異構(gòu)脫蠟裝置能耗分析與節(jié)能措施

盧俊文，湛立寧，王肖逸，陳敏，吳婷，周璐璐

（河北省特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)研究院唐山分院，河北唐山 063000）

隨著碳中和目標(biāo)落實(shí)的推進(jìn)，對(duì)煉油行業(yè)提出更高要求。石油產(chǎn)品在使用中產(chǎn)生二氧化碳，對(duì)溫室氣體減排不利，優(yōu)質(zhì)潤(rùn)滑油可減少汽車尾氣排放量1～3個(gè)百分點(diǎn)。因此生產(chǎn)高質(zhì)量潤(rùn)滑油，使其具備低硫含量、低揮發(fā)度及低傾點(diǎn)，是煉油行業(yè)共同追求的目標(biāo)，為此必須對(duì)基礎(chǔ)油進(jìn)行脫蠟處理。目前在傳統(tǒng)的溶劑脫蠟和催化脫蠟基礎(chǔ)上，已發(fā)展出先進(jìn)的加氫異構(gòu)脫蠟工藝[1]，其原理是臨氫條件下借助催化劑作用進(jìn)行加氫裂化和異構(gòu)脫蠟反應(yīng)，使反應(yīng)物正構(gòu)烷烴變成異構(gòu)烷烴。異構(gòu)烷烴具有高黏度指數(shù)、低傾點(diǎn)特性，是潤(rùn)滑油的理想組分。異構(gòu)脫蠟反應(yīng)必須在高溫、高壓下進(jìn)行，應(yīng)對(duì)原料油和補(bǔ)充氫氣進(jìn)行加熱和升壓處理[2]，燃?xì)狻㈦娏Α⒄羝钱悩?gòu)脫蠟的主要能耗。面對(duì)碳中和目標(biāo)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，常規(guī)節(jié)能技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)，而煉化行業(yè)的低碳技術(shù)（包括降碳、零碳和負(fù)碳）是未來發(fā)展趨勢(shì)。

1 裝置流程

異構(gòu)脫蠟是目前最先進(jìn)的基礎(chǔ)油加氫工藝，由加氫裂化反應(yīng)系統(tǒng)、加氫裂化分餾系統(tǒng)、異構(gòu)脫蠟/加氫后精制反應(yīng)系統(tǒng)、后精制常減壓分餾系統(tǒng)組成[4]。首先，原料油在裂化反應(yīng)器中完成脫硫、脫氮、脫氧、烴飽和及加氫裂化等反應(yīng)，從而降低硫、氮含量以便達(dá)到異構(gòu)脫蠟進(jìn)料要求；在加氫裂化分餾系統(tǒng)，切割出煤油、柴油、石腦油、干氣等成分，在分餾塔底得到異構(gòu)脫蠟原料；在異構(gòu)脫蠟/加氫后精制反應(yīng)系統(tǒng)，原料油在異構(gòu)脫蠟反應(yīng)器中完成異構(gòu)化反應(yīng)后，將蠟組分轉(zhuǎn)化成潤(rùn)滑油組分和輕油組分，再到后精制反應(yīng)器中完成精制反應(yīng)，去除原料油中的不飽和烴、氮、硫、氧等非烴類化合物，從而提高潤(rùn)滑油的抗氧化性并降低其色度；在加氫后精制常減壓分餾系統(tǒng)，反應(yīng)后的產(chǎn)品被切割成煤油、柴油、石腦油、干氣、潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油、減壓塔底潤(rùn)滑油等。圖1為異構(gòu)脫蠟裝置示意流程。

