連續(xù)重整裝置擴能改造節(jié)能設(shè)計

袁春華 任建生

(中國石油工程建設(shè)公司華東設(shè)計分公司(北京))

連續(xù)重整裝置擴能改造節(jié)能設(shè)計

袁春華 任建生

(中國石油工程建設(shè)公司華東設(shè)計分公司(北京))

依托20世紀90年代中期建成投產(chǎn)的40×104t/a連續(xù)重整裝置的擴能改造,從裝置規(guī)模、流程設(shè)置、能量綜合利用等方面,采取了一系列節(jié)能措施實施改造。該裝置所采取的節(jié)能改造方案包括:①結(jié)合原料特點優(yōu)化進料方案,降低預(yù)處理反應(yīng)部分的規(guī)模;②采用高效焊接板式換熱器、雙殼程換熱器,提高反應(yīng)進料/產(chǎn)物換熱深度;③降低煙氣出口溫度,提高重整進料四合一加熱爐效率;④優(yōu)化換熱流程,降低空冷入口溫度,充分利用塔頂蒸發(fā)潛熱。上述節(jié)能設(shè)計措施可將裝置擴能13%,綜合能耗降低502.4 MJ/t。

連續(xù)重整 擴能 節(jié)能設(shè)計

催化重整是現(xiàn)代化石油加工過程中生產(chǎn)高辛烷值汽油組分、芳烴和含氫氣體的重要工藝過程,也是煉油廠中能量消耗較高的加工過程[1]。因此,降低該過程能耗是工藝設(shè)計中關(guān)注的重要問題之一。

自20世紀80年代開始,我國陸續(xù)引進了60余套連續(xù)重整裝置。由于受到加工規(guī)模、重整催化劑技術(shù)及其他相關(guān)技術(shù)水平等因素的客觀限制,加之當(dāng)時能源價格偏低的實際情況,部分早期引進的裝置規(guī)模通常較小,裝置總體技術(shù)水平、能耗水平與當(dāng)前新建裝置存在較大差距。如何根據(jù)工廠原料和實際需求的變化,充分利用已有的技術(shù)進步,在經(jīng)濟可行的條件下對老裝置適當(dāng)擴能,回收利用擴能優(yōu)化裝置的能量,大幅度降低裝置的公用工程消耗,使裝置總體技術(shù)水平及能耗達到與新建裝置相當(dāng)?shù)乃?是相關(guān)的工藝設(shè)計者需要解決的重要課題[2-3]。

以下結(jié)合將20世紀90年代引進投產(chǎn)的1套40×104t/a連續(xù)重整裝置擴能改造為50×104t/a的實例,根據(jù)工廠總體要求及裝置現(xiàn)狀確定了改造原則、擴能規(guī)模及節(jié)能方案等,并對相關(guān)問題進行了探討。

1 改造背景

項目所涉及的催化重整裝置含石腦油加氫處理、連續(xù)重整、催化劑連續(xù)再生3個生產(chǎn)單元,是工廠芳烴聯(lián)合裝置的一部分,其主要目的是用進入芳烴聯(lián)合裝置的原料最大限度地生產(chǎn)苯、甲苯、二甲苯等芳烴產(chǎn)品。該裝置采用美國環(huán)球油品公司(UOP)加壓再生專利技術(shù),由日本東洋工程公司承包建設(shè),于20世紀90年代中期建成投產(chǎn)。

經(jīng)過近20年的長周期運轉(zhuǎn),該裝置逐漸暴露出以下問題:

(1)石腦油加氫處理反應(yīng)及汽提塔加熱能力受限。石腦油加氫處理單元的混合進料換熱器原設(shè)計負荷偏低,導(dǎo)致預(yù)加氫進料加熱爐的進料溫度偏低,爐負荷增加較大。因受該加熱爐加熱能力的限制,石腦油加氫處理單元的反應(yīng)部分達不到原設(shè)計處理能力。此外,受汽提塔底重沸爐加熱能力的限制,石腦油汽提塔的汽提效果也受到一定的影響。

(2)重整進料四合一爐負荷不足。在反應(yīng)器進料平均入口溫度為520℃時,重整2#中間加熱爐的爐膛溫度已達到780℃以上,接近允許的設(shè)計上限,限制了重整單元加工負荷的提高。改造前重整單元實際處理能力約為原設(shè)計值的89%。

