图片展示

中石化工程建设(SEI)专家——加氢装置节能途径探讨

发表时间: 2021-09-26 10:47:24

作者: 炼化及石化下游产业网

来源: 超级石化

浏览:


从工艺节能、设备节能、装置间联合节能3个角度探讨加氢装置的节能途径。其中,工艺节能途径 主要为选用节能型工艺技术和优化工艺流程;设备节能途径主要为设置压缩机气量无级调节系统、液力透平等 能量节约?回收设施;装置联合节能途径包括装置间氢气梯级利用、能量传递、热进料和热出料联合等方案。

随着环保法规日益严格,绿色低碳理念深入人心。为降低油品燃烧过程中产生的SO狓等有害物质,世界各国不断更新油品标准。我国从 2019年下半年起实施汽油、柴油国 Ⅵ 标准,2020 年起实施低硫船用燃料标准。这些持续升级的油 品质量要求使得炼油厂不断新建加氢装置或对现有 装置进行改造,加氢能力持续提升,加氢装置所 占全厂能耗及操作费用的比例随之大幅增加。另一方面,世界油价面临下行压力,而环保要 求则愈加苛刻,为满足环保要求而增加的装置建 设、改造和操作成本使得炼油效益大幅缩减,国内 逐渐过剩 的 炼 油 能 力 也 使 炼 油 厂 间 竞 争 日 益 激 烈,降低装置能耗从而削减加工费用是炼油厂生 存和发展的迫切要求。基于上述原因,有必要对加氢装置的节能降 耗途径进行系统梳理和探讨,为装置优化设计提 供参考。以下将从工艺节能、设备节能、装置联合 节能3方面探讨加氢装置在设计或改造过程中可 采取的节约能耗途径。 

1 工艺节能

1.1 选用节能型工艺技术 

不同的工艺技术对应不同的工艺原理和流程设 置,对装置能耗具有根本性的决定作用。在装置进 行技术选择时,应根据拟加工原料性质及产品要求, 优先选用节能型工艺技术。以柴油加氢精制装置为 例,选用中国石油化工股份有限公司(中国石化)开 发的连续液相加氢工艺,可使装置能耗比常规滴流 床工艺低25%以上[4]。图1和图2分别为常规滴流 床加氢工艺和连续液相加氢工艺的流程示意,表1则列出了两种工艺技术的主要区别。

由图1、图2及表1可见:①连续液相加氢技 术中,取消了高压循环氢系统,节省了循环氢压缩 机相关的蒸汽、电的消耗,同时注水系统和气体脱 硫系统相应由高压变为低压系统,电耗降低显著;新增的循环油泵流量虽然大,但扬程低,电耗小;②连续液相加氢技术中,反应器入口温度靠高温 循环油与加热炉出口介质直接混兑提升,热量利 用效率高,消除了传统滴流床技术靠换热器加热 带来的换热器热效率的问题;③在反应起始温度 (反应器入口温度)相同的情况下,连续液相加氢 反应器入口有高温循环油加入,因此要求反应进料 加热炉出口温度低于常规滴流床工艺,且低的氢油 比使加热炉出口汽化率低,燃料消耗降低显著。

采用连续液相加氢工艺的 A、B两套装置的能耗显著低于中国石化所有柴油 加氢装置的平均水平,其中装置 A 的操作负荷为 75.78%,与 中 国 石 化 平 均 水 平 相 当,而 能 耗 为 216.9MJ?t,仅为平均水平的50.2%;装置 B的操 作负荷仅为53.32%,在远低于中国石化平均水平的 情况下,能耗为305.1MJ?t,仍比平均水平低29.3%。表2 2019年中国石化柴油连续液相 加氢装置的操作数据 项 目 操作负 荷,% 能耗? (MJ·t-1) 连续液相柴油加氢装置 A 75.78 216.9 连续液相柴油加氢装置 B 53.32 305.1 中国石化所有柴油加氢装置的平均水平 75.31 431.8 上述数据表明,连续液相加氢工艺具有本质节能 的技术优势,采用该技术的工艺装置能耗远低于 常规滴流床工艺。

1.2 优化工艺流程 

在工艺技术选定后,加氢装置的能耗与工艺 流程密切相关。以下举例说明加氢装置的几类流 程节能优化途径。

1.2.1 换热流程的优化 

装置换热流程优化是 工艺节能的重要方法,应在充分分析物流理化性 质、热交换目标及工艺约束条件的基础上,对多股 物质能量流进行合理匹配以达成最优方案。以下 以某4.0Mt?a渣油加氢装置(以下简称渣油加氢 装置一)为例进行说明。表3为对 该 装 置 的 低 压 换 热 流 程 的 优 化 分 析结果。依据表3中各项条件,在设计换热网络 时,通过优化换热顺序以及合理匹配冷热物流实 现了热量的梯级利用,得到了如图3所示的具有 较高 换 热 效 率 的 渣 油 加 氢 装 置 低 压 换 热 优 化 流程。

