黃 勇　王寧波　王明峰　張書勤　張娟利　馬曉迅

1.陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院　2.西北大學(xué)化工學(xué)院

3.陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司碳?xì)涓咝Ю眉夹g(shù)研究中心

0.2 Mt/a催化裂化裝置用能分析與改進(jìn)

黃 勇1,2王寧波3王明峰3張書勤1張娟利1馬曉迅2

1.陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院2.西北大學(xué)化工學(xué)院

3.陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司碳?xì)涓咝Ю眉夹g(shù)研究中心

摘要借助物料衡算、熱量衡算、動量衡算和能量平衡、火用平衡的三環(huán)節(jié)理論，對催化裂化裝置的反應(yīng)-再生系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算分析。結(jié)果表明，過量主風(fēng)和補(bǔ)燃干氣造成燒焦罐線速高、停留時間短、氧濃度低和水蒸氣分壓大，導(dǎo)致催化劑活性降低，燒焦利用熱減少和回收利用率低，裝置能耗增加。通過降低主風(fēng)、停燒干氣、減小回?zé)挶群吞岣邉┯捅鹊却胧┙档凸に嚳傆媚?；改造余熱鍋爐，以提高能量轉(zhuǎn)化效率；優(yōu)化換熱、減少過程火用損和熱損失等改善能量回收率，可降低能耗31.04%，節(jié)能效果明顯。

關(guān)鍵詞催化裂化能耗節(jié)能

催化裂化是煉油廠重要的二次加工工藝，在重質(zhì)原油輕質(zhì)化過程中發(fā)揮積極作用，但在生產(chǎn)輕質(zhì)燃料的同時會消耗大量能源。操作狀況的優(yōu)劣直接影響裝置用能水平，關(guān)系到全廠綜合能耗和經(jīng)濟(jì)效益。與國外同類催化裂化裝置的能耗相比，我國催化裂化裝置能耗較高(500~1 000 MJ/t)。通過采用先進(jìn)的工藝技術(shù)、優(yōu)化操作條件，降低裝置能耗，縮短國內(nèi)外差距，提高市場競爭能力，是催化裂化裝置亟待解決的問題。

針對某廠0.2 Mt/a催化裂化裝置出現(xiàn)產(chǎn)品分布惡化、結(jié)焦情況嚴(yán)重、加工劑耗大和綜合能耗高等問題，通過對反應(yīng)-再生系統(tǒng)進(jìn)行物料、熱量、動量平衡計(jì)算以及能量平衡、火用平衡的三環(huán)節(jié)理論，考察裝置的加工能力、產(chǎn)品收率和能耗分布等情況，分析能耗高的主要原因，提出降低裝置能耗的優(yōu)化節(jié)能措施。

1裝置特點(diǎn)

某廠0.2 Mt/a催化裂化裝置以大于350 ℃的常壓渣油為原料，由反應(yīng)-再生、分餾、吸收穩(wěn)定和產(chǎn)品精制(液化氣脫硫、粗汽油脫硫醇等)等部分組成。反應(yīng)器和再生器采用高低并列式，提升管應(yīng)用新型原料霧化噴嘴、分層進(jìn)料技術(shù)和終止劑技術(shù)等，沉降器采用新型單級旋風(fēng)分離器和新型汽提擋板技術(shù)，采用前置燒焦罐高效再生。

2數(shù)據(jù)計(jì)算與分析

2.1物料平衡

為了反映回?zé)捰秃陀蜐{對催化裂化反應(yīng)的影響程度，在相同的反應(yīng)再生溫度和不同回?zé)挶?工況1、2)的條件下，以工況1為基準(zhǔn)，借助物料平衡分析裝置用能水平[1]，見表1。

表1 物料平衡Table1 Materialbalance項(xiàng)目工況1回?zé)挶?.54工況2回?zé)挶?.20質(zhì)量流量/(t·h-1)比例/%質(zhì)量流量/(t·h-1)比例/%設(shè)計(jì)值入方冷進(jìn)料7.2643.966.8041.46熱進(jìn)料9.2656.049.5958.54合計(jì)16.52100.0016.38100.00100.00出方干氣/損失1.7610.67/0.621.7310.53/0.583.80液化氣1.599.641.7410.6513.70汽油5.9536.006.2237.9442.00柴油5.7534.775.0230.6534.00油漿0.000.850.00焦炭1.378.301.448.806.50合計(jì)100.00100.00100.00