(3)重整立式進料換熱器效率低。重整立式進料換熱器原設(shè)計負荷為25.89 MW,原設(shè)計熱端溫差為49℃(熱流入口溫度511℃,冷流出口溫度462℃)。改造前,實際運行時熱端溫差達到69.5℃(熱流入口溫度479℃,冷流出口溫度409.5℃),換熱效果很差,無法滿足實際生產(chǎn)需要。

(4)裝置供氫能力不足,無法滿足工廠的H2需求。受設(shè)備卡邊、老化等因素的影響,裝置的整體加工能力低于原設(shè)計能力,產(chǎn)氫能力下降。同時,部分用氫裝置規(guī)模也發(fā)生了變化,對H2的需求增加,目前重整裝置的產(chǎn)氫能力無法滿足工廠對H2的需求。

綜合以上問題可看出,迫切需要對該裝置進行擴能改造,以滿足工廠實際生產(chǎn)及H2平衡的需要。

2 改造分析

2.1 擴能規(guī)模分析

在確定擴能改造后的裝置規(guī)模時,考慮到原裝置設(shè)計余量小、平面布置緊湊的實際情況及近10年發(fā)展規(guī)劃的同時,依托重整催化劑的技術(shù)進步,對原裝置的設(shè)備規(guī)格及能力進行了核算。根據(jù)反應(yīng)器、循環(huán)氫壓縮機、增壓機、加熱爐爐體和催化劑再生規(guī)模不進行大改動的原則,對擴能后的規(guī)模進行了如下分析:

(1)按原設(shè)計苛刻度要求,通過選用高活性、低積炭的催化劑、提高反應(yīng)空速、降低氫油比等措施適當(dāng)提高裝置處理能力(工況1)。

(2)降低產(chǎn)品苛刻度要求,進一步降低氫油比以實現(xiàn)更高的處理量(工況2)。

改造前后兩種規(guī)模下的主要操作條件和相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)對比列于表1。

表1 改造前后兩種工況的反應(yīng)條件對比Table 1 Reaction conditions comparison before and after transformation

由于原裝置設(shè)計時設(shè)備余量較小,經(jīng)核算,擴能至75 000 kg/h時,裝置改造后可利用的原設(shè)備不多,投資較高。綜合考慮后最終確定改造后重整單元的進料量為60 000 kg/h,較原設(shè)計擴能13%,配套石腦油加氫處理的規(guī)模為64 498 kg/h。經(jīng)過對改造方案(工況1)進行分析及論證,并結(jié)合工廠對原有設(shè)備的檢測結(jié)果,確定將該裝置由目前的0.4 Mt/a擴能改造至0.5 Mt/a是可行且安全的。

2.2 優(yōu)化流程、提高裝置處理能力

目前,石腦油加氫處理單元進料由直餾石腦油、加氫裂化石腦油和裂解汽油抽余油組成,其中加氫裂化石腦油占28.4%。根據(jù)工廠提供的加氫裂化石腦油實際雜質(zhì)含量數(shù)據(jù),其S、N等雜質(zhì)含量均較低,可不經(jīng)加氫反應(yīng)直接作為重整進料。因此,在本次改造流程中,加氫裂化石腦油不再進入加氫反應(yīng)部分,而是直接進入汽提塔,經(jīng)汽提塔汽提脫水后作為重整進料。

改造后,加氫處理單元的實際處理量比原設(shè)計降低18%,無需進行擴能改造,降低了整個項目的改造工程量,擴能前后加氫處理反應(yīng)單元的操作條件對比見表2。

表2 擴能前后加氫處理反應(yīng)操作條件對比Table 2 Comparison of operating conditions of naphtha hydrotreating reaction before and after capacity expansion

3 擴能改造時的節(jié)能設(shè)計

基于擴能規(guī)模,采取以下節(jié)能設(shè)計措施對裝置進行了擴能降耗改造。

3.1 采用高效換熱器代替瓶頸換熱器

3.1.1 重整進料換熱器

擴能后,重整進料換熱器在換熱能力和工藝介質(zhì)壓降方面均不能滿足需要,應(yīng)予以更換。

設(shè)計改造時曾考慮過新增1臺同樣規(guī)格的立式換熱器與原立式換熱器并聯(lián),或新增1臺換熱面積較小的立式換熱器與原立式換熱器串聯(lián),但通過技術(shù)經(jīng)濟對比及綜合分析,最終確定采用高效焊接板式換熱器替換原立式換熱器的方案。板式換熱器傳熱效率高,可最大限度地回收利用重整反應(yīng)產(chǎn)物的熱量,且系統(tǒng)壓降及占地面積較小[4],改造工程量不大,雖然一次投資偏高,但后續(xù)的操作維護費用較低。擴能前后重整進料換熱器的參數(shù)對比見表3。

