基于夾點(diǎn)技術(shù)的汽油加氫裝置換熱網(wǎng)絡(luò)節(jié)能研究

常鑫

（盤(pán)錦浩業(yè)化工有限公司，遼寧盤(pán)錦124124）

隨著經(jīng)濟(jì)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(dāng)今世界主要的技術(shù)和社會(huì)問(wèn)題。2017年國(guó)內(nèi)石化行業(yè)能耗為73 421×104t標(biāo)準(zhǔn)煤，較2010年增長(zhǎng)35.4%，占工業(yè)能耗的24.9%。2019年國(guó)內(nèi)原油表觀消費(fèi)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，企業(yè)降本增效已迫在眉睫［1］。

換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化是煉油裝置節(jié)能降耗的重要方法，而夾點(diǎn)技術(shù)是換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化應(yīng)用最廣泛的過(guò)程能量綜合方法，具有簡(jiǎn)單實(shí)用、直觀靈活等特點(diǎn)［2］。夾點(diǎn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)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(jì)性，在過(guò)程工業(yè)中已取得顯著的節(jié)能效果。文中利用夾點(diǎn)技術(shù)，對(duì)某煉油廠70×104t/a汽油加氫裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行節(jié)能分析，對(duì)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(jiǎn)介

某煉油廠汽油加氫裝置工藝以改善劣質(zhì)2次加工汽油質(zhì)量為目標(biāo)，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(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)的汽油組分，具有產(chǎn)品辛烷值損失低、產(chǎn)品收率高、可滿(mǎn)足裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行等特點(diǎn)。

該汽油加氫裝置包括預(yù)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?，F(xiàn)換熱網(wǎng)絡(luò)改造部分為預(yù)加氫反應(yīng)部分以及1段加氫脫硫部分，其工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 預(yù)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(chǔ)數(shù)據(jù)

某石化企業(yè)的汽油加氫裝置設(shè)計(jì)加工能力為70×104t/a，操作彈性為60%～110%，設(shè)計(jì)開(kāi)工時(shí)數(shù)為8 000 h/a。

經(jīng)過(guò)對(duì)整個(gè)工藝流程的分析，裝置內(nèi)共有13股熱物流和13股冷物流，見(jiàn)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(luò)現(xiàn)狀分析

3.1 最優(yōu)傳熱溫差ΔTmin的確定

ΔTmin是指換熱設(shè)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(quán)衡關(guān)系［3］。

夾點(diǎn)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(huì)增大，從而導(dǎo)致設(shè)備投資費(fèi)用增大，反之亦然。最優(yōu)ΔTmin的確定需要綜合考慮設(shè)備投資和操作費(fèi)用的相對(duì)大小，取年總費(fèi)用最小時(shí)對(duì)應(yīng)的溫差為最優(yōu) 夾 點(diǎn) 溫 差［4］。文 中 選 取 換 熱 網(wǎng) 絡(luò)ΔTmin為18℃［5，6］。

3.2 夾點(diǎn)技術(shù)用能分析

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

圖2 冷、熱物流復(fù)合曲線

汽油加氫裝置總復(fù)合曲線見(jiàn)圖3。

圖3 總復(fù)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(duì)比見(jiàn)表2。

表2 優(yōu)化前后公用工程能耗對(duì)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(luò)分析

根據(jù)夾點(diǎn)技術(shù)設(shè)計(jì)的3個(gè)原則來(lái)分析裝置用能的不合理之處（夾點(diǎn)之上不應(yīng)設(shè)置任何公用工程冷卻器；夾點(diǎn)之下不應(yīng)設(shè)置任何公用工程加熱器；不應(yīng)有跨越夾點(diǎn)的傳熱）：換熱器E-9101AB存在跨越夾點(diǎn)換熱原則，物流H5與C5通過(guò)E-9101AB換熱，跨越夾點(diǎn)換熱量為2 365 kW，違背了夾點(diǎn)規(guī)則換熱，需進(jìn)行重新匹配換熱。此外，熱源后精制反應(yīng)器產(chǎn)物初始溫度為341.3℃，目前直接通過(guò)換熱器E-9101CD與溫度為181.4℃的1段加氫反應(yīng)器的混合進(jìn)料進(jìn)行換熱，換熱溫差約160℃，不利于后精制反應(yīng)器產(chǎn)物熱量的梯級(jí)利用，同時(shí)溫差過(guò)大影響換熱器安全運(yùn)行。