圖1 異構(gòu)脫蠟裝置示意流程

2 裝置能耗構(gòu)成

異構(gòu)脫蠟裝置的能耗由燃料氣消耗、1.0 MPa蒸汽消耗、電力消耗、循環(huán)水及除氧水的能耗組成。異構(gòu)脫蠟屬于放熱反應(yīng)，裝置負(fù)荷率越高，相應(yīng)異構(gòu)轉(zhuǎn)化率越高，放熱量越大，燃料氣耗量就會(huì)越低。燃料氣主要用于加熱爐的燃燒用氣，1.0 MPa蒸汽用于汽提塔及伴熱管線，電力消耗主要用于氫壓機(jī)和進(jìn)料泵，循環(huán)水及除氧水用于系統(tǒng)的冷卻。

某煉油廠20×104t/a異構(gòu)脫蠟裝置利用加氫裂化尾油作原料生產(chǎn)潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油，設(shè)計(jì)處理量為40 t/h，實(shí)際處理量為30 t/h，運(yùn)行負(fù)荷率小于80%，20×104t/a異構(gòu)脫蠟?zāi)芎臉?gòu)成如表1所示。其中燃料氣消耗占48.90%，電力消耗占33.79%，蒸汽消耗占12.66%（其中1.0 MPa蒸汽消耗11.44 kgEO/t，自產(chǎn)0.3 MPa蒸汽補(bǔ)充2.56 kgEO/t），三者合計(jì)能耗占95.35%。應(yīng)從燃?xì)狻㈦娏Α⒄羝娜矫孢M(jìn)行現(xiàn)狀分析，找出可采取的節(jié)能措施。

表1 20×104 t/a 異構(gòu)脫蠟?zāi)芎臉?gòu)成

3 能耗現(xiàn)狀分析

3.1 燃料氣

燃料氣主要用于加熱爐的燃燒用氣，20×104t/a異構(gòu)脫蠟裝置共有5 臺(tái)加熱爐，分別是裂化反應(yīng)加熱爐F101、常壓塔加熱爐F201、脫蠟反應(yīng)加熱爐F301、精制分餾系統(tǒng)的常壓爐F401和減壓爐F501。反應(yīng)進(jìn)料加熱爐為純輻射箱式爐，分餾進(jìn)料加熱爐為輻射—對(duì)流箱式爐，對(duì)加熱爐的熱平衡效率進(jìn)行測(cè)試，所得數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 加熱爐熱效率及熱損失數(shù)據(jù) %

從表2 中可以看出，3 臺(tái)分餾進(jìn)料加熱爐的熱效率均高于90%，達(dá)到該行業(yè)平均水平；而2 臺(tái)反應(yīng)進(jìn)料加熱爐的熱效率均低于90%。主要是F101、F301反應(yīng)加熱爐無對(duì)流室，而輻射室爐管傳熱面積較小，未達(dá)到實(shí)際熱負(fù)荷要求，輻射室換熱不充分導(dǎo)致排煙溫度過高；同時(shí)煙道的空氣預(yù)熱器設(shè)計(jì)熱負(fù)荷偏低，導(dǎo)致煙道排煙溫度高達(dá)230 ℃，造成能源浪費(fèi)。

3.2 電力

異構(gòu)脫蠟裝置的電力消耗主要集中在新氫壓縮機(jī)、循環(huán)氫壓縮機(jī)、電動(dòng)進(jìn)料泵中。有4 臺(tái)高壓進(jìn)料泵，加氫裂化系統(tǒng)2臺(tái)進(jìn)料泵的額定功率均為700 kW，異構(gòu)脫蠟系統(tǒng)2 臺(tái)進(jìn)料泵的額定功率均為750 kW。由于設(shè)計(jì)負(fù)荷偏大，實(shí)際運(yùn)行中無法自動(dòng)調(diào)節(jié)流量線開度，造成電力浪費(fèi)。

三級(jí)往復(fù)式新氫壓縮機(jī)將新鮮氫氣壓力由1.0 MPa升至15.0 MPa補(bǔ)充到反應(yīng)系統(tǒng)，新氫壓縮機(jī)出入口壓差較大，流量較小，現(xiàn)用的壓縮機(jī)無流量自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，對(duì)出口返回氣體重復(fù)壓縮，造成電力浪費(fèi)。