由表1可知，難裂解的稠環(huán)芳烴吸附在催化劑表面，惡化催化劑的環(huán)境。在相同操作條件下，回?zé)挶扔?.54降至0.2，催化原料中難裂解的稠環(huán)芳烴減少，原料可裂化性提高，減少對催化劑的污染，改善反應(yīng)體系的催化活性和選擇性，催化劑的重油轉(zhuǎn)化能力增強(qiáng)。

2.2熱量平衡

通過反應(yīng)-再生系統(tǒng)的熱量平衡計(jì)算，確定物流的能量分布。詳見表2。

表2 熱量平衡Table2 Heatbalance再生系統(tǒng)反應(yīng)系統(tǒng)項(xiàng)目熱量/MW比例/%項(xiàng)目熱量/MW比例/%入方焦炭、干氣燃燒放熱19.85100.00入方催化劑帶入熱量8.4590.90焦炭吸附熱0.859.10出方主風(fēng)升溫?zé)?.6323.33水蒸氣升溫?zé)?.0730.37焦炭升溫?zé)?.281.39焦炭脫附熱0.854.26外取熱器取熱1.909.56散熱損失3.3416.84催化劑帶走熱量8.4542.58燃料氣升溫?zé)?.331.67合計(jì)19.85100.00出方原料升溫汽化熱4.5448.79回?zé)捰蜕郎責(zé)?.586.23油漿升溫汽化熱1.0110.88提升干氣升溫?zé)?.576.11水蒸氣升溫?zé)?.242.52散熱損失1.0711.45總反應(yīng)熱1.3014.02合計(jì)9.31100.00

由表2可知，主風(fēng)升溫吸熱4.63 MW，占焦炭、干氣燃燒放熱量的23.33%，是能耗的主要構(gòu)成。反應(yīng)器和再生器的散熱損失分別為1.07 MW和3.34 MW，占總輸入熱量的11.45%和16.84%，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值(6%~7%)，造成能耗指標(biāo)偏高[2-3]。

2.3動量平衡

對反應(yīng)-再生系統(tǒng)中的線速度、停留時間、催化劑藏量和燒焦強(qiáng)度等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，分析余熱鍋爐的換熱效果。

2.3.1反應(yīng)系統(tǒng)

高溫再生劑在原料油噴嘴處與大分子原料油發(fā)生反應(yīng)。含催化劑顆粒的反應(yīng)油氣在一級旋風(fēng)分離器、二級旋風(fēng)分離器中分離，過熱油氣進(jìn)入分餾塔；催化劑經(jīng)水蒸氣作用，使吸附的油氣解吸，待生劑經(jīng)滑閥進(jìn)入再生器，操作參數(shù)詳見表3。

由表3可知，提高回?zé)挶?，反?yīng)油氣的體積流量增大，在一旋、二旋和油氣管線的線速度分別為14.80 m/s、17.39 m/s和28.26 m/s，均低于設(shè)計(jì)值。反應(yīng)油氣在沉降器的停留時間增加，在旋風(fēng)料腿和沉降室頂部等處發(fā)生縮合生焦反應(yīng)，產(chǎn)生大量焦炭。

表3 反應(yīng)系統(tǒng)操作參數(shù)Table3 Operationparametersofreactionsystem項(xiàng)目實(shí)際值/設(shè)計(jì)值項(xiàng)目實(shí)際值/設(shè)計(jì)值催化劑總循環(huán)量/(t·h-1)135.3/200劑油比5.4/8.0提升管入口線速度/(m·s-1)7.37/提升管出口線速度/(m·s-1)14.67/15.00提升管平均線速度/(m·s-1)10.61/提升管停留時間/s3.05/3.00一旋入口線速度/(m·s-1)14.80/15.50一旋停留時間/s0.41/二旋入口線速度/(m·s-1)17.39/21.30二旋停留時間/s0.14/沉降器停留時間/s4.57/油氣管線流速/(m·s-1)28.26/34.54

2.3.2再生系統(tǒng)

含炭量較高的待生催化劑通過主風(fēng)燒去催化劑上的焦炭，恢復(fù)活性后經(jīng)再生斜管送回反應(yīng)器循環(huán)使用。燒焦產(chǎn)生的高溫?zé)煔膺M(jìn)入余熱鍋爐回收熱量后排入大氣，操作參數(shù)詳見表4。

表4 再生系統(tǒng)操作參數(shù)Table4 Operatingparametersofregenerationsystem項(xiàng)目實(shí)際值/設(shè)計(jì)值項(xiàng)目實(shí)際值/設(shè)計(jì)值燒焦罐停留時間/min2.03/再生器停留時間/min9.41/燒焦罐燒焦強(qiáng)度/(kg·(t·h)-1)237.6/再生器燒焦強(qiáng)度/(kg·(t·h)-1)12.8/燒焦罐線速/(m·s-1)1.61/1.43再生器密相線速/(m·s-1)0.84/0.85煙氣管線線速/(m·s-1)21.30/再生器稀相線速/(m·s-1)0.49/0.55

