延遲焦化裝置的節(jié)能分析與優(yōu)化

趙海偉

（中國(guó)石油化工股份有限公司滄州分公司，河北滄州 061000）

延遲焦化是煉油廠將貧氫重油（如減壓渣油、催化油漿等）輕質(zhì)化的重要手段，是提高輕質(zhì)油收率和生產(chǎn)石油焦的主要加工工藝[1]。隨著加工原油變劣（重）趨勢(shì)不斷增加，延遲焦化技術(shù)的優(yōu)越性日益明顯；但渣油加氫工藝的成熟和對(duì)于高液體收率的追求，延遲焦化裝置的加工負(fù)荷受到一定影響。因此，對(duì)低負(fù)荷運(yùn)行條件下延遲焦化裝置進(jìn)行用能結(jié)構(gòu)分析并采取具有針對(duì)性且有效的降耗措施非常必要。通過(guò)對(duì)某煉油廠120萬(wàn)噸/年延遲焦化裝置加工負(fù)荷和能耗構(gòu)成進(jìn)行分析，找出影響裝置綜合能耗的主要因素，針對(duì)性提出并實(shí)施一系列節(jié)能降耗措施，達(dá)到降低裝置綜合能耗的目的。

1 綜合能耗構(gòu)成

某煉油廠延遲焦化裝置采用“兩爐四塔”工藝（50萬(wàn)噸/年+70萬(wàn)噸/年），設(shè)計(jì)加工能力120萬(wàn)噸/年，年平均開(kāi)工8 400 小時(shí)，操作彈性范圍60%～110%，由焦化和吸收穩(wěn)定兩部分組成，其中吸收穩(wěn)定系統(tǒng)采用四塔工藝流程，裝置主要產(chǎn)品有干氣、液化氣、汽油、柴油、蠟油和石油焦。2017年以來(lái)根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際，焦化裝置運(yùn)行70 萬(wàn)噸/年一爐兩塔系列焦化部分和與120萬(wàn)噸/年焦化裝置配套的分餾及吸收穩(wěn)定部分。由表1 可以看出，延遲焦化裝置能耗主要由燃料氣、3.5 MPa蒸汽、1.0 MPa蒸汽、電、循環(huán)水、除鹽水和新鮮水、凝結(jié)水和低溫?zé)彷敵鼋M成。

表1 延遲焦化裝置標(biāo)定數(shù)據(jù)

2 綜合能耗較高原因分析

將延遲焦化裝置分為兩部分，第一部分：加熱爐、焦炭塔、放空塔、分餾塔、冷焦水系統(tǒng)、除焦系統(tǒng)。第二部分：壓縮機(jī)部分、吸收穩(wěn)定系統(tǒng)。經(jīng)對(duì)以上兩部分的分析，影響裝置能耗偏高的主要原因如下。

2.1 裝置低負(fù)荷運(yùn)行

負(fù)荷率對(duì)于裝置綜合能耗的影響主要體現(xiàn)在散熱、蒸汽用量、用電等方面：

（1）一定溫度、表面積的管線散熱損失并不會(huì)隨管內(nèi)流體流量的降低而減少。因此裝置低負(fù)荷運(yùn)行，管線內(nèi)的介質(zhì)流量均不同程度低于設(shè)計(jì)值，造成散熱損失單耗增加。

（2）裝置低負(fù)荷時(shí)機(jī)泵出口流量低于設(shè)計(jì)值，主要耗能機(jī)泵的效率處于30%～45%，造成機(jī)泵耗電增加。

（3）低負(fù)荷條件下設(shè)備管道流量減小流速下降，管道壓降降低。由于機(jī)泵葉輪不變，使得泵出口管線上的控制閥開(kāi)度偏小，機(jī)泵輸出的無(wú)效功增加。

（4）為了保證裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行，控制加熱爐爐管結(jié)焦速度，保持合理流速，爐管蒸汽注入量高于設(shè)計(jì)值220 kg/h，蒸汽消耗增加。

（5）低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)焦炭塔油循和大吹汽操作初期氣壓機(jī)入口富氣流量偏低，需要打開(kāi)反飛動(dòng)控制閥提高機(jī)組入口富氣流量，相應(yīng)增加中壓蒸汽消耗0.31 t/h。

2.2 燃料氣消耗偏高

裝置加工負(fù)荷偏低造成熱源流量大幅低于設(shè)計(jì)值，焦化原料經(jīng)柴油/原料換熱器、中段/原料換熱器和蠟油/原料換熱器后溫度為273～280 ℃，與2016 年120 萬(wàn)噸/年兩爐四塔運(yùn)行時(shí)原料換熱終溫295～310 ℃相比明顯偏低，增加燃料氣單耗0.001 t/t。原料換熱熱源實(shí)際流量與設(shè)計(jì)流量對(duì)比情況如表2所示。

