S-Zorb裝置節能增效工藝優化

李江波,蔡龍,梅勝,薛靜

(陜西延長石油(集團)有限責任公司延安石油化工廠,陜西 延安 727406)

陜西延長石油(集團)有限責任公司延安石油化工廠S-Zorb裝置(圖1)于2013年建成投產,該裝置總體設計單位為中國石化工程建設公司(SEI),陜西化建工程責任有限公司承擔裝置建設施工,設計年運行8 000 h,生產能力180萬t/a。

圖1 S-Zorb裝置工藝流程簡圖

S-Zorb 裝置作為主要的汽油精制裝置,也是高耗能裝置,裝置在對汽油進行吸附脫硫精制過程中,也對能源進行大量消耗。隨著“雙碳”政策落實的逐步推進,能源消耗指標要求越來越嚴格。在生產清潔汽油的同時,如何提高能源利用效率,雖然裝置在設計時也設置了部分節能設施,但在實際生產運行中發現,不僅存在問題和不足,還有很多節能空間可以進行優化。

1 能耗分析

S-Zorb裝置建成初期,裝置總能耗最高達到8.05 kg標油/t,高于設計要求7.95 kg標油/t,分析裝置能耗組成中,占比較大的有燃料氣、蒸汽和電。燃料氣是通過加熱爐加熱原料達到反應所需的溫度的消耗,蒸汽主要是供穩定塔塔底重沸器用于加熱穩定塔底物料,使一部分物料汽化返回塔內,以提供穩定塔穩定過程所需要的熱源。電力主要用于壓縮機、泵、空冷以及各個電加熱器。

1.1 燃料氣消耗

裝置建成初期,為了保障裝置運行平穩,來自延安煉油廠的催化汽油原料先送至催化汽油罐區,然后罐區再輸送至S-Zorb裝置進行加工,催化汽油經罐區靜置造成溫度損失,裝置進料溫度接近環境溫度進料,造成加熱爐負荷大,燃料氣消耗量大。隨運行周期,進料與精制汽油換熱器發生偏流,換熱效率下降導致加熱爐負荷升高,燃料氣消耗加大。

進料溫度損失是由于延煉催化汽油送至罐區后,罐區三臺催化汽油儲罐,一臺負責接收延安煉油廠催化汽油來料,一臺負責給S-Zorb裝置提供原料,另一臺備用。這就造成催化汽油長時間在罐區靜置,原料余溫不斷損失。

進料與精制汽油換熱器發生偏流,通過對換熱器管束進行清理,發現主要是管束管程(進料)有結垢物[1],取結垢物用甲苯萃取后,將不溶物固體放入105 ℃烘箱中,烘干后研磨處理,進行檢測。分別采用XRF對進料換熱器管程結垢物進行元素分析,結果見表1。

表1 進料換熱器管程結構物元素組成XRF分析結果表

從表中數據得出:結垢物主要以鐵含量37.09%,硫含量13.05%為主,判斷可能存在鐵系硫酸鹽及鐵系氧化物等形式。

使用XRD對其化學晶型結構組成與標準的X射線衍射PDF譜庫比對分析(圖2),判斷可能存在的化合物形式。

圖2 進料換熱器管程晶型結構組成XRD譜圖

根據進料換熱器管程晶型結構組成XRD測試結果,結合標準卡片比對,該化合物主要有Fe2O3、FeS及少量的SiO2和CaO組成。

通過上述分析可以判斷,催化汽油原料在罐區長時間放置,不僅造成熱量損失,還有原料中的不穩定組分間或和空氣中的氧氣發生化學反應,造成進料與精制汽油換熱器管程管束發生結焦,導致換熱器換熱效率下降,燃料氣消耗增加。

1.2 蒸汽消耗

穩定塔D-104進料溫度偏高,設計為100～150 ℃,而實際達到154 ℃,導致穩定塔頂部回流系統紊亂,穩定塔底重沸器蒸汽流量控制頻繁波動,輕組分排放中含有大量汽油組分,造成精制汽油收率偏低。

對穩定塔頂回流罐外排燃料氣取樣分析(表2 燃料氣組成參數表),發現外排介質大部分為碳五及以上組分。針對這一情況,通過深入分析,穩定塔熱進料溫度偏高,催化汽油原料中輕組分偏少,穩定塔頂部回流間歇式波動,是造成精制汽油收率偏低的主要因素,同時由于穩定塔進料溫度偏高,輕組分較設計偏少,這就為我們減少蒸汽消耗提供可能。

