提高S Zorb裝置低溫熱利用效率的方案探討

孟 銳

(中國石化鎮海煉化分公司，浙江 寧波 315207)

提高S Zorb裝置低溫熱利用效率的方案探討

孟 銳

(中國石化鎮海煉化分公司，浙江 寧波 315207)

介紹了中國石化鎮海煉化分公司1.5 Mta催化裂化汽油吸附脫硫裝置目前低溫熱利用現狀，提出新的換熱網絡，利用Petro-Sim流程模擬軟件進行測算。結果表明，優化后的換熱網絡可提高低溫熱的利用效率，達到降低裝置能耗的目的，多余的低溫熱可外供，進一步被回收利用。

S Zorb 催化裂化汽油 脫硫 低溫熱 能耗

催化裂化汽油吸附脫硫(S Zorb)技術具有反應速率高、辛烷值損失低、產品脫硫率高、能耗低、吸附劑可循環再生等特點[1-5]，作為汽油產品質量升級的主要技術手段，在全國范圍得到廣泛應用。中國石化鎮海煉化分公司(簡稱鎮海煉化)目前擁有1.50 Mt/a和0.9 Mt/a兩套催化裂化汽油S Zorb裝置，承擔著企業生產滿足國Ⅴ排放標準汽油的任務，裝置在設計時已考慮到低溫熱的回收利用，增加了多臺換熱器，但開工運行后一直效果不佳，裝置低溫熱利用效率較低。為進一步降低裝置能耗，挖掘低溫熱回收利用的潛力，提出并探討一種新的換熱模式，并結合Petro-Sim流程模擬軟件進行可行性分析。

1 低溫熱回收利用現狀

1.1 提高穩定塔進料溫度，降低蒸汽消耗量

圖1為目前穩定塔換熱網絡。由圖1可見，為提高穩定塔C201的進料溫度，設計之初增加了E205、E201兩臺換熱器。E205為冷進料-凝結水換熱器，目的是提高冷高壓分離器D121來的冷進料溫度，實際運行過程中，因C201消耗蒸汽量不大，因此凝結水量較小，實際加熱效果不佳，正常工作時加熱后的冷進料溫度為55 ℃左右。E201為精制汽油-熱進料換熱器，用于提高熱進料溫度，實際運行過程中，由于熱進料與塔底精制汽油溫差較小(不足10 ℃)，實際換熱效果也不好，目前已停運E201。用提高C201進料溫度來達到降低蒸汽消耗量的方向是對的，但上述換熱網絡的實際運行效果欠佳。

圖1 目前穩定塔換熱網絡

1.2 與其它裝置進行低溫熱聯合利用

催化裂化-氣體分離-S Zorb-生活區供暖低溫熱聯合利用項目于2016年建成投用，催化裂化熱水供氣體分離裝置作為脫丙烷塔熱源，使用后熱水與S Zorb裝置穩定塔塔底精制汽油換熱，將熱水溫度由60 ℃加熱至100 ℃，供生活區供暖使用，最后再回到催化裂化裝置。項目投用后整體節能效果顯著，換熱后精制汽油溫度由135 ℃左右降至75 ℃，達到設計目標。但這種方式仍存在一定不足，一方面項目在供暖期才能投用，其余時間則不具備低溫熱回收利用的條件；另一方面這種換熱方式受裝置間距影響較大，不適合普遍推廣，其它煉油廠各裝置間如果距離過長，則投資成本較大且投用后熱損失較高，因此這種低溫熱利用方式在采用前要根據自身狀況考慮。

2 構建新型換熱網絡以降低裝置能耗

以鎮海煉化1.50 Mt/a催化裂化汽油S Zorb裝置為例，能耗組成見表1。由表1可見，1.0 MPa蒸汽消耗量占裝置總能耗的18.82%，如能停用穩定塔塔底熱源，理論上裝置能耗將下降18%左右，節能效果可觀。

表1 裝置能耗組成

2.1 增設冷高壓分離器進、出口換熱器

對原換熱器E205進行優化，改為冷高壓分離器D121進、出口換熱器。管程由原1.0 MPa凝結水改為D121入口油氣混合物。如此一方面可提高D121出口冷進料進C201的溫度；另一方面可省去1.0 MPa冷凝水。圖2和圖3分別為優化前后D121的換熱流程示意。

圖2 優化前冷高壓分離器D121換熱流程示意K101—循環氫壓縮機； A101—空氣冷卻器； D103—循環氫壓縮機入口分液罐

圖3 優化后冷高壓分離器D121換熱流程示意

利用流程模擬軟件Petro-Sim對優化前后E205AB各溫度點進行模擬測算，結果見表2。由表2可見：進入A101的介質溫度下降20 ℃，至少可停用1臺空氣冷卻器；D121出口物流進穩定塔溫度升高較多，可降低C201塔底蒸汽消耗量。每臺空氣冷卻器功率22 kW，每年可節約電量184 800 kW·h。因下面將探討停用蒸汽的情況，在此不計算改造后的節汽量。