從表3可以看出,由于采用了高效焊接板式換熱器,重整裝置擴能13%后,重整進料加熱爐的負荷不僅沒有增加,反而有較大程度的降低?，F(xiàn)場運行時加熱爐和空冷器的總體熱負荷較原設(shè)計值降低0.3 MW。

表3 擴能前后重整進料換熱器參數(shù)對比Table 3 Comparison of exchanger parameters for reformer feed before and after expansion

3.1.2 加氫混合進料換熱器

石腦油加氫處理單元混合進料換熱器原設(shè)計負荷偏低,隨著煉油廠檢修周期的增長,管束結(jié)垢嚴重,換熱效率低,增加了預(yù)加氫進料加熱爐的負荷。此次擴能改造雖然在流程上對反應(yīng)部分進料進行了優(yōu)化,但為了增加該單元的操作靈活性,進一步降低預(yù)加氫進料加熱爐負荷,盡可能回收加氫反應(yīng)產(chǎn)物的熱量,本次改造時在低溫端采用兩臺碳鋼雙殼程換熱器替換原來的兩臺普通碳鋼管殼式換熱器,以提高熱回收能力。

由于雙殼程換熱器具有類似于純逆流的傳熱特性,可實現(xiàn)更大的傳熱溫差,從而提高熱回收能力,改造前后的熱負荷對比列于表4。

表4 采用雙殼程換熱器前后熱負荷對比Table 4 Heat load comparison before and after using double shell heat exchanger

由表4可知,將加氫進料換熱器更換為雙殼程換熱器后,提高了預(yù)加氫進料/產(chǎn)物的換熱深度,加氫反應(yīng)產(chǎn)物空冷器及預(yù)加氫進料加熱爐的熱負荷在現(xiàn)場運行時均有較大程度的降低,二者的熱負荷之和較原設(shè)計降低約46%。

3.2 重整進料四合一爐改造

重整反應(yīng)為強吸熱反應(yīng),加熱爐為重整反應(yīng)提供熱量,是重整裝置的主要耗能設(shè)備[1]。在長周期的操作運行后,重整進料四合一爐自身負荷不足,出現(xiàn)了滿負荷下爐膛溫度超標(biāo)的情況。同時,擴能后原設(shè)計輻射盤管不能滿足改造后的熱負荷和管內(nèi)壓降要求,需進行改造。擴能改造時采取了以下設(shè)計措施:

3.2.1 提高重整進料四合一爐的加熱能力

重整進料加熱爐、重整2#加熱爐、重整3#加熱爐的爐管數(shù)由原來的26根增加至34根。同時,對爐管長度進行了不同程度的加長。重整1#加熱爐爐管由26根增加到46根。

3.2.2 提高重整進料四合一爐的加熱效率

燃燒器對燃燒效果和爐子熱效率具有直接的影響[5]。因此,擴能改造時更換了重整四合一爐的部分燃燒器。同時,在對流室余熱鍋爐系統(tǒng)原設(shè)計蒸發(fā)段預(yù)留位置增加兩排翅片管,以避免對流室排煙溫度升高,提高加熱效率。擴能改造后,加熱爐效率由改造前的90.2%提高至90.6%。

3.3 優(yōu)化換熱流程以強化換熱

擴能后,汽提塔處理量增加,為滿足汽提效果,需同時增加外界提供熱量。經(jīng)過核算,該汽提塔塔底重沸爐已無法滿足處理量增加后的供熱需求。處理量增大后,塔頂和塔底物流攜帶的熱量也相應(yīng)增大,若能有效回收利用這部分熱量,用以提高汽提塔進料溫度,則有望在不增加汽提塔底重沸爐負荷的情況下,提高汽提塔的汽提效果。經(jīng)核算,新增1臺汽提塔塔頂/進料換熱器可以提高汽提塔的進料溫度,強化汽提效果。同時,也降低了汽提塔塔底重沸器負荷,增加汽提塔塔頂/進料換熱器前后的熱負荷對比情況列于表5。