表2 原料換熱熱源實(shí)際流量與設(shè)計(jì)流量對(duì)比

2.3 3.5 MPa 蒸汽消耗偏高

由于延遲焦化裝置的吸收穩(wěn)定系統(tǒng)還承擔(dān)了2#加氫裝置、連續(xù)重整裝置、S-zorb裝置和硫磺裝置的輕烴和凝縮油回收任務(wù)，外來(lái)輕烴進(jìn)入吸收穩(wěn)定系統(tǒng)流量為11 t/h，其中富氣組分4.856 t/h，相當(dāng)于增加了58 t/h的焦化處理量，使得壓縮機(jī)負(fù)荷增加，3.5 MPa消耗量增加。

2.4 加熱爐熱效率低

延遲焦化裝置自2010 年開(kāi)工后累計(jì)運(yùn)行多年，因受空氣預(yù)熱器換熱效果差、煙氣中NOx和SO2含量控制等因素影響使得加熱爐排煙溫度和爐膛氧含量偏高，造成加熱爐熱效率較低，燃料氣能耗升至16.15 kgoe/t，高于設(shè)計(jì)值0.14 kgoe/t。

2.5 裝置電耗過(guò)大

對(duì)高壓水泵、空冷等大功率耗電設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間管理不足，運(yùn)行時(shí)間控制存在優(yōu)化空間，低負(fù)荷運(yùn)行下部分機(jī)泵余量偏大。

3 裝置節(jié)能優(yōu)化措施

3.1 降低燃料氣消耗

3.1.1 降低裝置循環(huán)比

裝置循環(huán)比越大，加熱爐進(jìn)料中循環(huán)蠟油的比例就越高；相同的處理量下加熱爐負(fù)荷就會(huì)隨之升高，最終導(dǎo)致加熱爐燃料氣消耗增加[3-5]，因此在保證焦化蠟油品質(zhì)的前提下適當(dāng)降低循環(huán)比能夠有效減少燃料氣消耗。為了降低裝置能耗，將裝置循環(huán)比由0.2逐漸降至0.14，裝置加工量為80 t/h時(shí)循環(huán)比不同情況下燃料氣消耗具體情況如表3所示。

表3 相同加工量不同循環(huán)比時(shí)燃料氣消耗情況

3.1.2 提高原料換熱終溫

減壓渣油經(jīng)一系列換熱后進(jìn)入焦化分餾塔底部，與循環(huán)蠟油充分混合后送至加熱爐。因此原料換熱終溫越高，加熱爐入口溫度就越高；相同加工量下加熱爐的負(fù)荷越低[6]，加熱爐的燃料氣消耗越少。從圖1 可以看出：隨著原料入爐溫度的升高，加熱爐熱負(fù)荷下降趨勢(shì)較為明顯。通過(guò)對(duì)焦炭塔不同時(shí)段的操作進(jìn)行熱量計(jì)算，通過(guò)調(diào)整原料/蠟油換熱器和原料/中段換熱器的原料側(cè)副線開(kāi)度、階段性的調(diào)整補(bǔ)充吸收劑流量（9～15 t/h）和降低解析塔和穩(wěn)定塔頂壓力等措施，平衡分餾和吸收穩(wěn)定系統(tǒng)熱量，將原料的換熱終溫由273～280 ℃提高至280～288 ℃。燃料氣低熱值按41 144.48 kJ/kg計(jì)算，裝置加工量92 t/h 時(shí)不同原料入爐溫度時(shí)加熱爐熱負(fù)荷如圖1所示。

圖1 焦化加熱爐熱負(fù)荷與原料入爐溫度關(guān)系

3.1.3 優(yōu)化焦炭塔油氣循環(huán)操作

焦炭塔油氣循環(huán)預(yù)熱操作時(shí)產(chǎn)生的凝析油（以下簡(jiǎn)稱甩油）有兩種處理方式，一是返回分餾塔進(jìn)行回?zé)挘菚捍嬷廖塾凸藓头趴账塾鸵黄鹱鳛榧崩溆妥⑷虢固克谢責(zé)挕５钱?dāng)采用第一種方式回?zé)挄r(shí)，由于這部分甩油溫度偏低，進(jìn)入分餾塔后會(huì)使分餾塔底溫度降低7～13 ℃，使得加熱爐進(jìn)料溫度隨之降低，增加了燃料氣消耗量。通過(guò)優(yōu)化調(diào)整，將這焦炭塔甩油改進(jìn)分餾塔的時(shí)間向后推遲或?qū)⑦@部分甩油改做急冷油，可有效降低焦炭塔油氣循環(huán)期間燃料氣的消耗。由表4 可以看出裝置加工量越低，焦炭塔油氣循環(huán)操作時(shí)甩油改進(jìn)分餾塔對(duì)分餾塔底溫度影響越大，燃料氣消耗增量就越大；相同加工量下甩油改進(jìn)分餾塔時(shí)間越早，對(duì)分餾塔底溫度影響越大，燃料氣消耗增量就越大。