表2 優化前后的參數測算結果

當前采用凝結水換熱還存在泄漏問題，管束泄漏時會將凝結水帶至C201，造成C201帶水，引起操作大幅波動，影響產品蒸氣壓及增加罐區脫水工作量。優化后換熱器兩側均為汽油且兩側壓力接近，可大大降低因泄漏引起的運行波動。

2.2 增設穩定塔精制汽油-汽油混氫原料換熱器

目前C201塔底溫度為137 ℃，之前對停用塔底蒸汽做過嘗試，停熱源后塔底溫度約為130 ℃，精制汽油蒸氣壓滿足指標要求(80 kPa)，但汽油罐區經常會發現冒“白氣”的現象，對周邊環境造成影響。若調整精制汽油蒸氣壓至60～70 kPa，這時停用塔底熱源就不能滿足蒸氣壓的需求，為將塔底溫度提高7 ℃，當前需消耗1.5 t/h的蒸汽量，造成裝置能耗上升。為了解決這一問題，可對C201塔底精制汽油進行換熱流程優化。優化前后的換熱流程如圖4所示，由目前的裝置原料泵P101出口直接至E101進行換熱升溫，優化為先經C201塔底汽油預熱后，再經E101換熱升溫，新增換熱器暫命名為E209。

圖4 優化前后換熱流程E101—裝置原料與反應生成油換熱器； F101—混氫原料加熱爐； R101—S Zorb反應器； A202—C201塔底汽油空氣冷卻器

C201塔底精制汽油可全部、也可部分進入換熱器加熱混氫汽油原料，利用RSIM流程模擬軟件測算精制汽油全量經過時的工況，換熱器各工藝參數如表3所示。

表3 換熱網絡優化前后的參數對比

由表3可見，精制汽油全量經過時，E101殼程出口溫度由135.9 ℃升至163.8 ℃，即D104進口物料換熱后溫度達163.8 ℃，D104至C201溫差約為5 ℃，穩定塔熱進料溫度為158.8 ℃。實際上D104溫度為145 ℃時即可停用C201塔底蒸汽，因此熱量富裕，并不需要精制汽油全量進入E209換熱。

E101管程出口溫度由369.4 ℃降至364.4 ℃，意味著F101入口溫度下降5 ℃，F101瓦斯消耗量增加，同時因D104溫度有富余，因此理論上存在一個最佳操作點，使裝置總體能耗最低。另外E101管程入口溫度由63.4 ℃升至93.9 ℃時，出口溫度反而下降，下面將對此進行具體分析。

2.3 E101運行工況分析

E101殼程入口介質為反應生成油，溫度為反應溫度，較為穩定。考察原料(E101管程入口)溫度對E101管、殼程出口溫度的影響。圖5和圖6為E101近1年的運行記錄，可知原料溫度升高，E101殼程出口(D104)溫度升高，同時E101管程出口溫度略有下降，利用Petro-Sim軟件搭建E101模型進行測算，可知原料溫度升高時，E101管程出口溫度下降主要與E101內介質氣化率有關，詳見圖7所示。

圖5 原料與D104溫度

圖6 原料與E101管程出口溫度

圖7 原料溫度-管程出口溫度-汽化率的關系

軟件模擬結果和實際工況基本吻合，說明在反應生成油溫度不變的情況下，提高E101管程入口溫度，出口溫度反而降低是因為溫度升高后E101內汽油混氫原料的汽化率升高，導致換熱效果變差，但E101殼程出口溫度會有較大升高，有助于大幅提高穩定塔進料溫度。

2.4 測算最佳操作點使裝置能耗最低

前述分析結果表明，目前停用穩定塔塔底蒸汽需保證D104溫度由137 ℃提高至145 ℃，這一過程中E101管程出口溫度(F101入口溫度)會下降，導致燃料氣消耗量增加，停用蒸汽后節約的能耗與燃料氣增加的能耗差值即為裝置的節能量。表4為停用塔底蒸汽后各參數情況。

表4 停用塔底蒸汽后相關參數變化情況

結合表1和表4可知，停用塔底蒸汽后，裝置能耗下降約18.8%，優化前后燃料氣消耗量相差15 kg/h，即燃料氣消耗量增加2.81%，換算成能耗為燃料氣增加52.95%×2.81%=1.5%。由測算結果可知，優化后裝置節能量預計可達17.3%，且只利用了40 t/h精制汽油低溫熱，仍然有130 t/h精制汽油低溫熱可利用。對于夏季精制汽油冷卻負荷不足的煉油廠，還可降低產品出裝置溫度，減少冷卻器改造費用。