受原料來源的限制，裝置的加工量為設(shè)計(jì)值68%，為保持催化劑的正常流化，再生系統(tǒng)中通入主風(fēng)。根據(jù)煙氣組成和主風(fēng)耗氧量，計(jì)算耗風(fēng)指標(biāo)為15.21 m3/kg焦炭(20 ℃，101.325 kPa，下同)，實(shí)際主風(fēng)量為28 000 m3/h，大于理論值21 000 m3/h，過量的主風(fēng)使再生溫度偏低。通過補(bǔ)燃干氣，彌補(bǔ)過量主風(fēng)的升溫吸熱，維持適宜的再生溫度。

干氣燃燒產(chǎn)生的水蒸氣與主風(fēng)進(jìn)入燒焦罐，水蒸氣分壓為正常主風(fēng)時的3倍以上。高溫下會加快催化劑的水熱失活，使催化劑的流化、催化性能下降。再生劑中直徑<20 μm的顆粒占10%，比表面積由120 m2/g降至70 m2/g，活性由65降至50，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化率下降，產(chǎn)品分布惡化。

燃燒主風(fēng)、干氣使燒焦罐內(nèi)氣體線速增大為1.61 m/s，高于設(shè)計(jì)值1.43 m/s，停留時間2.03 min，燒焦強(qiáng)度237.6 kg/(t·h)，削弱了燒焦罐的燒焦能力。部分焦炭在再生器中發(fā)生尾燃，造成再生器與燒焦罐的溫差超過40 ℃，大量熱量進(jìn)入煙氣，熱損失增大。

2.3.3余熱鍋爐

余熱鍋爐由過熱段、蒸發(fā)段和蒸發(fā)顯熱段、省煤器段等部分組成，其操作參數(shù)詳見表5。

表5 余熱鍋爐操作參數(shù)Table5 Operationparametersofwasteheatboiler項(xiàng)目過熱段蒸發(fā)潛熱段蒸發(fā)顯熱段省煤器段冷流入口/℃187187103103冷流出口/℃241187187160入口焓值/(kJ·kg-1)2789798432432出口焓值/(kJ·kg-1)29682789798675熱負(fù)荷/kW410.91045.1192.1518.4換熱面積/m266.0436.0333.0223.0△tm/℃346.6316.2313.7303.9K/(W·(m2·℃)-1)17.967.581.847.65

由表5可知，再生器內(nèi)線速度增加，催化劑相對運(yùn)動加快，磨損加劇。同時，在高溫作用下，催化劑易發(fā)生熱崩，產(chǎn)生較多不易被旋風(fēng)分離的細(xì)粉，煙氣中夾帶大量的細(xì)粉進(jìn)入余熱鍋爐后，在折流過程中隨著線速度的降低，不斷沉積、掩埋傳熱管，導(dǎo)致?lián)Q熱面積變小，換熱效果惡化，熱量回收率低。

3能量平衡和火用平衡

根據(jù)能量的變化規(guī)律，將催化裂化過程用能分為能量的轉(zhuǎn)換和傳輸、能量的工藝?yán)煤湍芰炕厥?個環(huán)節(jié)[4]，分析能量平衡和火用平衡，評價過程用能，詳見圖1。

3.1能量轉(zhuǎn)換和傳輸環(huán)節(jié)

總供入能(EP)包括燃料化學(xué)能和電能?？偣┤肽?EP)通過再生器、余熱鍋爐和外取熱器、機(jī)泵等設(shè)備轉(zhuǎn)換，一部分為供給工藝過程所需要的能量(EU)，另一部分為輸出能量(EB)和損失能量(EW)，見表6。