4 換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案

針對(duì)現(xiàn)有換熱網(wǎng)絡(luò)的不合理之處，依據(jù)夾點(diǎn)設(shè)計(jì)原則，提出了該換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化方案。

改造方案分析：由于裝置內(nèi)缺少合適的熱源為1段加氫反應(yīng)進(jìn)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(diǎn)傳熱現(xiàn)象，考慮到就近原則，相鄰布置的柴油改質(zhì)裝置的精制柴油由197℃直接被空冷器A-2204冷卻至44℃，可對(duì)裝置補(bǔ)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(jìn)料預(yù)熱至180℃，經(jīng)此優(yōu)化后，1段加氫反應(yīng)器的進(jìn)料溫度可提高14.5℃以及后精制反應(yīng)器產(chǎn)物至預(yù)加氫部分溫度可提高49.1℃?？紤]優(yōu)化后，后精制反應(yīng)器產(chǎn)物提高49.1℃，因此原預(yù)加氫部分換熱網(wǎng)絡(luò)也需進(jìn)行優(yōu)化。利用精制柴油與混合進(jìn)料換熱后的179.8℃的熱量繼續(xù)與預(yù)加氫進(jìn)料110.3℃的催化汽油進(jìn)行換熱，代替原來(lái)?yè)Q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(yīng)器產(chǎn)物與預(yù)加氫進(jìn)料126.2℃的催化汽油進(jìn)行換熱。與原E-9003的換熱溫度相比，預(yù)加氫進(jìn)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(jiàn)圖4。

圖4 優(yōu)化后工藝流程圖

經(jīng)夾點(diǎn)技術(shù)改進(jìn)與調(diào)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(jì)分析

5.1 公用工程分析

通過(guò)對(duì)汽油加氫裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)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(jì)算能量費(fèi)用包括低壓蒸汽和電能，操作時(shí)間按8 000 h/a計(jì)算，所采用公用工程價(jià)格見(jiàn)表3。

表3 公用工程價(jià)格

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

式中△H1—低壓蒸汽熱負(fù)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(fù)荷為16 828 kW。優(yōu)化后，通過(guò)與1段加氫反應(yīng)進(jìn)料換熱后再與預(yù)加氫反應(yīng)進(jìn)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(shí)A-2204熱負(fù)荷約14 280 kW。節(jié)省的熱負(fù)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(jì)效益為599萬(wàn)元/a。

5.2 換熱器設(shè)計(jì)與選型

根據(jù)換熱器選型原則，采用換熱器計(jì)算與校核軟件HTRI進(jìn)行換熱器的重新選型，并進(jìn)行費(fèi)用計(jì)算。優(yōu)化方案主要增加了1段反應(yīng)流出物/預(yù)加氫反應(yīng)進(jìn)料換熱器、精制柴油/1段加氫反應(yīng)進(jìn)料換熱器、部分管線，新增費(fèi)用為70萬(wàn)元。優(yōu)化后節(jié)能降耗1.87×107kJ/h，經(jīng)濟(jì)效益為599萬(wàn)元/a，投資回收期為60 d，經(jīng)濟(jì)上可行。

6 結(jié)論

（1）利用Aspen Energy Analyzer軟件對(duì)汽油加氫工藝的換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)模擬，得出汽油加氫裝置的T-H圖和總負(fù)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(diǎn)溫度為132℃；最小傳熱溫差為50℃。

（2）基于夾點(diǎn)設(shè)計(jì)規(guī)則分析現(xiàn)有換熱網(wǎng)絡(luò)不合理的環(huán)節(jié)，根據(jù)用能和工業(yè)實(shí)際情況對(duì)汽油加氫裝置換熱網(wǎng)絡(luò)提出優(yōu)化方案。該方案利用現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上增加了2臺(tái)換熱器，解決裝置跨夾點(diǎn)傳熱問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)裝置內(nèi)高品位熱源的梯級(jí)利用。

通過(guò)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%。