表4 甩油罐氣相溫度對(duì)燃料氣消耗的影響

3.1.4 降低氧含量，提高加熱爐效率

優(yōu)化加熱爐風(fēng)和燃料氣的配比，爐膛的過(guò)剩空氣系數(shù)按照0.5%～2%控制時(shí)，既可以保證加熱爐煙氣排放數(shù)據(jù)達(dá)標(biāo)，又可降低燃料氣用量；定時(shí)檢查加熱爐長(zhǎng)明燈和主火嘴的燃燒情況，及時(shí)疏通堵塞和燃燒效果不好的長(zhǎng)明燈和主火嘴，確保火焰燃燒良好。不同加工量下加熱爐熱效率與燃料氣用量如表5 所示（數(shù)據(jù)為裝置平穩(wěn)狀態(tài)下的運(yùn)行數(shù)據(jù)，燃料氣消耗量為按照燃料低熱值歸一化的結(jié)果）。由表5可看出，加熱爐熱效率每提高1.5%，可降低燃料氣用量200 Nm3/h 以上。圖2 為加熱爐熱效率和爐膛氧含量關(guān)系。由圖2 可看出，降低爐膛氧含量（過(guò)剩空氣系數(shù)）可有效提高加熱爐熱效率，爐膛氧含量控制在1.5%以內(nèi)，加熱爐熱效率可提高至93.0%以上。

表5 加熱爐熱效率對(duì)燃料氣消耗量的影響

圖2 加熱爐熱效率與爐膛氧含量關(guān)系

3.2 降低蒸汽消耗

3.2.1 降低3.5 MPa 蒸汽用量

焦化裝置3.5 MPa蒸汽主要用于加熱爐爐管注汽和汽輪機(jī)運(yùn)行。加熱爐爐管注汽方面，由于焦化爐管材質(zhì)為1Gr9Mo，爐管壁溫度要求不大于650 ℃，為減少加熱爐爐管結(jié)焦需要控制爐管壁溫升速度不大于10 ℃/月，在保證爐管流速的條件下盡可能采用小的注汽量，爐管注汽量按原料的1%～1.5%控制。針對(duì)機(jī)組運(yùn)行特制定了氣壓機(jī)操作指令單：優(yōu)化焦炭塔油循、換塔和大吹汽期間氣壓機(jī)反飛動(dòng)控制閥的開(kāi)度，反飛動(dòng)控制閥自動(dòng)控制，控制閥全關(guān)時(shí)才可以手動(dòng)提高汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)降低3.5 MPa 蒸汽用量的目的。2017年6月將壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子更換小轉(zhuǎn)子后節(jié)約3.5 MPa蒸汽2.5 t/h。

3.2.2 降低1.0 MPa 蒸汽用量

減少伴熱用汽量。焦化裝置屬于重油裝置，焦炭塔和放空塔部分的伴熱線需要常年投用，對(duì)現(xiàn)有常年投用的伴熱線，在保留其并聯(lián)可正常使用的前提下進(jìn)行串聯(lián)改造，串聯(lián)流程見(jiàn)圖3。春季、夏季和秋季伴熱線串聯(lián)使用，每減少一個(gè)給汽點(diǎn)可降低1.0 MPa蒸汽0.05 t/h。

圖3 伴熱線串聯(lián)流程

提高回?zé)捨勰啵瑴p少大吹汽用量。焦炭塔增上了三泥回?zé)捪到y(tǒng)，流程如圖4所示，在焦炭塔大吹汽期間投運(yùn)三泥回?zé)捪到y(tǒng)，利用污泥代替部分蒸汽進(jìn)行焦炭塔大吹汽，既節(jié)省了大吹汽時(shí)蒸汽用量，又將低了蒸汽管網(wǎng)壓力波動(dòng)，還能處理污油和污泥，達(dá)到節(jié)能減排目的，每次大吹汽可節(jié)約1.0 MPa蒸汽2 t，年節(jié)約1.0 MPa蒸汽量700 t以上。

圖4 延遲焦化裝置三泥回?zé)捔鞒?/p>

3.3 降低電耗

焦化裝置主要用電設(shè)備（電機(jī)功率100 kW 以上）共24臺(tái)，22 kW空冷風(fēng)機(jī)22臺(tái)，11 kW風(fēng)機(jī)12臺(tái)，通過(guò)降低除焦時(shí)長(zhǎng)、優(yōu)化空冷運(yùn)行、切削葉輪和機(jī)泵更換可有效降低用電量。