3.3 蒸汽

異構(gòu)脫蠟裝置的蒸汽主要消耗在管線伴熱和汽提用汽。由于潤(rùn)滑油原料具有高粘度、高凝點(diǎn)特性，該加氫異構(gòu)脫蠟裝置處于北方地區(qū)，相關(guān)工藝管道在冬季須用蒸汽伴熱來防凍、防凝[5]。該裝置共有蒸汽伴熱管線105條，伴熱蒸汽能耗2.5 t/h，高于設(shè)計(jì)值2.0 t/h。通過摸底調(diào)查，發(fā)現(xiàn)有40條管線未根據(jù)介質(zhì)溫度及傾點(diǎn)設(shè)計(jì)使用；同時(shí)存在伴熱蒸汽的跑冒滴漏，配置的疏水器均存在漏氣現(xiàn)象。同時(shí)各分餾塔汽提蒸汽用量較大，5 個(gè)汽提塔的蒸汽用量設(shè)計(jì)值為2.7 t/h，實(shí)際汽提蒸汽用量高于設(shè)計(jì)值0.15 t/h。

4 節(jié)能優(yōu)化措施

4.1 燃料氣

4.1.1 加熱爐余熱回收系統(tǒng)改造

更換一臺(tái)新型空氣預(yù)熱器，根據(jù)加熱爐的工藝條件及煙氣、空氣流量計(jì)算出空氣預(yù)熱器的熱負(fù)荷至少為2.8 MW；實(shí)際運(yùn)行的換熱器熱負(fù)荷只有2.5 MW。節(jié)能改造時(shí)更換了熱負(fù)荷3.0 MW的換熱器，改變了煙道、風(fēng)道設(shè)置，增加了鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)功率。新型換熱器為熱管/列管混合式，高溫?zé)煔庀韧ㄟ^列管與空氣換熱，降溫后再通過熱管與空氣換熱，為防止煙氣溫度過低造成露點(diǎn)腐蝕，在煙道末端引入一股高溫?zé)煔猓⒃O(shè)置測(cè)溫元件，維持最低溫度在露點(diǎn)以上。改造后的排煙溫降為123 ℃，加熱爐熱效率提高了3%。

4.1.2 加熱爐輻射室改造

由于輻射室熱負(fù)荷設(shè)計(jì)偏低，空間有限無法再增加換熱面積，故通過改善現(xiàn)有換熱面?zhèn)鳠嵝Ч姆椒ㄌ岣邿崮芾寐省］椛涫覔Q熱主要是通過火焰的直接輻射、爐墻的反射將熱量傳遞給輻射爐管，通過在輻射室襯里的外表面涂裝納米陶瓷涂層，使其表面在高溫下的發(fā)射率維持在0.9 以上，遠(yuǎn)高于普通耐火材料發(fā)射率0.6～0.8 的水平；爐管外表面涂裝提高黑度的吸收型高溫陶瓷涂料，以便增加吸熱效果。改造完成后，出輻射室的煙氣溫度下降30 ℃，加熱爐熱效率提高了3%。

通過余熱回收系統(tǒng)改造和加熱爐輻射室改造，加熱爐效率提高到90%，每天可節(jié)約燃料氣2.5 t，折合成單位能耗為0.16 kgEO/t。

4.2 電力

4.2.1 增加機(jī)泵變頻裝置

異構(gòu)脫蠟裝置的壓縮機(jī)、升壓泵、高速泵等功率較高，為達(dá)到降耗節(jié)能效果，與之配套的電機(jī)采用變頻模式，即1臺(tái)工頻電機(jī)配置1臺(tái)變頻電機(jī)，裝置正常運(yùn)行時(shí)使用變頻電機(jī)，檢修時(shí)切換至工頻電機(jī)。裝置滿負(fù)荷時(shí)采用變頻電機(jī)，變頻器開度在80%左右即滿足運(yùn)行要求，同時(shí)達(dá)到節(jié)電效果[6]。變頻與工頻電機(jī)耗電數(shù)據(jù)比較如表3所示。

