70 萬噸/年裂解柴油加氫裝置能耗分析及優化方法

張博

（中海石油寧波大榭石化有限公司，浙江 寧波 315800）

0 引言

習近平總書記在75 屆聯合國大會上提出 “中國力爭在2030 年前實現碳達峰，在2060 年前實現碳中和的目標，隨之而來的是各省、市也在逐步收緊碳排放權配額。2021 年7 月16 日，全國碳排放權交易市場開市，意味著開始引入市場化機制對碳排放進行嚴格、全面的管控。在此背景之下，各生產企業通過各項技術改造來降低裝置的單位能耗以保證更大的產能。

1 裝置概述

1.1 裝置簡介

70 萬噸/年裂解柴油加氫裝置（以下簡稱 “裂柴加氫裝置” ），裝置原料為1# 裂解柴油、2# 裂解柴油、C10 粗芳烴和重芳烴的混合原料。由于裝置原料油氮含量和芳烴含量較高，故采用撫順石油化工研究院開發的柴油超深度加氫脫硫工藝技術及配套FHUDS-8 加氫精制催化劑和配套FBN 系列保護劑，生產硫含量小于10 μg/g 的精制柴油。

此裝置主要流程如圖1 所示，原料油進入裝置后由進料泵輸送至反應系統，經過高壓換熱器、加熱爐進入反應器精制，反應流出物通過高壓分離器回收循環氫后進入低壓分離器，低分油進入分餾系統，最后經過分餾塔的分離得到最終產品。

圖1 裂柴加氫流程簡圖

其主要產品為精制柴油、干氣、低分氣、粗石腦油、石腦油、酸性水，分別送至罐區、輕烴回收裝置、蠟油加氫裝置、加氫裂化裝置、重整裝置、酸性水汽提裝置。

1.2 物料平衡

裂柴加氫物料平衡如表1 所示。

表1 裂柴加氫物料平衡表

1.3 裝置目前節能措施

本裝置設計時采用了很多先進可靠的工藝技術來進行有效節能。采用纏繞管換熱器提高換熱效率；反應爐設計為開工爐，節省燃料；采用高效塔板提高分離效率、降低能耗；設備及管道布置盡量緊湊合理，減少管線散熱損失和壓力損失；加強設備及管道保溫，減少散熱損失；加熱爐設置氧含量分析儀，控制煙氣中的氧含量，提高加熱爐的熱效率；采用高效節能機泵。

在節能的同時，設置了低溫熱水換熱器，充分回收低溫熱；加熱爐設置余熱回收系統，回收煙氣余熱；優化換熱流程，合理利用塔底油熱量，提高了裝置的能量回收率。

2 能耗對比

首先，采集了2022 年的200 萬噸/年工業燃料油加氫改質裝置（以下簡稱 “柴油加裂裝置” ）全年單耗清單以及設計能耗清單，如表2 和表3 所示。

表2 柴油加裂裝置全年單耗清單

表3 柴油加裂裝置設計能耗清單

如表4 所示，為70 萬噸/年裂解柴油加氫裝置設計能耗情況。

表4 裂柴加氫裝置設計能耗

經過對比后，兩套裝置有較大差異的單耗項為燃料氣、電能、3.5 MPa 蒸汽、1.0 MPa 蒸汽。

3 原因分析

3.1 燃料氣

裂柴加氫裝置燃料氣的單耗遠小于柴油加裂裝置。經分析，柴油加裂裝置新鮮原料的處理量為150 萬噸/年，反應處理量為200 萬噸/年，而裂柴加氫裝置只有70 萬噸/年。在加熱至相同溫度時反應爐所需的熱源較多，所以柴油加裂裝置燃料氣總耗增加，單耗降低。兩套裝置分餾爐均為分餾塔底重沸爐，柴油加裂循環量為640 t/h，五期裂柴加氫循環量為101 t/h，溫度提升量都為10～15 ℃，同時柴油加裂分餾塔有側線抽出，將一部分熱量抽出，塔底部則需要更多燃料氣使氣相組分到達分餾塔頂部，使得燃料氣單耗增加。而裂柴加氫中輕組分較少，所需燃料氣量少，所以單耗較少；裂柴加氫的反應爐只作為開工爐，開工結束后反應爐熄爐，只有分餾爐運轉，故柴油加裂所需燃料氣量更多。