3.3.1 降低高壓水泵運(yùn)行時(shí)間

焦化裝置所用高壓水泵功率2 240 kW運(yùn)行方式為間歇運(yùn)行。除焦操作時(shí)長(zhǎng)主要與石油焦產(chǎn)量和硬度、除焦設(shè)備的穩(wěn)定性和除焦操作水平有關(guān)，通過(guò)降低焦炭產(chǎn)率和應(yīng)用頂驅(qū)技術(shù)可節(jié)約用電量1 266度/塔。

降低焦炭產(chǎn)量。延遲焦化裝置主要通過(guò)提高裝置液收來(lái)減少焦炭產(chǎn)出。當(dāng)操作壓力一定，提高焦炭塔的溫度可增大裂解轉(zhuǎn)化率使焦炭產(chǎn)率下降。焦炭塔溫度過(guò)高時(shí)焦炭硬度增大，給除焦帶來(lái)困難。根據(jù)裝置實(shí)際的除焦和生產(chǎn)情況確定加熱爐出口溫度497～497.5 ℃最為適宜。循環(huán)比和操作溫度固定后，焦炭塔壓力下降有利于減少石油焦生成。反應(yīng)壓力每降低10 kPa，液體收率平均增加0.26%，焦炭收率下降0.2%。結(jié)合裝置運(yùn)行實(shí)際確定焦炭塔頂壓力由0.18～0.2 MPa降至0.15～0.17 MPa。降低循環(huán)比能有效提高裝置的總液體降低焦炭收率，循環(huán)比每降低0.1可增加液收1%，結(jié)合加熱爐爐管結(jié)焦、爐管壁溫升、爐管壓降和蠟油品質(zhì)等情況，確定循環(huán)比為0.14～0.2。

提高除焦速度和平穩(wěn)性。2017年應(yīng)用新型除焦技術(shù)，在焦炭塔頂部安裝了鉆桿驅(qū)動(dòng)組件，該組件用來(lái)承載并提供動(dòng)力帶動(dòng)鉆桿和切焦器旋轉(zhuǎn)完成除焦作業(yè)。安裝鉆桿驅(qū)動(dòng)組件后，相同焦炭量的情況下除焦時(shí)間減少0.5 h/塔。另外，做好除焦設(shè)備預(yù)防性檢修，減少設(shè)備故障發(fā)生頻次，確保除焦順利進(jìn)行也是一項(xiàng)重要的節(jié)能措施。

3.3.2 優(yōu)化空冷操作

由于放空塔頂空冷只需在冷焦時(shí)啟運(yùn)，可在焦炭塔大吹汽開(kāi)始后再開(kāi)啟，并根據(jù)塔頂壓力及時(shí)調(diào)整空冷運(yùn)行臺(tái)數(shù)。根據(jù)氣溫和操作參數(shù)的變化及時(shí)調(diào)整裝置分餾塔頂空冷、分餾塔頂循空冷、柴油空冷、焦化富氣空冷、穩(wěn)定汽油空冷及冷焦水空冷器的運(yùn)行臺(tái)數(shù)。定期清洗空冷器管束積塵、加強(qiáng)冷后溫度的運(yùn)行管理等也能達(dá)到良好節(jié)電的效果。

3.3.3 機(jī)泵切削葉輪

因分餾和吸收穩(wěn)定系統(tǒng)按120 萬(wàn)噸/年配套設(shè)計(jì)，裝置低負(fù)荷運(yùn)行下存在大馬拉小車的情況。為降低能耗對(duì)輻射進(jìn)料泵、熱媒水泵、中段回流泵、封油泵、柴油泵、吸收塔中段循環(huán)泵、解析塔進(jìn)料泵和吸收塔底泵等9 臺(tái)機(jī)泵進(jìn)行了葉輪切削，節(jié)電60.82萬(wàn)度/年。

3.3.4 機(jī)泵更換

通過(guò)工藝流程優(yōu)化和設(shè)備更新改造，新增一臺(tái)380 V的原料進(jìn)料泵代替了6 000 V原料泵，由大泵運(yùn)行改為小泵運(yùn)行大泵備用，節(jié)電68.88萬(wàn)度/年。

4 結(jié)論

通過(guò)實(shí)施低循環(huán)比操作、提高原料換熱終溫和加熱爐熱效率、優(yōu)化焦炭塔操作和爐管注汽、加強(qiáng)機(jī)組和空冷運(yùn)行管理等一系列節(jié)能優(yōu)化措施，伴熱線串聯(lián)、機(jī)泵更換和葉輪切削等技改技措項(xiàng)目實(shí)施，以及應(yīng)用三泥回?zé)捄豌@桿頂驅(qū)新型節(jié)能技術(shù)，在較大程度上降低了裝置在低負(fù)荷運(yùn)行情況下的能源工質(zhì)消耗，使得延遲焦化裝置綜合能耗呈逐年下降趨勢(shì)，具體如表6所示。

表6 延遲焦化裝置綜合能耗變化