加氫裂化裝置能耗優化方案的分析

(四川大學化學工程學院，四川成都，610065)

隨著經濟和社會的發展，能源的供求矛盾日益加劇。同時，原油供應的短期、原油品質的惡化、化工耗能的增加、環境污染等問題也日益嚴重，并成為制約經濟發展的瓶頸[1]。作為耗能大戶的煉油企業，一定要高度重視煉油生產中的節能降耗工作[2]。

為提高蠟油加氫裂化裝置能源利用率，全面降低能耗，某石化廠針對自身情況，對蠟油加氫裂化裝置做了關于降低能耗的技術改造，并在實際生產中取得了很好的效果，在全廠增產增效、節能減排中發揮了積極的作用。

1 蠟油加氫裂化裝置概況

某石化蠟油加氫裂化裝置設計年處理量270萬t/a，采用UOP工藝技術，由反應、分餾和脫硫三部分組成，采用雙劑串聯一次通過加氫裂化工藝[3]。裝置主要以減壓蠟油為原料，生產液化氣、石腦油、航煤、柴油，尾油等產品。

簡單工藝為：原料升壓、升溫后與加熱爐出來的高溫氫氣混合，進入加氫精制、加氫裂化反應器進行脫金屬、加氫脫硫、加氫脫氮、加氫脫氧、烯烴飽和、芳烴加氫飽和等精制反應和加氫裂化反應。反應產物降溫、分離后得到主要產品液化氣、輕石腦油、重石腦油、航空煤油、柴油及尾油[4]。

2 節能降耗舉措

裝置的節能降耗可以減少消耗，增加經濟效益。節能降耗的工作主要采取以下兩個方面的措施。

2.1 技術改造優化

通過技術改造優化，淘汰掉落后設備，更新工藝技術，采用新的高效設備[5]。

2.2 調整產品結構

對于能耗高而利潤低的產品生產方案，可以少生產或不生產，例如多產柴油方案；對于經濟利益高的航煤生產方案，可以多生產。

3 技術改造優化的實施

在2015年初，某石化公司加氫裂化裝置集中進行了技術改造優化。此次優化以本裝置內部能量優化為主，包括優化換熱網絡流程、優化新氫壓縮機無級變速系統、投用熱高分底液力透平等[6]。

3.1 能量轉換、傳輸環節技術改造優化

3.1.1 新氫壓縮機增加無級氣量調節系統

因為反應系統氫氣耗量經常變化，且長期處于低負荷工況運行，一臺壓縮機提供的氫氣量不足，兩臺壓縮機提供的氫氣量又太大，于是長期使用具有三返一功能的K2002C運行，再加一臺A機或者B機搭配運行。如此一來，在低負荷運行時K2002C基本接近全量返回，即使是在高負荷運轉時，全部氫耗也只有9萬Nm3/h，即C機有接近27%的氫氣量在返回。

新氫壓縮機K2002A/B/C型號為3HHE-VL-3三級往復式壓縮機，軸功率4365 kW，入口流量52000 Nm3/h，共有三臺。驅動壓縮機運行的原動機為沈鼓集團生產的型號TAW5100-20/325OW電機，功率5100 kW。

新氫壓縮機沒有賀爾碧格系統，無法實現無級量調節，在裝置氫耗發生變化時，往往造成新氫壓縮機滿負荷運行，而實際效率卻只有50%或60%，大大浪費了電功。

2015年2月開始改造投用賀爾碧格無級氣量調節系統，且分別對K2002A和K2002B都增設了無級氣量調節系統，以降低新氫壓縮機的能耗。

表1 賀爾碧格投用前后K2002C各參數對比

根據電功率的計算公式，在75%負荷運行工況下，節約電功率=1.732×10×(270-204)×0.89=1143 kW，運行時間按8400小時計算，電價按0.61元計算，則每年僅電費就可節約585萬元左右[7]。