3.2 電能

裂柴加氫裝置遠大于柴油加裂裝置的電能單耗，裂柴加氫主要耗電設備為新氫壓縮機和進料泵。由于裂柴加氫進料泵沒有增加液力透平裝置，而柴油加裂液力透平所能回收的能量約為450 kW，投用液力透平前電流為150 A 左右，投用后為75 A，大大降低了用電量。新氫壓縮機因工況不同，用電量暫時無法對比。

3.3 中壓蒸汽

兩套裝置消耗3.5 MPa 中壓蒸汽的主要設備同為背壓式循環氫壓縮機，背壓后蒸汽均為1.0 MPa，其中對比了汽輪機功率、蒸汽用量、氫氣濃度、反應系統壓差后，得出裂柴加氫3.5 MPa 蒸汽單耗高的原因應為反應系統壓差不同所導致，裂柴加氫反應系統壓差高于柴油加裂反應系統壓差，故裂柴加氫的循環機需要更大的驅動力，導致3.5 MPa 蒸汽用量增加。

3.4 低壓蒸汽

裂柴加氫裝置的1.0 MPa 低壓蒸汽單耗遠小于柴油加裂裝置，裂柴加氫中有蒸汽發生器，擁有自產過熱蒸汽系統，而柴油加裂蒸汽發生系統并未投用，且柴油加裂的石腦油分餾塔底重沸器是以1.0 MPa 蒸汽為熱源，故相比于裂柴加氫，1.0 MPa 蒸汽能耗增加，但裂柴加氫裝置的除氧水單耗略高于柴油加裂裝置。

3.5 回收低溫熱

兩套裝置都擁有低溫熱水發生器，裂柴加氫在分餾塔頂部、底部分別設置熱水發生器，回收分餾塔頂、底部多余熱源；柴油加裂是由高壓換熱器和分餾塔頂換熱器回收熱量。兩套裝置都在這方面節省大量能耗。

4 優化建議及可行性分析

現有裝置投用的節能降耗措施擬在五期裝置推薦使用。

4.1 增設無極調速系統

建議裂柴加氫裝置在投產后，可根據實際工況，增加新氫壓縮機無極調節系統，以節省耗電量。

根據三期柴油加裂裝置無極調節系統投用前后的曲線和詳細數據對比，如圖2 所示，壓縮機功率在無級調節系統投用后降幅顯著。

圖2 柴油加裂裝置無極調節系統投用前后曲線對比

如表5 所示，在5 月4 日19：40 之前新氫壓縮機利用返回閥控制時，排氣量33 000 m3/h 時的耗電量為3 800 kW·h；當19：50 投用無極調節系統后，在排氣量無大幅變化的情況下，耗電量由3 800 kW·h降低至2 800 kW·h。由此可以明顯看出，投用無極調節系統，能很大程度降低輸出功率，從而節省電能。

表5 柴油加裂裝置無極調節系統投用前后詳細數據

圖3 是210 萬噸/年原料油加氫裝置投用無極調節系統后壓縮機功率與排氣量的變化趨勢情況。由圖3 也可以看出，C-102B 在裝備無級調節系統后，電能消耗和排氣量都得到不同程度的降低，不再根據電機的額定功率運行，利用調速系統降低能耗。