表5 增加汽提塔塔頂/進料換熱器前后熱負荷對比Table 5 Heat load comparison before and after adding stripper top/feed heat exchanger

汽提塔塔頂/進料換熱器設(shè)在汽提進料/塔底換熱器前,將汽提塔進料溫度由158℃提高至180℃,相應(yīng)的汽提塔再沸爐熱負荷將由5.65 MW降至4.41 MW,可節(jié)能1.26 MW。同時,汽提塔空冷器熱負荷由2.90 MW降至1.65 MW,降低了風(fēng)機電耗。汽提塔塔頂/進料換熱器和汽提塔空冷器的熱負荷實際運行值較設(shè)計值降低較多,總能耗得到有效降低。

3.4 節(jié)能效果

由于裝置要為下游抽提單元提供原料,故設(shè)置了重整液分離塔。擴能改造后,裝置(含重整液分離塔)設(shè)計能耗為4 302.8 MJ/t重整進料,與擴能改造前4 797.2 MJ/t重整進料的能耗值相比降低了10%。如果不計入重整液分離塔的消耗,裝置能耗為3 701.1 MJ/t重整進料,與國內(nèi)同類新建先進裝置水平相當(dāng),表明擴能改造的節(jié)能效果明顯。

4 結(jié)語

(1)進行裝置擴能改造時,應(yīng)結(jié)合原料情況、產(chǎn)品要求、裝置現(xiàn)狀,在經(jīng)濟合理的前提下確定裝置擴能后的合理規(guī)模。

(2)在經(jīng)濟可行的前提下采用新技術(shù)、先進設(shè)備進行擴能改造,優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò),充分回收可利用的熱量,可在擴能的同時起到節(jié)能作用。

(3)裝置擴能改造后,能耗從4 797.2 MJ/t重整進料降至4 302.8 MJ/t重整進料,如果不計入重整液分離塔的消耗,裝置能耗為3 701.1 MJ/t重整進料,能耗水平與國內(nèi)同類新建裝置相當(dāng),擴能改造效果明顯。

[1]徐承恩.催化重整工藝與工程[M].北京:中國石化出版社, 2006.

[2]邵文,劉傳強,栗雪云,等.2.2 Mt/a連續(xù)重整裝置的標(biāo)定[J].石油與天然氣化工,2011,40(6):581-584.

[3]江勁松,唐忠懷.解決重整裝置大負荷運行下的瓶頸問題[J].石油與天然氣化工,2011,40(2):154-159.

[4]秦永強.重整裝置的節(jié)能改造[J].煉油技術(shù)與工程,2003,33 (8):55-57.

[5]沈波.連續(xù)重整燃料氣節(jié)能途徑探討[J].石油煉制與化工, 2011,42(8): 74.

Energy-saving design of capacity expansion revamping for CCR unit

Yuan Chunhua,Ren Jiansheng
(CPECC East-China Design Branch(Beijing),Beijing 100101,China)

Relying on the capacity expansion and revamp of 400×103t/a CCR unit built in the 1990’s,a series of energy saving measures were taken considering the scale,process and energy utilization,which include:optimizing the feed scheme according to the characteristics of the feed to reduce the scale of reaction;utilizing the high-efficient welded plate heat exchanger and double shell side heat exchanger to enhance heat transfer;decreasing the outlet temperature of flue gas to increase thermal efficiency of heating furnace;and optimizing the heat exchanger process flow to lower the inlet temperature of air cooler,and maximizing to utilize the latent heat of evaporation in the top of the tower.As a result,the processing ability increased by 13%,while the comprehensive energy consumption decreased by 502.4 MJ/t.

continuous catalyst reforming,capacity expansion,energy-saving design

TE624.4+2

B

10.3969/j.issn.1007-3426.2014.05.004

2014-01-09;編輯:溫冬云

袁春華(1983-),女,山東鄆城人,工程師,2008年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(北京)化學(xué)工藝專業(yè),研究生學(xué)歷(碩士學(xué)位),現(xiàn)任職于中國石油工程建設(shè)公司華東設(shè)計分公司(北京),從事催化重整及芳烴裝置的工藝設(shè)計工作。地址: (100101)北京市朝陽區(qū)安立路101號名人大廈9層。電話:010-58170216。E-mail:bj-yuanchunhua@cnpccei.cn