1-2]。中國石油化工股份有限公司已買斷了S Zorb技術，將該技術作為應對汽油質量升級的首要手段，在系統內部推廣應用，并進行了諸多改進，提高了裝置的可靠性，使S Zorb裝置的設計運行周期可以達到3～4年。

目前對S Zorb技術的國產化改進主要集中在工藝設備方面，改造包括反應器降塵器、再生系統、原料過濾器、閉鎖漏斗等[3]，以保障裝置運行的可靠性，而對于整個系統用能優化的考慮并不多，因此在這方面還有改進的潛力。

以熱力學分析為基礎的夾點技術[4]借助分析熱量沿溫度分布的圖示法，是系統用能分析和優化的工具。根據熱力學第二定律可知，能量不僅存在量的區別，還存在質的差異。熱能質的差異可以用其溫度的差異來衡量。因此，如何避免高能低用是節能的一個重要內容。在實際生產中，夾點技術已經被應用于常減壓蒸餾裝置、異構化裝置、加氫裂化裝置、蠟油加氫裝置、乙烯裝置等，并取得了良好的效果。

一些裝置換熱網絡的總復合曲線有時會形成“口袋”[4-5]，即存在位于夾點之上的局部熱源或者夾點之下的局部熱阱，此時口袋中的物流可以相互換熱，不需要提供外部公用工程。當口袋內溫差較大時，可以考慮口袋中的熱量多次梯級回收利用，以提高過程能量利用效率。

本研究對某煉化企業S Zorb裝置應用夾點技術進行用能分析與優化，以提高該裝置的用能效率。

1 S Zorb工藝簡介

S Zorb裝置主要分為三大部分：①反應部分；②吸附劑輸送及再生系統；③產品穩定系統。其工藝流程如圖1所示。

2 裝置用能分析

經過對S Zorb裝置工藝流程進行分析，提取熱工藝物流5股，冷工藝物流7股，其進出口溫度及熱負荷等具體數據見表1。

對以上物流數據使用Aspen energy analyzer分析可以得到，系統最小換熱溫差約為18 ℃，出現在吸附反應產物冷卻器處。綜合考慮熱回收能量、換熱面積、換熱網絡改造費用和工況穩定操作等因素[4]，本研究的分析和優化中取最小傳熱溫差為15 ℃。

對以上物流數據使用Aspen energy analyzer 分析，所得到的總復合曲線如圖2所示。由圖2可見，現行換熱網絡夾點平均溫度為79.4 ℃，即熱流在86.9 ℃，冷流71.9 ℃；最小加熱公用工程為25 350.0 kW(A點熱負荷)，最小冷卻公用工程為5 434.0 kW(H點熱負荷)。實際使用加熱公用工程33 422.2 kW，節能潛力為8 072.2 kW，從所用公用工程的數量上看，節能潛力為24%左右。此外，由于在該總復合曲線上存在口袋，采用飽和低壓蒸汽(1.0 MPa，平均溫度為172.4 ℃)就可滿足該裝置對公用工程品質的要求，見圖2中位于172.4 ℃的水平線高于口袋外的總復合曲線。而該裝置的加熱公用工程，采用的是加熱爐中的燃料，因此，還存在高能低用的問題。

圖1 S Zorb工藝流程示意

項 目物流名稱流經換熱器進口溫度∕℃出口溫度∕℃熱負荷∕kW熱物流 H1反應產物E1493.3146.051132.5 H2反應產物E2439.3187.358.1 H3產品E3147.990.07350.0 H3產品A290.055.03569.0 H3產品E1055.040.01551.0 H4穩定塔塔頂氣A171.455.0443.6 H4穩定塔塔頂氣E955.040.0236.1 H5吸附反應產物E854.943.0358.6冷物流 C1進料F171.9372.551132.5 C1進料E1372.5421.37512.2 C2反吹氮E4154.5398.9155.8 C3循環氫F1'83.6343.3405.8 C4反吹氫E2131.7260.058.1 C5穩定塔塔釜液E5147.9159.624943.9 C6穩定塔進料E643.765.3307.2 C7再生空氣E752.557.6101.4

圖2 過程總復合曲線(GCC)

圖3為現行換熱網絡，該圖具體反映了現行換熱網絡中各換熱器的分布。

根據前面的分析，現行換熱網絡夾點平均溫度為79.4 ℃，即熱流為86.9 ℃，冷流為71.9 ℃。首先，根據夾點分析三原則[4](夾點之上不應有公用工程冷卻器；夾點之下不應有公用工程加熱器；不應有跨越夾點的換熱)，分析現行的換熱網絡在數量上的不合理用能，可以計算出現行換熱網絡存在不合理換熱，如表2所示。

圖3 S Zorb裝置現行換熱網絡圖中數據為溫度， ℃

換熱器名稱冷∕熱物流總熱負荷∕kW不合理熱負荷∕kW公用工程類型不合理類型A2空氣∕H33690.0316.1空氣夾點上冷卻E3冷卻水∕H37350.07350.0水夾點上冷卻E6低壓蒸汽∕C6307.2307.2低壓蒸汽夾點下加熱E7低壓蒸汽∕C7101.4101.4低壓蒸汽夾點下加熱