表6 能量轉(zhuǎn)換和傳輸環(huán)節(jié)Table6 Energyconversionandtransmission項(xiàng)目能量/火用/MW(MJ·t-1)%MW(MJ·t-1)%轉(zhuǎn)換輸出EB總供入能(EP)32.116998.022.274852.0油漿發(fā)生器產(chǎn)蒸汽0.40688.413.410.182339.710.93余熱鍋爐發(fā)生蒸汽0.518112.817.110.232650.713.95外取熱器取熱1.897413.562.711.1416248.868.46機(jī)泵(有效功)0.20544.76.770.111024.26.66合計(jì)3.026659.4100.001.6675363.4100.00直接損失EW排煙損失能(EWX1)8.9451949.0063.565.16601126.060.71余熱鍋爐排污(EWX2)0.15634.091.110.03637.90.43再生器散熱(EWD1)3.342728.2023.742.3524512.627.65回收系統(tǒng)散熱與其他(EWD2)1.520331.2010.800.9537207.811.21無效動力(EWP)0.11124.190.79合計(jì)14.0743066.68100.008.50841854.3100.00非工藝有效動力0.650141.60.650141.6有效利用(EU)14.361313011.4402493

由表6可知，排煙能量損失、火用損失分別占能量損失的63.56%和60.71%。提高能量轉(zhuǎn)換效率在于回收煙氣熱量和減少排煙損失及過程火用損。余熱鍋爐利用率越高，排煙溫度越低，產(chǎn)生蒸汽量越大。過程火用損主要是高溫?zé)煔馀c空氣混合傳熱的火用損及熱量傳遞過程的火用損。通過優(yōu)化操作條件來降低傳熱溫差，減少外取熱器等損失較大的過程火用損。

3.2能量利用環(huán)節(jié)

指進(jìn)入該環(huán)節(jié)的能量在反應(yīng)器、再生器和分餾塔等設(shè)備中反應(yīng)、完成利用能量的過程，包括有效能(EU)、回收循環(huán)能(ER)和熱力學(xué)能(ET)。輸出能包括待回收能(EO)和設(shè)備散熱(EUd)，見表7。

由表7可知，回收循環(huán)能、循環(huán)火用占能量損失的54.95%和17.16%，比例較低。裝置的熱力學(xué)能耗、火用耗分別占13.12%和9.62%，表明降低工藝總用能的潛力較大。從設(shè)備用能情況來看，反應(yīng)器、再生器和分餾塔的過程火用損分別為45.06%、10.56%和30.19%，屬高能耗設(shè)備。其中反應(yīng)器和再生器由于高溫催化劑、煙氣與低溫物流、空氣的大溫差傳熱過程的不可逆性造成過程火用損較高。分餾塔過程火用損則是由于過熱狀態(tài)的高溫反應(yīng)油氣進(jìn)入分餾塔，在低溫度下回收利用，傳熱溫差大造成較高的過程火用損。

表7 能量利用環(huán)節(jié)Table7 Energyutilization項(xiàng)目能量/火用/MW(MJ·t-1)%MW(MJ·t-1)%轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)有效供出(Eu)14.36313011.442493回收循環(huán)(ER)17.65384654.954.413961.717.16工藝總用能焦炭(EPC)19.85432661.8019.85432677.18蒸汽(EPS)0.992173.100.4597.41.74動力用能(EPE)1.974296.131.97429.07.66工藝用熱(EPH)9.30202728.973.45751.813.42合計(jì)32.116999100.0025.725604.2100.00熱力學(xué)能(火用)耗(ET)4.215918.513.123.09673.49.62過程火用損反應(yīng)器11.77256545.06再生器2.76601.210.56分餾塔7.89171830.19其他設(shè)備3.71807.614.19合計(jì)26.135691.8100.00散熱(EVD)0.295864.460.158834.61待回收(EO)27.6060157.5501645

3.3能量回收環(huán)節(jié)

該環(huán)節(jié)能量分為兩部分：一部分是用于體系內(nèi)部的回收循環(huán)能(ER)，另一部是用于體系外或轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的回收輸出能(EE)。未回收的能量(EJ)以散熱、冷卻、物流排棄等方式排入環(huán)境。詳見表8。

表8 能量回收環(huán)節(jié)Table8 Energyrecovery項(xiàng)目能量/火用/MW(MJ·t-1)%MW(MJ·t-1)%回收循環(huán)(ER)17.6538464.413961.7回收輸出(EE)1.252720.49106.9排棄能散熱(余鍋)1.5233114.230.95207.8095.57物流0.18401.710.0429.214.23冷卻8.98195684.090.00200.420.20合計(jì)10.682327100.000.99217.43100.00過程火用損冷換設(shè)備1.63354.6091.00其他0.1635.109.00合計(jì)1.79389.70100.00待回收(EO)27.6060157.551645非工藝有效動力0.651420.65142回收率(ηk)66.9053.34

由表8可知，回收環(huán)節(jié)的能量、火用回收率為66.90%和53.34%，能量和火用回收率較低。對低溫?zé)岬奈漳芰^低，可利用的熱肼少且溫位低，造成高熱低用，傳熱溫差大、火用損大。通過優(yōu)化換熱系統(tǒng)和借助利用外部合適的熱肼，減少傳熱火用損。