目前S Zorb裝置原料由上游催化裂化裝置直供，理論上也可通過提高原料溫度來達到提高E101管程入口溫度目的，但當原料溫度超過70 ℃，原料泵P101有抽空風險，因此S Zorb裝置在設計時就對原料溫度有嚴格要求。優化后網絡采用從P101后提溫，因此不存在這個問題。

3 有機朗肯循環發電透平技術

采用新的換熱網絡后仍有約130 t/h精制汽油低溫熱可供向外輸出使用，可考慮與其它裝置進行聯合利用或采用有機朗肯循環發電透平技術。從鎮海煉化2016年建成的低溫熱區域聯合利用項目實際運行來看，雖然技術門檻較低，但也暴露出很多缺點，即不能全年投用、受外部因素制約較多、熱損失較大等，因此目前就有機朗肯循環發電透平技術已與相關廠商進行了多次技術交流，初步考慮采用該技術。

該項技術目前在國內的應用也較為成熟，具有適應范圍廣、投資成本低、對低溫熱介質溫度要求較低等特點[6]，國內某大型煉油廠柴油加氫裝置已采用該項技術，國內首次利用精制柴油進行發電。主要原理是利用低溫熱工藝介質與朗肯循環工作介質進行換熱，常見工作介質有五氟丙烷等。工作介質膨脹發電，膨脹后的工作介質經冷卻后循環使用，發電可根據需要并入380 V、6 000 V或10 000 V電網。在采用該技術回收精制汽油低溫熱時仍有以下兩個問題需要考慮：①工作介質泄漏的檢測問題，換熱器腐蝕會導致工作介質泄漏，并會污染精制汽油，目前尚無直接的檢測手段，且對汽油的影響尚不明確。②工作介質儲存問題，特別是裝置停工檢修或發電機組檢修時大量的工作介質儲存運輸及對土壤、水質等會產生污染，需要妥善安排和解決。有機朗肯循環發電透平技術很適合S Zorb裝置低溫熱介質的利用，但仍需對上述兩個問題進行深入探討。

4 結 論

(1)S Zorb裝置換熱網絡優化后，實際上是適當提高了E101管程入口溫度，在減少蒸汽消耗量和減少加熱爐燃料氣消耗量之間尋找平衡。

(2)新的換熱網絡經模擬軟件測算，其能耗預計下降17%左右，不包括每年節電184 800 kW·h，富余的低溫熱可進一步回收利用。通過提高低溫熱利用效率來降低裝置能耗的方法，對其它S Zorb裝置具有一定的借鑒作用。

[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

[2] 簡建超，孫浩，馮海春.煉油廠國Ⅴ排放標準汽油生產方案中S Zorb裝置的優化[J].石油煉制與化工，2017，48(6)：61-64

[3] 薛超，馮霄，王彧斐.S Zorb裝置用能分析與優化[J].石油煉制與化工，2015，46(7)：95-100

[4] 曾宿主，解增忠，許友好.生產滿足國Ⅴ排放標準汽油的技術路線及其效益分析[J].石油煉制與化工，2015，46(8)：7-11

[5] Xu Li，Zou Kang，Xu Guangtong，et al.Study on the formation mechanism of Zn2SiO4in S Zorb sorbents and its inhibition methods[J].China Petroleum Processing & Petrochemical Technology，2016，18(2)：1-6

[6] 孫志強，易思陽，郭美茹，等.利用中低溫余熱的回熱有機朗肯循環性能分析[J].熱能動力工程，2015，30(1)：24-30

DISCUSSIONONIMPROVINGTHEUTILIZATIONEFFICIENCYOFLOWTEMPERATUREHEATOFSZorbUNITWTBZ

Meng Rui

(SINOPECZhenhaiRefining&ChemicalBranch，Ningbo，Zhejiang315207)

This paper introduces the present situation of low-temperature heat utilization of 1.5 Mt/a S Zorb unit in SINOPEC Zhenhai Refining and Chemical Company，and proposes a new heat exchange network.The results shown by Petro-sim simulation software demonstrated that the optimized new network can improve the utilization of low temperature heat and reduce the energy consumption of the device.The extra low temperature heat can be used for further recycling.

S Zorb； catalytic cracking gasoline； desulfurization； low temperature heat； energy consumption

2017-06-15；修改稿收到日期2017-08-15。

孟銳，從事產品脫硫工藝管理工作。

孟銳，E-mail：mengrui.zhlh@sinopec.com。