从原料油预热角度看,原料渣油经4组换热器 从150 ℃加热到285 ℃后,进行过滤,其主要加热 介质为加氢渣油,并在188~193 ℃温度段利用分 馏塔中段回流来加热,充分利用分馏塔热量。从加氢渣油冷却角度看,加氢渣油从分馏塔 塔底抽出后,358~365 ℃最高温位的热量用作柴 油汽提塔重沸器的热源,之后用于预热原料油,剩 余的热量去发生蒸汽,最后直接作为热出料送至 下游催化 裂 化 装 置。当 催 化 裂 化 装 置 不 接 受 热 料时,将此热出料经空气冷却器冷却后送入罐区。

在预热原料油的流程中,根据温位的逐步降低,分为 a,b,c三段(如图3中虚线方框所示)进行换热:在 a、b段,加氢渣油的分界温度为286 ℃,恰好与原料 油预热终温285℃相匹配,可用作原料油过滤器的 反冲洗油,两种介质温度相近,使过滤器在操作过程 中温度始终处于稳定状态,有利于过滤操作的连续 性;在b、c段,将c段预热原料油的温度选择在188 ℃,该温位可使原料的预热与中段回流的温位相匹 配,以充分利用分馏塔中段回流热量。这个低压换 热网络的设置充分考虑了反应与分馏部分的热量转 移与匹配,使原料渣油的低压换热终温达285℃,反 应进料加热炉负荷低,节约燃料用量,充分利用了分 馏塔中段回流的热量,降低分馏塔塔顶空气冷却器 的负荷,从而实现了整个低压换热流程的优化。

1.2.2 合理设置蒸汽发生器回收低温热 

加氢过程中的化学反应总体表现为放热反应,装置内 存在大量的低温热量无法作为工艺热量使用,设 置蒸汽发生器可以有效回收这部分热能,作为全厂 蒸汽系统的有益补充,同时还可以作为装置热量平 衡调节的辅助手段。以下以某3.9 Mt?a渣油加氢 装置(以下简称渣油加氢装置二)为例进行说明。该装置中,温位为210~240 ℃的加氢渣油用 于发生1.2MPa低压蒸汽,温位为180~234 ℃的 分馏塔中段回流、温位为180~270 ℃的加氢渣油 和温位为 170~282 ℃ 的柴油产品用于发生 0.4 MPa低低压蒸汽。此利用方案下,该装置的低温 热量利用结果如表4所示。由表4可以看出,在操 作初期(SOR)和操作末期(EOR),装置能耗分别 降低了244.9MJ?t和263.8MJ?t。表4 渣油加氢装置二的低温热量利用结果 项 目 SOR EOR 低压蒸汽发生量?(t·h-1) 13.93 15.35 低低压蒸汽发生量?(t·h-1) 30.68 32.65 装置能耗降低值?(MJ·t-1) 244.9 263.8 

2 设备节能 

2.1 新氢压缩机气量无级调节系统

电耗是加氢装置的主要能量消耗之一,根据 装置类型不同,电耗占加氢装置总能耗的35%~ 70%,其中新氢压缩机耗电量占总电耗的40%~ 65%,故其节电方案对装置节能意义重大。特别 是,对于大型渣油加氢装置,反应压力高,原料油与氢气升压耗电量巨大,且在操作中为保证反应氢分压,需通过排放部分循环氢气来维持循环氢 纯度,并补入过量的新氢以维持反应压力,故新氢 压缩机的操作负荷由化学反应氢耗和循环氢排放 量共同决定。在装置的整个操作周期内,随着催 化剂活性逐渐降低,渣油加氢反应生成的 C1 ~C4 轻组分增加,为维持循环氢纯度而排放的氢气量 随之增加,因此新氢压缩机的负荷在整个操作周 期内变化较大,且新氢压缩机在装置运转初期的 实际操作流量与设备额定流量差别很大。表5为 上述两套典型渣油加氢装置的电耗情况。

新氢压缩机采用往复式压缩机,通过压缩机 出口氢气部分回流至入口的方法来控制新氢补入 反应系统的实际量,这种控制方案会因大量氢气 回流而造成电能的浪费。为新氢压缩机配备气量 无级调节 系 统 则 可 大 幅 度 降 低 新 氢 压 缩 机 用 电 量,从而显著降低装置能耗,可解决上述问题。以 渣油加氢装置一为例,采用新氢压缩机气量无级 调节系统的节能效果见表6。目前,新氢压缩机气 量无级调节系统已基本成为大型加氢装置的标配 设施。

2.2 液力透平系统 

加氢装置包含高压系统与低压系统,在二者 相衔接的部位,比如热高压分离器(简称高分)油 到热低压分离器(简称低分)、冷高分油到冷低分、 循环氢脱硫富胺液从脱硫塔到富胺液闪蒸罐等, 高压介质 一 般 通 过 高 压 角 阀 降 压 后 注 入 低 压 设 备。在上述部位设置液力透平可回收这些高压液 体的压力能,以用于驱动反应进料泵、循环氢脱硫 贫胺液泵等高压泵,从而节约电能。表7为渣油加 氢装置二设置液力透平的节能效果。由表7可以 看出,通过两套液力透平回收压力能,使装置能耗 降低了50.2MJ?t。