表3 變頻與工頻電機(jī)耗電數(shù)據(jù)比較

從表3 中可以看出，采用變頻技術(shù)與工頻技術(shù)相比可節(jié)電0.674 kgEO/t，表中，P103為裂化分餾進(jìn)料泵、P102為后精制常壓塔進(jìn)料泵、P112為原料進(jìn)料泵、P111為減頂油泵、P106為潤(rùn)滑油出料泵，P104為減壓塔進(jìn)料泵。

4.2.2 增設(shè)壓縮機(jī)氣量調(diào)節(jié)裝置

流量調(diào)節(jié)方式為逐級(jí)返回，每一級(jí)設(shè)置返回線來控制供氣量和系統(tǒng)壓力。當(dāng)裝置低負(fù)荷運(yùn)行或壓縮氣體有裕量時(shí)，多余的氣體從壓縮機(jī)出口逐級(jí)返回入口，導(dǎo)致電能浪費(fèi)巨大。Hydro 無級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集壓縮機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并調(diào)節(jié)壓縮機(jī)進(jìn)氣閥的開啟程度與開啟時(shí)間，從而控制適宜的氫氣壓縮量，避免過多的氣體重復(fù)壓縮，實(shí)現(xiàn)壓縮氣體流量在0～100%范圍內(nèi)無級(jí)調(diào)節(jié)，最終達(dá)到節(jié)能效果[7]。Hydro 無級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)投用后，補(bǔ)充氫壓縮機(jī)在小于80%的負(fù)荷下工作，壓縮機(jī)電流由116 A降為92 A，節(jié)省用電量199.5 kW·h；按裝置加工量30 t/h計(jì)算，可節(jié)電單耗0.56 kgEO/t。

4.3 蒸汽

4.3.1 伴熱管網(wǎng)改造

根據(jù)輸送介質(zhì)溫度及環(huán)境溫度優(yōu)化伴熱管線，對(duì)蒸汽泄漏管段進(jìn)行修復(fù)或更換。通過每小時(shí)分段測(cè)量溫度的方法，對(duì)相應(yīng)管線的伴熱時(shí)間做了調(diào)整，停用蒸汽伴熱管線40條。對(duì)于開一備一的管道，實(shí)時(shí)監(jiān)控備用管道溫度，介質(zhì)溫度在露點(diǎn)以上時(shí)，不再采取伴熱措施[8]。例如：原料油從換熱器出口至過濾器管線的伴熱，反沖洗過濾器開一備一，2小時(shí)切換一次，換熱器出口至過濾器管線的介質(zhì)溫度為150～170 ℃，停用伴熱后，第1個(gè)小時(shí)測(cè)得過濾器壁溫為130 ℃，第2 個(gè)小時(shí)測(cè)得過濾器壁溫為85 ℃，連續(xù)跟蹤24 h后，確保過濾器壁溫較裂化尾油平均凝點(diǎn)高12 ℃，故停用該伴熱管線。

同時(shí)制定了伴熱管線的定期巡檢制度，發(fā)現(xiàn)失效疏水器及時(shí)修理或更換，發(fā)現(xiàn)跑冒滴漏現(xiàn)象及時(shí)處理，減少不必要的蒸汽消耗[9]。伴熱蒸汽管線改造后，蒸汽用量由2.5 t/h降為1.8 t/h，節(jié)約蒸汽0.7 t/h，按裝置原料處理量30 t/h 計(jì)算，可節(jié)電單耗為1.55 kgEO/t。