通過對表2列舉的不合理換熱量進行簡單相加計算，得到不合理用能總量為8 074.7 kW，該值與本裝置通過總復合曲線所得節能潛力值8 072.2 kW基本一致。

從圖2可以看出，該裝置的高能低用主要發生在夾點位置以上存在的熱口袋中。在口袋中局部熱源的溫位較高，達到400 ℃以上，口袋底部溫度較低，約為160 ℃。口袋內的熱物流有H1、H2兩股，其中H2熱負荷較小，H1熱負荷較大且溫度較高，故口袋中的高溫部分主要由H1提供。冷物流有C1，C2，C3，C4四股。其中C1與H1換熱，且仍采用了加熱爐加熱；C2、C3全部由加熱爐加熱；C4與H2換熱。整個口袋的熱負荷為8 394 kW(A、G兩點焓差)。可直接用低壓蒸汽加熱的平均溫度為172.4 ℃，根據總復合曲線可得出其熱負荷約為2 888 kW(A、D兩點焓差)。可用于產較高溫位如中壓蒸汽(平均溫度為235.1 ℃)的熱物流，根據總復合曲線可得出其熱負荷約為4 520 kW(A、F兩點焓差)。原換熱網絡不夠合理，有部分口袋內的熱量用來加熱了口袋外的冷物流，如C1的溫度跨度為146.0～421.3 ℃，但只有164.9 ℃以上的部分位于口袋內，口袋以外的部分可以用其它熱物流或者低壓蒸汽加熱，口袋內的部分應該由H1加熱。C2的溫度跨度為154.5～398.9 ℃，全部由加熱爐加熱；C3的溫度跨度為83.6～343.3 ℃，也全部由加熱爐加熱，這兩股冷物流均有部分熱量在口袋外，可以由口袋外的低溫熱物流進行加熱，口袋內的部分亦應該由H1加熱。

3 裝置用能優化

從用能的角度考慮，該裝置在正常運行時，不應設置加熱爐。但由于該裝置已經設置了加熱爐，因此，在考慮用能優化時，有兩種不同的改造方案：方案一仍保留加熱爐，用口袋內的熱物流副產中壓蒸汽，不足的熱需求由低壓蒸汽提供；方案二去掉加熱爐，口袋內冷熱物流之間進行換熱，口袋外僅采用低壓蒸汽作為裝置的熱源。

對現有換熱網絡的優化改造應充分考慮現行網絡已有的結構，盡可能少變動，充分考慮利用現有換熱器，減少改造投資費用。在現行換熱網絡的改造中，一些換熱量較小的換熱器不具備優化價值，故被忽略，主要考慮消除表2中所列舉的4個不合理換熱量較大的換熱設備。

3.1 副產中壓蒸汽優化方案

根據換熱網絡的總復合曲線分析，口袋的最大熱負荷為8 393 kW，即最大可產生8 393 kW中壓蒸汽。口袋中溫差較大，根據工業中常用的飽和蒸汽等級，飽和低壓蒸汽(1.0 MPa)的溫度為179.9 ℃，飽和中壓蒸汽(3.5 MPa)的溫度為242.6 ℃，故在口袋中存在至少兩級公用工程級別，因此本案例滿足口袋熱優化的使用條件[6]。采用Aspen energy analyzer計算，具體優化方案如下：熱物流H1上增加一換熱器EA1，用來增產中壓蒸汽，根據前面的分析，可增產中壓蒸汽的量為8 393.0 kW，其對應熱物流H1中溫位為493.3～436.3 ℃的熱量；H1用來加熱冷物流C1的溫度變成436.3～146.0 ℃，熱負荷為42 739.5 kW；H3夾點以上的熱負荷為7 666.1 kW，原本由冷卻公用工程直接冷卻，現用來加熱C1的低溫部分；對于C1不足的熱量，增加一個換熱器EA2，用低壓蒸汽來提供，負荷為726.9 kW；C6、C7原本由加熱公用工程加熱，現用H3夾點下的熱量來加熱，所需熱量分別為307.2 kW和101.4 kW，均可達到工藝要求的溫度，因此H3空冷器的負荷由3 569.0 kW降為2 844.3 kW。

優化后的換熱網絡如圖4所示。

根據優化方案可以看出，若將口袋內的高溫熱完全用于產生中壓蒸汽，則需要額外多消耗部分低壓蒸汽，雖然會增加部分投資，但從收益的角度看仍是合理的，這也符合提高能量利用效率的要求。經過此方案的優化后，系統可產生8 393.0 kW中壓蒸汽，比初始網絡增耗726.9 kW低壓蒸汽。