圖3 210 萬噸/年原料油加氫裝置投用無極調節系統數據

通過以上數據表明，裂柴加氫裝置可以通過增設無極調節系統，實現較大幅度降低裝置電能消耗。

4.2 擬推薦使用高效復合阻聚劑

由于裂柴加氫裝置原料油從催化裝置來，原料油中的芳烴含量較高，而芳烴具有很強的縮合特性，根據210 萬噸/年原料油加氫處理裝置的使用情況，建議裂柴加氫使用JM-2 高效復合阻聚劑從而更好地延緩繞管換熱器管束的結焦、堵塞等情況，以保證繞管換熱器換熱效率長時間維持在較高水平。

4.2.1 JM-2 高效復合阻聚劑特性

JM-2 高效復合阻聚劑A/B 是一種聚合物抑制劑，主要用于柴油加氫裝置、渣油加氫裝置、烯烴裝置裂解C9 餾分加氫阻聚，防止自由基聚合，抑制雜質在換熱器管束、管壁和催化劑表面附著，延長設備運行周期，延長催化劑使用壽命。

4.2.2 JM-2 高效復合阻聚劑作用機理

稀土材料具有多配位性，在自由基形成初期即可將其 “撲捉” 使其失活，無法與其他未飽和烴繼續反應，具有清凈分散的效果。

納米稀土氧化物宏觀表現為惰性，不會與其他分子發生化學反應，以催化劑的形式對納米材料周圍 “撲捉” 的長鏈自由基進一步催化分解。

納米稀土材料能提高被加氫油品的導熱性能，使其熱傳遞快而且均勻，有利于減少油品中 “膠質” 或 “瀝青質” 的生成。

4.2.3 210萬噸/年原料油加氫處理裝置使用情況

使用前，對原料油換熱影響最大的高壓換熱器為E104 和E103。在3 月5 日至4 月4 日使用期間，E104 在阻垢劑更換后，換熱效率下降趨勢明顯減緩，且在初期有小幅上漲，末期處于基本穩定狀態。初期K-E104 為52.12，末期K-E104 為56.01，增長7.46%。E104 熱端溫差由53.52 ℃下降至52.42 ℃，下降1.1 ℃；冷端溫差由38.16 ℃上升至40.39 ℃，上升2.23 ℃。從總體趨勢看，阻聚劑更換后，E104 冷熱端溫差由明顯上升轉為平穩狀態。

E103 在阻聚劑使用后，換熱效率下降趨勢明顯減緩，且在初期有小幅上漲。初期K-E103 為81.66，末期K-E103 為86.78，增長6.37%。E103 熱端溫差由26.82 ℃下降至23.26 ℃，下降3.56 ℃；冷端溫差由56.05 ℃下降至54.63 ℃，下降1.42 ℃。從總體趨勢看，阻聚劑使用后，E103 冷熱端溫差由明顯上升轉為平穩狀態。

從高壓換熱器E104、E103 的變化中可以確定，JM-2 高效復合阻聚劑能有效延緩和控制換熱管束的結焦、堵塞情況，提高換熱效率，減少熱能損耗，從而降低能耗。

4.3 結合離心泵使用情況采取增設變頻及切割葉輪等節能措施

建議裂柴加氫裝置在投產后，根據裝置內離心泵實際運行情況并結合生產需要，分析所需要的流量和壓力，判斷哪些離心泵可以采用切割葉輪技術[1]或增加電機變頻器的方式降低電能消耗[2]，由于裝置尚未投產，此處暫不進行詳細分析。

5 結語

兩套裝置間單耗差距最大的因素為電能消耗和燃料氣消耗。在電能對比中，柴油加裂處理量大，充分體現出大規模效應，規模大，單耗低。而在燃料氣對比中，關鍵在于柴油加裂中分餾的輕組分多，側線抽出量大，使分餾爐燃料氣消耗更大，增加了裝置單耗。

由以上分析得到，可以通過增設新氫機無極調節系統、加注阻聚劑的方法，減少電能消耗和熱量損失，這樣既能降低裝置能耗，又可以延長生產周期，將 “降本增效” 持續推進。