4.3.2 汽提蒸汽調(diào)整

加氫裂化分餾系統(tǒng)的常壓塔有兩個(gè)側(cè)線汽提塔，分別是第一側(cè)線煤油汽提塔T102、第二側(cè)線柴油汽提塔T103；加氫后精制分餾系統(tǒng)的減壓塔第一側(cè)線抽出柴油，不經(jīng)汽提；第二側(cè)線至第四側(cè)線有3個(gè)潤(rùn)滑油汽提塔，分別是T106輕質(zhì)潤(rùn)滑油汽提塔、T107 中質(zhì)潤(rùn)滑油汽提塔、T108 重質(zhì)潤(rùn)滑油汽提塔。

從蒸汽消耗的現(xiàn)狀分析可以看出，汽提蒸汽用量高于設(shè)計(jì)值0.15 t/h，由于裝置始終處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，原料處理量為30 t/h，在滿足產(chǎn)品質(zhì)量的前提下逐步下調(diào)各塔汽提蒸汽用量，經(jīng)不斷調(diào)整與摸索，各塔汽提蒸汽用量達(dá)到實(shí)際負(fù)荷要求并低于設(shè)計(jì)值[10]。汽提蒸汽用量調(diào)整數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 汽提蒸汽用量調(diào)整數(shù)據(jù) t/h

從表4 中可以看出，每小時(shí)節(jié)約汽提蒸汽用量0.60 t/h，折合成單位能耗1.32 kgEO/t，汽提蒸汽能耗明顯下降。

5 節(jié)能優(yōu)化效果分析

通過燃?xì)庀摹㈦娏ο摹⒄羝娜齻€(gè)方面的節(jié)能優(yōu)化，20×104t/a 異構(gòu)脫蠟裝置的綜合能耗由改造前的70.12 kgEO/t 降為65.86 kgEO/t，降幅6%；按標(biāo)油8 000元/t計(jì)算，可節(jié)約成本34元/t，全年增加經(jīng)濟(jì)效益680 萬元。但仍高于煉油行業(yè)64.40 kgEO/t 的平均能耗，究其原因是部分設(shè)備改造空間受限，且裝置不能滿負(fù)荷運(yùn)行。在后續(xù)節(jié)能改造時(shí)，可以考慮用自產(chǎn)的0.3 MPa 蒸汽代替1.0 MPa蒸汽作為伴熱和汽提用汽；對(duì)反應(yīng)加熱爐前的換熱器進(jìn)行改造，以便提高反應(yīng)加熱爐入口溫度。為實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)，可以采取降碳技術(shù)中的智能化技術(shù)，例如通過先進(jìn)過程控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置運(yùn)行參數(shù)的最優(yōu)化控制，達(dá)到降耗節(jié)能目的。

6 結(jié)論

（1）異構(gòu)脫蠟是目前最先進(jìn)的基礎(chǔ)油加氫工藝，其原理是臨氫條件下借助催化劑的作用，先后進(jìn)行加氫裂化和異構(gòu)脫蠟反應(yīng)，使反應(yīng)物正構(gòu)烷烴變成異構(gòu)烷烴，異構(gòu)烷烴具有高黏度指數(shù)、低傾點(diǎn)的特性，是潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油的理想組分。

（2）加氫異構(gòu)脫蠟裝置的能耗主要集中在燃料氣消耗、電力消耗及蒸汽消耗方面，三項(xiàng)合計(jì)約占裝置總能耗的95%；燃料氣用于加熱爐的燃燒用料，電力用于氫壓機(jī)的升壓及高壓進(jìn)料泵的運(yùn)行，蒸汽用于側(cè)線汽提塔和管道伴熱。

（3）降耗節(jié)能采取加熱爐余熱回收系統(tǒng)改造、伴熱管網(wǎng)改造、汽提蒸汽調(diào)整、增設(shè)壓縮機(jī)氣量調(diào)節(jié)裝置、增加機(jī)泵變頻裝置等措施；在20×104t/a加氫異構(gòu)脫蠟裝置節(jié)能改造中的應(yīng)用結(jié)果表明，可以降低該裝置綜合能耗4.26 kgEO/t，降低成本34元/t。