圖4 方案一優化后的換熱網絡圖中數據為溫度， ℃

3.2 去掉加熱爐優化方案

原換熱網絡中含有一個加熱爐，采用燃料氣進行加熱。從換熱網絡可以看出，冷物流C1，C2，C3由加熱爐提供熱量，而這3股物流所需的溫度和熱負荷都可以由熱工藝物流或低壓蒸汽提供，因此可以考慮去掉加熱爐。具體優化方案如下：C2、C3均由H1加熱，使其溫度達到工藝要求，H1溫度降為489.5 ℃；H1剩余熱量用來加熱C1，換熱量為50 570.9 kW，C1仍需407.7 kW熱量，這部分熱量由低壓蒸汽提供，增加一個換熱器EA2；C6、C7原本由加熱公用工程加熱，現用H3夾點下的熱量來加熱，所需熱量分別為307.2 kW和101.4 kW，因此H3空冷器的負荷由3 569.0 kW降為2 844.3 kW。這樣優化后所有物流溫度均達到工藝要求。

優化后的換熱網絡如圖5所示。

圖5 方案二優化后的換熱網絡圖中數據為溫度， ℃

4 經濟性分析

中、低壓蒸汽價格分別為170元/t、120元/t，燃料氣價格為2 000元/t，年裝置運行時間按8 000 h計。換熱器的投資費用與面積成指數關系，一般可表示為C=a+bAc[7](式中a，b，c為價格系數，安裝費用a取20 000元，每平方米換熱面積b取400元，c取1)。

方案一優化后增產中壓蒸汽8 393 kW，約合8.2 t/h，節省費用1 115萬元/a；增耗低壓蒸汽318.3 kW，約合0.36 t/h，增加費用34.5 萬元/a。因此，總的節能效益為1 080.5萬元/a。新增兩臺換熱器EA1、EA2，面積分別為248.3 m2、67.24 m2；更換3臺換熱器，面積為26.07，76.49，3 876 m2，需投資181.7萬元。因此，簡單投資回收期約為2個月，年凈效益1 044.2萬元。

方案二優化后節省加熱爐燃料7 918 kW，約合0.72 t/h，節省燃料氣費用1 146萬元/a；增耗低壓蒸汽407.7 kW，約合0.46 t/h，增加費用44.2萬元/a。因此，總的節能效益為1 101.8萬元/a。新增兩臺換熱器EA1、EA2，面積分別為207.3 m2、15.79 m2；更換3臺換熱器，面積分別為26.07 m2，76.49、3 876 m2，需投資178萬元。簡單投資回收期約為2個月，年凈效益1 066.2萬元。

5 結 論

采用夾點技術對S Zorb裝置的用能狀況進行了分析與優化，發現S Zorb裝置不僅在數量上存在跨越夾點的不合理用能，節能潛力為24%，且在夾點以上的熱口袋內存在高能低用的問題。對該裝置用能提出了兩個優化方案：方案一保留裝置中的加熱爐，副產中壓蒸汽，對原換熱網絡改動相對較小，年凈效益約1 044.2萬元；方案二取消加熱爐，可節省燃料氣，對原換熱網絡改動相對較大， 年凈效益約1 066.2萬元。兩個方案的改造費用均較低，回收期均只有約兩個月，可獲得明顯的節能效果和經濟效益。

[1] 劉進平，白永濤，宋紅燕.S Zorb汽油精制裝置操作優化[J].石油煉制與化工，2014，45(12)：50-53

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[3] 吳德飛，莊劍，袁忠勛，等.S Zorb技術國產化改進與應用[J].石油煉制與化工，2012，43(7)：76-79

[4] 馮霄.化工節能原理與技術[M].3版.北京：化學工業出版社，2009：159-160

[5] 肯普.能量的有效利用，夾點分析與過程集成[M].北京：化學工業出版社，2010：50-51

[6] Wang Yufei，Feng Xiao，Cai Yan，et al.Improving a process’s efficiency by exploiting heat pockets in its heat exchange network[J].Energy，2009，34(11)：1925-1932

[7] 王雷，蔣寧.基于MATLAB的管殼式換熱器優化設計[J].輕工機械，2012，30(2)：9-12

ENERGY UTILIZATION ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF S Zorb PROCESS

Xue Chao， Feng Xiao， Wang Yufei

(ChinaUniversityofPetroleum，Beijing102249)

S Zorb process is a desulphurization technology for clean fuel production， the energy utilization of the whole device can yet be further improved. In this paper， pinch technology was used to analyze the S Zorb process in a refinery with the help of the grand composite curve. The results indicate that the device consumes overmuch utility， energy saving potential can be about 24%， and meanwhile， the problem of high energy for low energy situation exists in the pockets of the grand composite curve. Two optimization schemes are proposed. In the first scheme， furnace is retained and medium pressure steam is generated as a byproduct， which realizes the cascade utilization of energy， resulting in a benefit of 10.442 million RMB per year. The other scheme is to remove the furnace which leads to the less consumption of fuel gas with a benefit of 10.662 million RMB per year. Both the schemes have low retrofitting costs and short payback periods. A large amount of energy can be saved which contributes to considerable economic benefits.

S Zorb process； pinch technology； energy utilization analysis； grand composite curve

2014-12-18； 修改稿收到日期： 2015-02-06。

薛超，碩士，從事過程系統工程研究工作。

馮霄，E-mail：xfeng@cup.edu.cn。

國家自然科學基金項目(21306228)。