基于夾點技術的汽油加氫裝置換熱網(wǎng)絡節(jié)能研究

常鑫

（盤錦浩業(yè)化工有限公司，遼寧盤錦124124）

隨著經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，節(jié)能降耗、提高企業(yè)資源利用率已成為當今世界主要的技術和社會問題。2017年國內石化行業(yè)能耗為73 421×104t標準煤，較2010年增長35.4%，占工業(yè)能耗的24.9%。2019年國內原油表觀消費量為6.52×108t，石化行業(yè)規(guī)模以上企業(yè)數(shù)量為26 731家，市場競爭激烈，企業(yè)降本增效已迫在眉睫［1］。

換熱網(wǎng)絡優(yōu)化是煉油裝置節(jié)能降耗的重要方法，而夾點技術是換熱網(wǎng)絡優(yōu)化應用最廣泛的過程能量綜合方法，具有簡單實用、直觀靈活等特點［2］。夾點技術實現(xiàn)過程系統(tǒng)能量利用與回收的優(yōu)化配置，提高能量利用率與經(jīng)濟性，在過程工業(yè)中已取得顯著的節(jié)能效果。文中利用夾點技術，對某煉油廠70×104t/a汽油加氫裝置的換熱網(wǎng)絡進行節(jié)能分析，對其不合理的換熱匹配提出優(yōu)化改造方案。

1 汽油加氫工藝簡介

某煉油廠汽油加氫裝置工藝以改善劣質2次加工汽油質量為目標，采用全餾分液相加氫及重汽油選擇性加氫脫硫和脫硫醇工藝，生產(chǎn)硫含量符合國Ⅵ標準的汽油組分，具有產(chǎn)品辛烷值損失低、產(chǎn)品收率高、可滿足裝置長周期運行等特點。

該汽油加氫裝置包括預加氫部分、萃取蒸餾部分、1段加氫脫硫部分以及產(chǎn)品穩(wěn)定部分。現(xiàn)換熱網(wǎng)絡改造部分為預加氫反應部分以及1段加氫脫硫部分，其工藝流程見圖1。

圖1 預加氫部分和1段加氫脫硫部分工藝流程

2 汽油加氫裝置基礎數(shù)據(jù)

某石化企業(yè)的汽油加氫裝置設計加工能力為70×104t/a，操作彈性為60%～110%，設計開工時數(shù)為8 000 h/a。

經(jīng)過對整個工藝流程的分析，裝置內共有13股熱物流和13股冷物流，見表1（表中H1～H13為熱物流，C1～C13為冷物流）。

表1 汽油加氫裝置工藝物流數(shù)據(jù)

3 汽油加氫裝置換熱網(wǎng)絡現(xiàn)狀分析

3.1 最優(yōu)傳熱溫差ΔTmin的確定

ΔTmin是指換熱設備中冷、熱物流在逆流條件下冷端和熱端之間的最小溫差，反映了投資與能耗的權衡關系［3］。

夾點溫差ΔTmin越小，可回收熱量越多，所需的加熱或冷卻公用工程用量越少，但是換熱面積會增大，從而導致設備投資費用增大，反之亦然。最優(yōu)ΔTmin的確定需要綜合考慮設備投資和操作費用的相對大小，取年總費用最小時對應的溫差為最優(yōu) 夾 點 溫 差［4］。文 中 選 取 換 熱 網(wǎng) 絡ΔTmin為18℃［5，6］。

3.2 夾點技術用能分析

將提取出的冷熱流股數(shù)據(jù)輸入到Aspen Energy Analyzer進行夾點分析。經(jīng)分析在確定ΔTmin為18℃的情況下，夾點溫度為132℃，即熱流股的夾點溫度為141℃、冷流股的夾點溫度為123℃。汽油加氫裝置冷、熱物流組合曲線見圖2。

圖2 冷、熱物流復合曲線

汽油加氫裝置總復合曲線見圖3。

圖3 總復合曲線

由圖3可以看出，最小加熱公用工程量為2.52×107kJ/h，最小冷卻公用工程量4.30×107kJ/h。優(yōu)化前后公用工程能耗對比見表2。

表2 優(yōu)化前后公用工程能耗對比/（×107 kJ·h-1）

由表2可知，該汽油加氫裝置熱公用工程節(jié)能潛力為27.6%，冷公用工程節(jié)能潛力為17.9%。

3.3 換熱網(wǎng)絡分析

根據(jù)夾點技術設計的3個原則來分析裝置用能的不合理之處（夾點之上不應設置任何公用工程冷卻器；夾點之下不應設置任何公用工程加熱器；不應有跨越夾點的傳熱）：換熱器E-9101AB存在跨越夾點換熱原則，物流H5與C5通過E-9101AB換熱，跨越夾點換熱量為2 365 kW，違背了夾點規(guī)則換熱，需進行重新匹配換熱。此外，熱源后精制反應器產(chǎn)物初始溫度為341.3℃，目前直接通過換熱器E-9101CD與溫度為181.4℃的1段加氫反應器的混合進料進行換熱，換熱溫差約160℃，不利于后精制反應器產(chǎn)物熱量的梯級利用，同時溫差過大影響換熱器安全運行。