1.3 電力消耗

為了維持吸附劑的活性,使裝置能夠連續操作,裝置設有吸附劑連續再生系統。運行中,因陜北原油低硫的性質,催化汽油硫含量小,S-Zorb裝置反應器脫硫量少,吸附劑循環量小,在再生時放熱量少。再生器系統設置取熱盤管通過熱水進行再生溫度控制,取熱用水量小,熱水循環泵低流量運行,熱水循環泵出口節流造成凝結水泵無用做功的大量電力消耗; 陜北地區冬季氣溫低,氮氣電加熱器進料溫度低,造成氮氣電加熱器高負荷運行,氣溫太低時,滿負荷運行仍然達不到工藝需求,造成耗電量大的問題。

2 工藝優化

2.1 優化進料工藝,節約燃料氣消耗

2.1.1 優化原料供應流程

分析發現,催化汽油原料經罐區緩沖過程中,造成個別儲罐原料油長期放置,里面不穩定組分發生反應,生產膠狀物質,在進料與精制汽油換熱器管束內結焦,降低換熱效率,精制汽油給原料加熱效率下降,最直觀的表現就是換熱器管程進出口壓差上漲,原料在管程出口溫度下降,這部分溫差就需要加熱爐額外提供,增加了加熱爐負荷。

通過將催化汽油經罐區緩沖改為由上游催化裝置直接提供,就可以避免原料在罐區長時間存放的問題,還可以避免由于原料在罐區長時間存放造成的熱量損失,最大限度的節約燃料氣消耗。

2.1.2 提高催化裝置油品外送溫度

S-Zorb裝置的原料是由上游七公里外延安煉油廠催化裝置直供后,不經過罐區,提高裝置進料溫度,既降低了上游裝置的冷卻負荷,又減少了該裝置的加熱負荷,是實現節能降耗的重要途徑[2]。在保障上游催化裝置汽油外送泵不發生汽蝕的情況下,外送溫度由不超過45 ℃調整為不超過60 ℃,外送溫度上調15 ℃。

2.2 優化穩定塔系統工藝,節約蒸汽消耗

S-Zorb裝置穩定塔主要作用是脫除精制汽油中的輕組分,確保精制汽油中飽和蒸汽壓合格。穩定塔來料輕組分(碳五以下)較少,為體積分數3.5%以下。輕組分少,穩定塔頂回流罐液位波動大,頂回流間歇波動。試驗通過不斷關小調小穩定塔底重沸器蒸汽量,直至完全關閉,穩定塔底溫度任然能達到125 ℃,精制汽油產品飽和蒸汽壓維持在40 kPa以下,但是頂部回流介質減少,回流間歇波動仍然存在。通過將精制汽油產品外送泵出口配一條管線至穩定塔頂回流泵出口,停用穩定塔頂回流泵,建立穩定的穩定塔頂回流系統,如(圖3)中紅色線段所示。

圖3 穩定塔系統工藝優化示意圖

通過穩定塔系統工藝優化,徹底停用穩定塔底重沸器蒸汽,每小時節約蒸汽用量3 t;建立精制汽油產品為穩定塔頂提供回流,解決燃料氣中攜帶汽油組分的問題,提高了精制汽油收率,精制汽油收率由99.42%提高至99.51%。

2.3 優化再生系統工藝,節約電力消耗

為了徹底解決再生器取熱量小,凝結水取熱量大,再生溫度不好控制的問題,將用氮氣取熱替換凝結水取熱[4],同時將取熱后的氮氣改如氮氣電加熱器入口,如(圖4)所示,提高氮氣電加熱器入口溫度,使氮氣電加熱器耗電量大幅減少。氮氣取熱替換凝結水取熱后,停用熱水循環泵,也減少了電力消耗。

圖4 再生系統優化示意圖

改造后,氮氣電加熱器功率由32 kW下降至12 kW,每小時節電20 kWh;停用熱水循環泵,每小時可以節電5 kWh。

3 結論

S-Zorb裝置能耗主要集中在燃料氣、蒸汽和電的消耗。本課題主要通過將進料由罐區進料調整為催化裝置直供進料,再將催化裝置外送溫度適當提高,燃料氣的消耗共計下降235 m3/h ;停用穩定塔底重沸器,將精制汽油產品引一小股至穩定塔頂建立頂回流,每小時節約蒸汽3 t,同時提高精制汽油收率0.09%;將再生系統凝結水取熱改造為氮氣取熱,然后將取熱后的氮氣并入氮氣電加熱器,停用了熱水循環泵,氮氣電加熱器功率大幅下降,每小時節約電能25 kWh。