3.1.2 空冷器、鼓風機、引風機增設變頻電機

(1)因為空冷器有很多沒有百葉窗，也沒有安裝變頻電機，在對工藝介質進行溫度調整時只能人工啟停電機，這樣就會存在停一臺空冷介質溫度過高，啟一臺空冷介質溫度過低。于是在此次節能改造中對空冷增設了變頻電機。根據表2的相關數據，經過計算，40臺變頻空冷每小時節省355kW·h，每年按8400小時計算，變頻空冷可節省180萬元左右。

(2)鼓風機K801、K802型號G4-73-1550D，軸功率110kW。驅動鼓風機的原動機為型號YBPT315L-6的主電機，功率132 kW。

引風機K803型號Y4-73-1850D，軸功率138kW。驅動引風機的電機型號YB355L1-6，功率220kW。經過測算，變頻鼓風機和引風機每小時節約用電87kW·h，每年按8400小時計算，電價按0.61元計算，每年節省電費44萬元左右。

表2 空冷電機相關參數表

3.2 能量回收環節技術改造優化

在此次節能改造項目中，加氫裂化裝置增設了熱高分底部液力透平，充分回收熱高分液的能量來驅動反應進料泵。

加氫裂化裝置熱高分壓力13.151MPa，溫度276℃，底部液體流量160m3/h。此次設置TLKS0500液力透平后，熱高分液經液力透平傳輸能量后，熱高分液壓力降低到2.596MPa，溫度基本保持不變，熱高分液密度約0.8t/m3，液力透平效率按90%計算，則液力透平每小時可回收能量160×(13.151-2.596)×1817.7×0.8×0.9/367=2210kW·h。全年按8400小時計算，電價按0.61元計算，則每年可節省費用1100萬元左右。

3.3 能量利用環節技術改造優化

3.3.1 優化反應流出物和熱高分氣換熱流程

原料油和循環氫在精制反應器和裂化反應器中進行放熱反應，反應結束后在裂化反應器底出來，這一部分流體我們稱為反應流出物。高溫的反應流出物與循環氫和反應進料換熱，供給熱能，使循環氫和反應進料溫度升高，節省反應加熱爐的燃料氣消耗量。

此次在反應流出物換熱流程最后增加了一臺與汽提塔底油換熱的換熱器，汽提塔底油經反應流出物加熱后溫度可以提升8-10℃，然后進入預閃蒸罐，后經分餾塔進料泵升壓輸送進分餾塔進料加熱爐，而后進入分餾塔進行分離。

改造后充分利用了反應流出物高品質熱能來加熱分餾塔進料，達到節省燃料氣的目的。

3.3.2 優化熱高分氣換熱流程

反應流出物經過換熱之后冷卻到274℃，進入熱高壓分離器進行油、氣兩相分離。熱高壓分離器頂部出來的氣體我們稱為熱高分氣。

此次優化的點在于充分讓熱高分氣與冷原料、冷循環氫換熱，充分使用高溫位的熱量。換熱后的熱高分氣溫度已經降得很低，非常容易在后面的換熱器中產生銨鹽結晶現象，導致換熱器管束堵塞。于是放棄熱高分氣與低分油的換熱，低分油全部走副線。

3.3.3 優化石腦油分餾塔再沸器換熱流程

石腦油再沸器的熱源是航煤中段回流，航煤中段回流是分餾塔的一個內回流。在2014年生產調整中，中段回流量始終保持在280t/h左右。后來，發現石腦油塔底溫度偏低造成重石腦油水含量增加，于是調整中段回流量來增加石腦油分餾塔底的熱量。在作出調整后，分餾塔內的熱量得到及時排除，降低了分餾塔頂空冷的負荷，同時，也增加了石腦油塔底溫度，保證了重石腦油水含量合格。

3.3.4 分餾塔進料加熱爐出口溫度優化

為了實施節能降耗目的，不斷摸索調整操作參數，分析產品質量。在保證產品質量的同時，降低分餾塔進料加熱爐出口溫度(其設計值377℃)。將其調整到350℃后，分餾塔的氣相回流正常，各產品收率和流程切割、重疊現象不明顯。故將分餾塔進料加熱爐出口溫度降至350℃，是一次成功的節能降耗舉措。