设置液力透平系统会增加设备和管道投资, 因此是否设置需在投资增加和节电效益之间进行 经济核算后确定。一般而言,大型的渣油加氢、加 氢裂化、蜡油加氢等装置因规模大、反应系统压力 等级高、原料硫含量高(循环氢脱硫富胺液量大), 适宜设置液力透平。

3 装置间联合节能 

通过装置联合的方式达成全厂节能是当前炼 油厂节能设计的发展趋势。联合方式可以是物质 流形式,比如氢气的分级利用,也可以是能量流形 式,比如一套装置的物流为另一套装置的换热设 备提供热源。

3.1 氢气的梯级利用 

炼油厂总加工 流 程 中 通 常 设 有 多 套 加 氢 装 置,各 类 型 加 氢 装 置 的 压 力 等 级 按 照 渣 油 加 氢>加氢裂化>蜡油 加 氢 > 柴 油 加 氢 > 喷 气 燃 料加氢>石脑油 加 氢 的 顺 序 依 次 降 低。装 置 间 的氢气梯级利用是 加 氢 装 置 群 总 体 节 能 的 有 效 措施。图4为某炼油厂渣油加氢装置柴油加氢装置 的氢气梯级利用示意。由图4可以看出,该炼油厂 的渣油加氢装置设置了两级膜分离系统用于回收 压力为15.4 MPa、氢纯度(")为85.8%的排放氢 中的氢气,一级膜分离的渗透气压力为11MPa,氢 纯度(")为98.5%,用作柴油加氢装置(压力等级 为10MPa)的补充氢气,二级膜分离的渗透气压力 为5.3 MPa,氢纯度(")为97.0%,送至渣油加氢装置新氢压缩机的二级入口,作为渣油加氢反应 系统的部 分 补 充 氢 气。送 往 柴 油 加 氢 装 置 的 高 压氢气并入柴油加氢装置新氢压缩机的出口,直 接进入高压 反 应 系 统 作 为 柴 油 加 氢 反 应 系 统 的 补充氢 气 使 用,可 为 柴 油 加 氢 装 置 节 约 电 量 约 1150kW·h。

图5为某炼油厂渣油加氢装置喷气燃料加氢 装置联合的氢气梯级利用流程示意。由图5可以 看出,渣油加氢装置部分低分气送至喷气燃料加 氢装置,作为喷气燃料加氢的补充氢气,喷气燃料 加氢采用一次通过式流程,可以不再设置新氢压 缩机和循环氢压缩机,从而可节约设备投资和能 量消耗。

3.2 装置间的能量传递 

当加氢装置的低温热量在装置内没有合适冷 源吸收时,可考虑对外输出。某2.2 Mt?a柴油加 氢装置与1.6Mt?a气分装置的热联合利用流程如 图6所示。由图6可以看出,柴油产品物流为气分 装置提供热源,从而缩减了气分装置脱丙烷塔的 蒸汽用量约8t?h,同时使柴油加氢装置的低温热 输出量增加13567MJ?h,能耗降低51.8MJ?t。

3.3 装置热进料和热出料联合 

装置间热进料和热出料可有效降低能耗。以 常减压蒸馏装置渣油加氢装置催化裂化装置之 间的联合为例,装置间采用热进料和热出料联合 时的工艺流程如图7所示。由图7可以看出,正常 操作工况 下 原 料 渣 油 和 加 氢 渣 油 均 不 经 过 中 间 罐,而是直接与上下游装置相连,因而省去上游装 置产品冷却用能量及下游装置原料加热用能量, 从而可达成显著的能量节约。

4 结 论 

在设计阶段,加氢装置的节能措施可从工艺、 设备和装置联合3方面实施。此外,在装置建成后 的运转过程中,还需通过精细控制原料性质、产品 质量,加强设备维护及状态管理,应用信息技术强 化装置间协调等途径优化装置操作,确保能量高 效利用。

中石化工程建设(SEI)专家——加氢装置节能途径探讨
长按图片保存/分享
0
图片展示

公众号

 

客 服

 

  关于我们           |           版权声明        |         投稿须知        |         广告服务        |        联系我们      

Copyright © 2020-2021 http://www.ccrcte.com.cn All rights reserved.  炼化及石化下游产业网    版权所有
咨询电话:13910588092    商务热线:13910588092 传真:010-88787058
E-mail:ccrcte@ccrcte.com.cn
地址:北京市石景山区阜石路300号    邮编:100024  京ICP备2020047072号

添加微信好友,详细了解产品
使用企业微信
“扫一扫”加入群聊
复制成功
添加微信好友,详细了解产品
我知道了