加氫裂化裝置的能耗分析及節能優化措施

楊靚，易志

（中韓（武漢）石油化工有限公司，湖北武漢 430000）

1 裝置概況

某石化公司180萬t/a加氫裂化裝置由SEI總體設計，中國石化工程建設四公司承建，采用一段串聯一次通過的加氫裂化工藝。反應部分為國內成熟的爐前混氫方案，其中分餾部分為硫化氫汽提塔＋常壓塔出柴油方案；吸收穩定部分采用混合石腦油作吸收劑；脫硫部分采用MDEA作脫硫劑，對液化氣和低分氣進行脫硫，并設有溶劑再生系統；低分氣氫提濃部分采用變壓吸附PSA方案。裝置以輕蠟油為原料，生產重石腦油、航煤、柴油、液化氣、輕石腦油和加氫尾油。

2013年6月裝置一次開車成功，在2016年4月裝置停工檢修期間，將R-6102裂化反應器第四床層更換為FC-80新劑。該文以企業180萬t/a加氫裂化裝置能耗數據為基礎，采用三環節理論模型對裝置的用能過程進行深入分析，提出裝置節能優化方向，制訂切實可行的優化措施，并對優化后的節能效果及各項技術經濟指標進行分析。

2 過程用能分析三環節模型

加氫裂化反應過程高溫、高壓、臨氫，進料和氫氣需加熱升溫、升壓，消耗大量的燃料和動力，是煉油廠能耗較大的裝置之一。同任何一個煉油生產過程一樣，加氫裂化裝置系統用能可以歸納為能量的轉換和傳輸、能量工藝利用、能量回收三個環節，如圖1所示[1]。

圖1 用能三環節分析模型

按照設備用能特點，可對加氫裂化裝置進行三環節劃分。

2.1 轉換和傳輸環節

進入該體系的總能量EP包括燃料化學能和部分電能等。通過反應進料加熱爐（F6101）、分餾加熱爐（F6201）、新氫/循環氫壓縮機（K6101、K6102）和反應進料泵（P6102）等設備轉換，EP中的一部分以熱能和機械能的形式提供工藝過程所需要的能量EU，還可直接輸出一部分能量EB如背壓蒸汽，同時不可避免地有一部分提供能量EW通過散熱及排煙直接損失掉。

2.2 工藝利用環節

工藝利用是用能過程的核心，進入該環節的能量除了轉換和傳輸環節有效供入的能量EU外，還有回收環節回收的能量ER。在這一環節中，熱力學能耗ET（產品帶出與原料帶入能量之差）不能回收，其余部分則有可能回收，稱為待回收能量EO。

2.3 回收環節

此處回收的能量有兩部分，一是用于本裝置工藝利用環節的能量，即回收循環能ER；另一部分是用于本裝置以外的能量，即回收輸出能EE，未回收的能量則以散熱、冷卻、物流排棄等方式進入周圍環境，即排棄能量EJ。

3 能耗組成

加氫裂化裝置的設計能耗為32.53 kgEO/t原料，2014年裝置能耗為23.36 kgEO/t原料，集團排名第8。為提高經濟效益，通過對能耗構成進行分析并進行相應技術改造、優化操作，裝置能耗逐漸降低，2019年已降至17.38 kgEO/t原料，相應排名上升至第2位。2014―2019年的裝置能耗趨勢見圖2。

圖2 2014—2019年加氫裂化裝置能耗趨勢

表1列出了2014-2019年裝置各項單耗的對比情況。從表1可以看出能耗組成中，電耗、燃料氣單耗和蒸汽綜合能耗占94%～97%。因此對于加氫裂化裝置來說，能耗分析及節能措施的制定也應該圍繞燃料氣、電、蒸汽等因素進行。

表1 加氫裂化裝置能耗變化 kgEO/t原料

4 能耗分析及節能優化方向

以降低影響加氫裂化裝置能耗的主要影響因素——電、燃料氣、蒸汽等的消耗為目標，依據過程系統用能模型進行能耗分析，得出每個環節的節能優化方向。

4.1 能量的轉換和傳輸環節

電耗是影響裝置能耗的最主要因素，其中新氫壓縮機、反應進料泵是裝置主要的耗電設備。影響電耗的主要因素一方面取決于用電設備的數量及效率，另一方面壓縮機賀爾碧格控制系統和液力透平的運行狀況對電耗有較大影響。影響裝置能耗的第二大因素是燃料氣消耗量，主要有反應加熱爐燃料氣、分餾進料加熱爐燃料氣。