4節(jié)能效果

通過降低主風(fēng)、停燒干氣和改造余熱鍋爐，改善再生環(huán)境，提高換熱效果，轉(zhuǎn)化率由65.33%提高到68.20%，余熱鍋爐換熱后煙氣溫度由415 ℃降至200 ℃，多回收能量5.25 MJ/h。能耗分布情況見表9。

由表9可知，改造后裝置能耗為5 377.0 MJ/t，降低了31.04%，節(jié)能效果明顯。其中，電、水蒸氣和燃料氣消耗分別降低214.1 MJ/t、318.0 MJ/t和1 137.7 MJ/t，其余耗能物流變化不大。焦炭能耗為3 745.0 MJ/t，占總能耗的69.65%，由于產(chǎn)品分布不良，焦炭收率過大，導(dǎo)致燒焦能耗指標(biāo)超過設(shè)計(jì)值。通過優(yōu)選催化劑、優(yōu)化反應(yīng)再生條件，可降低生焦率和焦炭能耗。

表9 能耗分布Table9 Distributionofenergyconsumption名稱設(shè)計(jì)能耗/(MJ·t-1)比例/%改進(jìn)前能耗/(MJ·t-1)比例/%改進(jìn)后能耗/(MJ·t-1)比例/%新鮮水0.90.020.90.010.90.02循環(huán)水144.03.7468.10.9768.11.27除鹽水35.40.920.70.010.70.01蒸汽-461.1-11.96488.36.93170.33.17電1268.032.891247.117.701033.019.21催化燒焦2720.170.563744.253.133745.069.65凈化風(fēng)147.73.83178.72.54178.73.32燃料氣0.00.001318.018.71180.33.35能耗合計(jì)3855.0100.007046.0100.005377.0100.00

5結(jié) 論

通過采取降低主風(fēng)量、停燒干氣及改善余熱鍋爐運(yùn)行等措施，可提高轉(zhuǎn)化率和汽油選擇性，改善換熱效果，降低裝置能耗，但與同類型裝置相比，能耗仍較高，為了進(jìn)一步降低能耗，可采取以下措施：

(1) 優(yōu)化反應(yīng)條件，改善產(chǎn)品分布，降低焦炭、干氣產(chǎn)量，以降低能耗。

(2) 利用PROⅡ模擬軟件和換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)，優(yōu)化利用能量。

參 考 文 獻(xiàn)

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[4] 華賁. 工藝過程用能分析及綜合[M]. 北京: 烴加工出版社, 1989.

Energy consumption analysis and improvement of 0.2×106t/a catalytic cracking unit

Huang Yong1,2，Wang Ningbo3，Wang Mingfeng3，Zhang Shuqin1, Zhang Juanli1, Ma Xiaoxun2

(1.InstituteofShaanxiYanchangPetroleum(Group)Co.,Ltd,Xi’an710075,China)

(2.SchoolofChemicalEngineering,NorthwestUniversity,Xi’an710069,China)

(3.HydrocarbonResearchCenterofShaanxiYanchangPetroleum(Group)Co.,Ltd,Xi’an710075,China)

Abstract:Based on the three-link theory of the material balance, namely heat balance, momentum balance, and exergy balance, the reaction-regeneration system was calculated. Results showed that excessive fluidization air and burning dry gas would lead to high velocity, short residence time, low oxygen concentration and high partial pressure of steam in the coke-burning drum. Meanwhile, it would reduce catalyst activity, the burning heat and reutilization of exhaust-heat boiler, which caused the increasing of unit energy consumption. By decreasing the air flow, stopping burning the dry gas, reducing gasoline recycle ratio and increasing the ratio of catalyst to oil, the energy consumption can be reduced. The energy transforms efficiency was improved by reforming the waste heat boiler which could optimize the heat exchange, reduce the heat transfer exergy loss and so on. The energy-saving effect is obvious and the total energy consumption of devices reduced by about 31.04%.

Key words:fluid catalytic cracking, energy consumption, energy-saving

收稿日期：2014-07-08；編輯：溫冬云

中圖分類號：TE624.4+1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2015.02.007

作者簡介：黃勇(1983-)，男，陜西西安人，工程師，2010年畢業(yè)于西安石油大學(xué)化學(xué)工藝專業(yè)，工學(xué)碩士，在職博士，現(xiàn)任職于陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，從事煤化工研究工作，已發(fā)表論文10篇。E-mail:xue731@163.com