通過高通量測序技術、重點針對郎酒高溫制曲過程中的6個階段，研究高溫制曲過程中“醬香功能菌群（細菌與真核微生物）”的組成與演化規律。該項研究結果對解析郎酒高溫制曲機制奠定基礎，同時亦為優化制曲工藝、監測曲塊品質、提升醬香型酒產量以及品質，提供理論指導。

3.4 調整原料、產品結構的實施

在2014年里，加氫裂化裝置負荷只有39.69%，裝置處理量嚴重不足，回煉尾油量大，導致能耗增加。后來，在公司協調、統一安排、有機結合的統籌下，增加常三線組分中柴油組分的比例，以此來增加加氫裂化裝置的原料。同時，增加催化裂化裝置來的一條線，將催化柴油作為原料引進裝置。再者，公司通過外購一部分蠟油來增加加氫裂化裝置處理量。最終，在2015年里加氫裂化裝置負荷上升至60.5%。

反應進料泵運行過程中最低流量為320 t/h，而通常反應系統進料量在200 t/h，反應進料泵運行工況效率低，大大增加了電耗。此次原料結構進行調整后，反應進料泵的效率有大幅增加，使單位能耗有所降低。

而摻煉柴油導致精制反應器溫度需要提升，冷氫量增加，需要提高循環氫壓縮機轉速，這些都是4.0MPa蒸汽消耗增加的問題所在。

摻煉催化柴油，因為催化柴油里烯烴含量高而使反應放熱量有所增加。與反應產物換熱的原料油、循環氫的溫度會得到提高，使加熱循環氫的反應加熱爐的燃料氣消耗有所降低。

4 加氫裂化裝置能耗優化的效果

4.1 能耗優化效果

將2015年的單位能耗和2014年的數據進行對比，相關數據詳見表3。

表3 優化前后各項單位能耗和綜合能耗值(單位：kgEO/t)

從表3的數據比對，不難看出，實施科學的石化生產過程管理、技術改造優化以及原料、產品的結構調整等一系列節能降耗的舉措之后，加氫裂化裝置綜合能耗由41.84 kgEo/t下降到34.263 kgEo/t，下降幅度18.1%。

4.2 加氫裂化裝置繼續挖潛增效

在經歷了初步能耗優化舉措后，加氫裂化裝置在能量消耗方面取得了重大成績。但是，深挖效益，查找短板，繼續在過程管理、技術改造優化以及原料、產品結構調整三個大的方面挖潛增效，持續改進，勢在必行。2015年到2017年近三年的綜合能耗數據見表4。

表4 2015至2017年各項單位能耗值

從表4可以看出，2016年全年裝置累計加工量2357053噸，年生產負荷85.24%，比2015年高出24.74%，裝置綜合能耗較設計值低3.98 kgEo/t。2017年全年裝置累計加工量2223180噸，年生產負荷82.34%，裝置綜合能耗較設計值低2.065 kgEo/t。

5 結論

在各項方案措施得到有效實施后，裝置能耗得到明顯降低，加氫裂化裝置綜合能耗由41.84 kgEo/t下降到34.263 kgEo/t，下降幅度18.1%。至2017年，裝置全年生產負荷為82.34%，裝置綜合能耗31.885 kgEo/t，較2014年下降23.8%，較設計值低6.2%。

通過分析與研究，本文得到以下主要結論。

5.1 能量轉換、傳輸環節

通過增加新氫壓縮機無級氣量調節系統，可以大大降低新氫壓縮機對電的消耗，每年節省585萬元左右。通過增設空冷器、鼓風機、引風機變頻電機，每年可節省電費224萬元。

5.2 能量回收環節

在此次節能改造項目中，加氫裂化裝置增設了熱高分底部液力透平，充分回收熱高分液的能量。每年可節省電量2210 kWh，節省費用1100萬元左右。

5.3 能量利用環節

通過優化反應流出物和熱高分氣換熱流程、優化熱高分氣換熱流程、優化石腦油分餾塔再沸器換熱流程、優化分餾塔進料加熱爐出口溫度，實現充分利用高品位能量、實現降低燃料氣消耗的目的。