優化方向：提高加熱爐熱效率；提高機泵效率，保證機泵在高效的工作區內運行；保證壓縮機賀爾碧格控制系統和液力透平的長周期運行。

4.2 能量的工藝利用環節

根據裝置工藝構成，主要用能設備是兩臺反應器、汽提和主分餾塔、高低壓分離器及其它容器。反應設備的能耗主要取決于3.5 MPa蒸汽的消耗量；汽提和主分餾塔的能耗則取決于1.0 MPa汽提蒸汽的消耗量。

降低反應設備的能耗，其關鍵在于降低反應系統壓降、降低循環氫量、提高裂化反應器出口溫度；而采用低床層壓降的催化劑、保證合適的氫油比、提高裂化反應器出口溫度是主要手段。在節能優化方向上采用低床層壓降的催化劑，可以降低反應系統的壓力損耗，從而降低循環氫壓縮機的蒸汽消耗；降低氫油比使循環氫壓縮機的蒸汽用量減少，同時降低加熱爐熱負荷和燃料消耗；提高裂化反應器出口溫度可以提高反應加熱爐的入口溫度，減少燃料消耗。

優化方向：在滿足產品質量的前提下，可以降低塔底的汽提蒸汽量，以減少1.0 MPa蒸汽的消耗。

4.3 能量的回收環節

從能耗模型可知，工藝總用能包括有效利用能和回收循環能，因此提高能量的回收利用率是降低裝置能耗的關鍵。回收加氫裂化裝置低溫熱，進料采用熱進料，利用分餾塔中段回流產生低壓蒸汽，都能有效降低裝置能耗。

優化方向：提高熱進料溫度、回收裝置凝結水的熱量、提高汽包的產汽量、回收裝置的低溫熱；還應加強高溫部位的保溫，減少散熱排棄。

5 節能措施與效果

5.1 能量的轉換和傳輸環節

5.1.1 對部分機泵葉輪進行切削

在實際生產中，發現部分機泵余量較大，如尾油泵、二中回流泵等，因而對有余量的泵進行了葉輪切削，在機泵運轉正常情況下電流下降，進而達到節電目的。2015―2018年共對7臺機泵進行了切削，見表2。可以看出，葉輪切削后每小時可節約電90千瓦左右。

表2 葉輪切削前后節電情況

5.1.1 提高加熱爐熱效率

為提高加熱爐熱效率，采取了以下措施：定期清理加熱爐火嘴及長明燈，調整配風量，保證火嘴燃燒狀況良好；加強氧化鋯的維護和管理，嚴格控制氧含量和爐膛負壓，本裝置的氧含量控制在2.0%～2.5%；搞好余熱回收，降低排煙溫度，本裝置的排煙溫度控制在120～125℃。

目前，加氫裂化裝置加熱爐F-6101、F-6201熱效率在93.5%以上，說明裝置能很好的利用燃料氣。

5.1.1 加強節電管理，杜絕浪費

在生產管理中，從以下幾個方面來完善節電管理：1）加強變頻空冷的巡檢，保證其正常運行，夜晚溫度較低時盡量停用部分空冷電機；2）加強對K-6101/A及其賀爾碧格系統的巡檢，以保證其正常運行，從而達到減少裝置電耗的目的；3）控制液力透平工藝介質參數，保證液力透平最大量通過，并且延長運行時間。

5.2 能量的工藝利用環節

5.2.1 裂化反應器第四床層更換使用FC-80催化劑

2016年4月檢修后，裝置裂化反應器R-6102第四床層更換使用FC-80催化劑。由于FC-80的裂化性能較FC-32偏低，因此可在四床層溫升相同的前提下，提高四床層的入口溫度，從而增加裂化反應器的出口溫度；在降低四床層的冷氫消耗的同時，通過提高反應器的出口溫度以增加混氫油進反應加熱爐的溫度，減少瓦斯的消耗。由表3可見，在四床層溫升均為12℃的前提下，本周期四床層的入口溫度上升了2.2℃，反應器的出口溫度上升了2.1℃，四床層的冷氫消耗減少了約1 200 Nm3/h，反應加熱爐入口溫度增加了2℃，瓦斯的消耗減少了約190 Nm3/h。

表3 催化劑更換前后工藝條件對比

5.2.2 控制合理的氫油比，降低3.5 MPa蒸汽消耗

氫油比同樣是影響加氫裂化工藝的重要參數，它影響加氫裂化的反應過程，影響催化劑的壽命，但過高的氫油比將增加裝置的操作費用[2]。因此控制合適的氫油比對反應器的用能影響較大。加氫裂化裝置氫油比的工藝卡片為不小于700，從表4可以看出，氫油比越高，汽輪機消耗3.5 MPa蒸汽量越大。因此在滿足生產需要的情況下，根據處理量的變化及時調整循環氫壓縮機轉速，將裝置氫油比控制在710～750。通過對精制反應器的入口氫油比的卡邊操作，可以降低汽輪機動力3.5 MPa蒸汽的消耗2～3 t/h。同時，也能降低加熱爐的熱負荷、燃料消耗以及風冷器的電耗。