4 換熱網(wǎng)絡優(yōu)化方案

針對現(xiàn)有換熱網(wǎng)絡的不合理之處，依據(jù)夾點設計原則，提出了該換熱網(wǎng)絡的優(yōu)化方案。

改造方案分析：由于裝置內缺少合適的熱源為1段加氫反應進料提供合適的熱量，為了使裝置能量利用更為合理，消除跨夾點傳熱現(xiàn)象，考慮到就近原則，相鄰布置的柴油改質裝置的精制柴油由197℃直接被空冷器A-2204冷卻至44℃，可對裝置補充足夠的熱量。所以，新增換熱器E-1，利用精制柴油的熱量將循環(huán)氫與原料油的混合進料預熱至180℃，經(jīng)此優(yōu)化后，1段加氫反應器的進料溫度可提高14.5℃以及后精制反應器產(chǎn)物至預加氫部分溫度可提高49.1℃。考慮優(yōu)化后，后精制反應器產(chǎn)物提高49.1℃，因此原預加氫部分換熱網(wǎng)絡也需進行優(yōu)化。利用精制柴油與混合進料換熱后的179.8℃的熱量繼續(xù)與預加氫進料110.3℃的催化汽油進行換熱，代替原來換熱器E-9002的熱流股。此外，新增換熱器E-2，利用改造后226.3℃的后精制反應器產(chǎn)物與預加氫進料126.2℃的催化汽油進行換熱。與原E-9003的換熱溫度相比，預加氫進料至E-9003的入口溫度可提高32℃，并且能夠保證至1段熱分離器154℃。裝置優(yōu)化后流程見圖4。

圖4 優(yōu)化后工藝流程圖

經(jīng)夾點技術改進與調優(yōu)，裝置ΔTmin由50℃降至19℃，裝置所需熱公用工程用量2.53×107kJ/h，所需冷公用工程用量4.32×107kJ/h，熱公用工程的節(jié)能效率為27.3%，冷公用工程節(jié)能效率為17.7%。優(yōu)化后可節(jié)省低壓蒸汽用量為4.8 t/h，節(jié)省空冷消耗的電量近315 200 kW·h。

5 經(jīng)濟分析

5.1 公用工程分析

通過對汽油加氫裝置的換熱網(wǎng)絡改進與優(yōu)化，最終裝置節(jié)省熱公用工程能耗為9.5×106kJ/h，節(jié)省冷公用工程能耗為9.2×106kJ/h。計算能量費用包括低壓蒸汽和電能，操作時間按8 000 h/a計算，所采用公用工程價格見表3。

表3 公用工程價格

（1）低壓蒸汽：優(yōu)化前利用低壓蒸汽通過換熱器E-90003將預加氫反應器進料預熱至175℃，用量約7.42 t/h，熱負荷為4 083 kW。優(yōu)化后，通過新增換熱器E-2，利用改造后的后精制反應器產(chǎn)物與預加氫反應器進料進行換熱，能夠提高E-9003的入口溫度約32℃，E-90003熱負荷為1 457 kW。低壓蒸汽節(jié)省量可用下式計算：

式中△H1—低壓蒸汽熱負荷的降低量，kW；W蒸汽—低壓蒸汽節(jié)省量，t/h；△H蒸汽—1.2 MPa、200℃蒸汽的汽化潛熱為1 982.2 kJ/kg。

（2）電耗：優(yōu)化前精制柴油空冷器A-2204直接由197℃冷卻至44℃，熱負荷為16 828 kW。優(yōu)化后，通過與1段加氫反應進料換熱后再與預加氫反應進料換熱，能夠降低精制柴油空冷器A-2204熱物流入口溫度約23℃，此時A-2204熱負荷約14 280 kW。節(jié)省的熱負荷為2 548 kW，空冷器節(jié)省功率為36.34 kW，節(jié)省電量為315 200 kW·h，總經(jīng)濟效益為599萬元/a。

5.2 換熱器設計與選型

根據(jù)換熱器選型原則，采用換熱器計算與校核軟件HTRI進行換熱器的重新選型，并進行費用計算。優(yōu)化方案主要增加了1段反應流出物/預加氫反應進料換熱器、精制柴油/1段加氫反應進料換熱器、部分管線，新增費用為70萬元。優(yōu)化后節(jié)能降耗1.87×107kJ/h，經(jīng)濟效益為599萬元/a，投資回收期為60 d，經(jīng)濟上可行。

6 結論

（1）利用Aspen Energy Analyzer軟件對汽油加氫工藝的換熱網(wǎng)絡進行網(wǎng)絡模擬，得出汽油加氫裝置的T-H圖和總負荷曲線圖。經(jīng)分析可知：該裝置最小加熱公用工程量為2.52×107kJ/h，最小冷卻公用工程量為4.30×107kJ/h；現(xiàn)行熱公用工程能耗為3.48×107kJ/h；冷公用工程能耗5.24×107kJ/h；熱公用工程節(jié)能潛力為27.6%，冷公用工程節(jié)能潛力為17.9%；夾點溫度為132℃；最小傳熱溫差為50℃。

（2）基于夾點設計規(guī)則分析現(xiàn)有換熱網(wǎng)絡不合理的環(huán)節(jié)，根據(jù)用能和工業(yè)實際情況對汽油加氫裝置換熱網(wǎng)絡提出優(yōu)化方案。該方案利用現(xiàn)有設備的基礎上增加了2臺換熱器，解決裝置跨夾點傳熱問題，實現(xiàn)裝置內高品位熱源的梯級利用。

通過此方案優(yōu)化，可降低熱公用工程能耗9.5×106kJ/h，冷公用工程能耗9.2×106kJ/h；分別占現(xiàn)行熱公用工程27.3%，冷公用工程17.6%。