表4 氫油比與汽輪機蒸汽消耗對照

5.2.3 降低汽提蒸汽量

加氫裂化裝置在滿足產品質量的前提條件下，降低了脫硫化氫汽提塔和主分餾塔的汽提蒸汽量，目前汽提蒸汽總量為3.2 t/h，比設計值4.5 t/h減少了1.3 t/h，每年可相應節約135萬元。

5.3 能量的回收環節

5.3.1 優化進料結構，提高進料溫度

加氫裂化裝置分三路進料，分別是減壓蠟油（VGO）、催化柴油、罐區來冷蠟。其中，VGO、催化柴油為熱供料，進料溫度均在100℃以上；罐區來冷蠟為冷供料，進料溫度低于70℃。經過長時間摸索及與上游裝置的持續溝通，加氫裂化裝置將罐區冷蠟占進料比例從40%降至20%以內；VGO進料比例從50%提高至70%以上。加氫裂化裝置進料結構優化后，有效地利用了上游裝置的富余熱量，混合進料溫度從原來的100℃提高至115℃。

5.3.2 改造工藝流程，回收裝置凝結水的熱量

車間對原有工藝流程進行改造，新增一臺換熱器E-6309，將裝置的0.35 MPa蒸汽凝結水用于給干氣提濃裝置的富乙烯產品氣加熱。同時車間將加氫裂化、2#制氫及干氣提濃等3套裝置的凝結水回用，經凝結水冷卻器E-6307后引至反應注水罐D-6111，具體流程見圖3。

圖3 加氫裂化裝置工藝流程改造

表5列出了裝置流程改造前后工藝條件的變化情況。新增E-6309后，富乙烯氣出裝置溫度從30℃提高到了100℃，利于向乙烯進行輸送，同時E-6307每小時可以減少60噸循環水的消耗；新增3套裝置的凝結水回用流程，則每小時可以節約除鹽水用量5噸。

表5 流程改造前后工藝條件對比

5.3.3 調整分餾塔中段回流，優化取熱操作

該裝置分餾塔設計有兩個中段回流，一中回流、二中回流及煤油出裝置前設置蒸汽發生器，用來回收熱量，降低裝置能耗。換熱產汽流程見圖4。

圖4 分餾塔回流換熱產汽流程

在生產過程中，因為尾油生產量的不斷降低，分餾塔中上部氣相負荷增加較多。在滿足各產品切割精度的前提下，通過對分餾塔進行優化調整，盡量提高一中回流、二中回流的負荷，降低頂回流的負荷，以降低分餾塔頂空冷的冷卻負荷，同時增加蒸汽發生器的產汽量。具體調整效果見表6。

表6 分餾塔優化調整前后主要參數對比

調整后分餾塔頂空冷停用一臺，每小時可節電40千瓦左右；而蒸汽發生器的產汽量共增加了5 t/h，每年可節約費用約520萬元。

5.3.4 優化低溫熱利用，減少熱量損失

裝置共有4臺低溫熱除鹽水換熱器，分別利用出裝置的煤油、柴油、尾油及重石腦油來給除鹽水加熱。通過對四路除鹽水的入口溫度和流量控制，盡量使除鹽水多取熱，合理利用低溫熱。同時控制產品出裝置溫度卡上限操作，詳見表7，減少各產品空冷器的負荷，達到節電效果。通過調整，停用了三臺空冷風機，每小時節電25千瓦左右。

表7 產品出裝置溫度控制 ℃

6 節能效果及技術經濟指標

6.1 節能效果

①混合熱進料溫度由100℃升至115℃，提高了15℃。

②反應加熱爐入口溫度從346℃升至348℃，提高了2℃。

6.2 技術經濟指標

經過上述優化，裝置能耗明顯降低，2019年綜合能耗為17.38 kgEO/t，可產生經濟效益約1 872萬元/年，詳見表8?？梢钥闯?，裝置經過節能優化后，電耗減少了0.92 kgEO/t原料，燃料氣消耗減少了1.46 kgEO/t原料，蒸汽綜合消耗減少了2.44 kgEO/t原料。

表8 節能措施效果匯總

7 總結

該文針對某石化企業180萬t/a加氫裂化裝置能耗進行了分析和研究，采用三環節理論模型對該裝置用能過程進行了深入分析，圍繞如何降低加氫裂化裝置能耗主要影響因素即電、燃料氣、蒸汽等項目的消耗，指出加氫裂化裝置節能方向，并提出切實可行的措施。相應措施被采納一段時間后，裝置的綜合能耗明顯降低。2019年裝置的綜合能耗為17.38 kgEO/t原料，可以增加效益約1 872萬元/年。