催化裂解装置能耗分析及节能措施

路军晓(中海油东方石化有限责任公司，海南 东方 572600)

0 引言

催化裂解装置指的是，在催化剂作用下，通过高温裂解石油烃类的方式，获取丁烯、丙烯、乙烯、轻质芳烃等物质的一种石油炼化设备装置。与常规的装置相比，催化裂解装置可减低反应的温度，提高低碳烯烃、芳香烃的产率，增强产品分布灵活性。然而催化裂解装置的能耗较高，怎样在技术改造中保证产品产率不降低，通过优化参数等方式，挖掘装置的节能潜力，促进节能降排，提高设备的生产效能，已成为当下研究的重要内容之一。

1 催化裂解装置能耗情况分析

1.1 能耗现状介绍

中海油某公司催化裂解装置应用了中石化研究院的DCC-plus技术，以常压渣油为原料，以丙烯、乙烯为目标产品，是国内最大的催化裂解装置装置。此装置在2014年2月18日成功开车，且在持续优化、调整的条件下，其乙烯收率、丙烯收率均有所提升。与常规的催化裂化相比较，该催化裂解装置反应温度较高、反应压力和床层空速较低、注汽量较多，反应热可至常规的2～3倍。然而，催化裂解装置能耗可至97.88 kg EO/t，在全厂能耗中占比最大，与常规装置相比更高。鉴于此，从实际情况出发，综合分析装置能耗，探讨节能降耗措施，是实现低碳生产的有效手段[1]。

1.2 催化裂解装置能耗的主要原因

1.2.1 烧焦的原因

(1)雾化效果降低。由于催化裂解装置选择的雾化喷嘴型号不够合理，以及喷嘴使用寿命达到了上限值，降低喷嘴工况，加之循环系统有结垢，油浆、原料油的换热器不能正常运行，预热温度仅可至175 ℃，和220 ℃设计值相差较远，从而降低了雾化的效果，增加了生焦量；

(2)床层料位的控制较大。因受催化裂解装置制约作用，其处理能力仅为80%～90%，为保证正常供应乙烯原料，而使得床层料位增加，相应增加了生焦量。

1.2.2 蒸汽用量减少

(1)蒸汽用量减少。催化裂解装置应用背压式的气压机，压力入口值50 kPa，在塔顶循环取热负荷下，通过减小冷回流等相关措施，降低油气系统的冷凝负荷，提高入口压力的值，直至60 kPa，在保证出口压力没有改变的基础上，将气压机的转速从4 408 r/min降为3 980 r/min，蒸汽用量从115.4 t/h降为102.0 t/h；

(2)蒸汽流量有所增加。催化裂解装置的烧焦量有明显上升，增加了系统的内热能，进而增加了余热锅炉、油浆等产汽量。

1.2.3 在用电和用水方面

(1)烟机运行同步率提高。通过加强维护、规范烟机开停车等工作，能降低烟机故障率，将其运行同步率提高，为节电提供了保障；

(2)低负荷的机泵停运。催化裂解装置柴油系统有封油泵、贫吸收油泵和轻柴油泵，运行状态均为低负荷，以原有流程为基础对工艺流程进行优化，可停运贫吸收油泵、封油泵；

(3)冷却器水线速循环调整。催化裂解装置冷却器应用八台四组并联的方式，因存在偏流的现象，且冷却器温差不一致，调节水流量循环的难度极大。因此，为保证稳定塔操作的平稳性，预防冷却器管结垢，往往采用较高线速的循环水，而加大了循环水的能耗[2]。

2 催化裂解装置能耗的节能措施

2.1 进一步优化反应操作

催化裂解装置应用提升管、床层反应技术，操作条件较苛刻，以此加强重质原料一次裂化、生成汽油馏二次裂化。同时，催化裂解装置应用了轻汽油的循环裂化、C4馏分技术，以此提升目标产品乙烯、丙烯收率，但在此过程中也增加了生焦量，对反应热的需求更大，其生焦量在8.8%～9.8%左右，在衡算反再热量后，裂解反应所需的热量为60 MW，在再生烧焦的放热能量中约占25%。鉴于此，催化裂解装置可控制脱氢反应、非理想的热裂化等方式，来降低生焦、反应热。

(1)增加二反热催化剂的循环量。在第二提升管的输送作用下，将高活性、高温的催化剂输送到反应器，在确保汽油馏分二次裂解需要高活性、高温催化剂的同时，降低反应器温度，精准控制提升管、床层反应器温度，发挥DCC优势来提升丙烯收率、降低生焦。通过优化DCC装置可使焦炭的产率下降约2.49%左右；

(2)对原料配比进行优化。催化裂解装置所用原料为常压渣油，其性质会直接影响生焦量，在原料变重的影响下，原料中残留的氮、硫、炭等重金属也有所增加，使得产品分布较差，而增加了生焦量。因此，可以原料性质为依据，对原料配比进行及时调整，尾油、常渣比例一般控制在0.8～1.3左右。通过对原料配比进行调整、优化，可保证原料质量与设计要求相符，从而优化产品的分布情况，降低生焦量；

(3)对催化剂的活性进行调整，以控制好裂化反应。MMC-2催化剂能更好地选择丙烯，焦炭产率更低，可选择此催化剂。作为裂解反应重要媒介，催化剂对产品的分布有重大影响，可通过实际摸索操作，将其活性维持在62～65左右，可在保证装置产品附加值高的同时，预防原料裂化过度。在加入钝化剂时，需遵循中锑相等原则，按照相关数值合理调整[3]。

2.2 增加汽轮机做功效率

催化裂解装置的压缩机包括NG50/40汽轮机、2MCL1006压缩机两部分，汽轮机在3.5 MPa中压蒸汽驱动作用下做功，提供压缩富气至稳定系统需要的压力。由于催化裂解的反应深度较大，气体量约高出常规3～4倍，转化率较高，压缩机的入口流量在达86 000 Nm3/m时，气压机的做功负荷较大，耗汽量可至106 t/h，故此汽轮机是否能良好运行，与耗汽量有着密切关系，可通过增加汽轮机做功效率改善蒸汽消耗。

(1)对气压机的控制方案进行优化。催化裂解装置在运行时，反飞动的调节阀、气压机的转速控制着反应压力，为预防气压机出现喘振，往往设有喘振的曲线，且防喘振的曲线具备10%的安全余量。在操作时，若反飞动的调节阀开度变大、气压机的转速增加时，气压机的工作点就会偏离喘振点，虽然增加了安全裕度，但也增加了气压机的耗汽量，两者存在相矛盾的现象。同时，应和气压机的厂家及时沟通，让其以气压机的实际工况为依据，重新核算出防喘的振线，尽量全关调节阀，让气压机的转速控制反应压力；

(2)缩小气压机的压缩比。在确保产品质量的情况下，催化裂解装置可增加顶循循环的量、降低顶循返塔的温度，以减少冷回流的流量，从而增加入口的压力，将入口压力的设计值定为60 kPa，同时吸收稳定系统调整补充吸收剂的流量以保证吸收的效果；

(3)加大蒸汽品质的管控力度。汽轮机的蒸汽品质既和汽轮机能否安全运行有关，也影响着汽轮机的经济性。倘若蒸汽品质与要求不符，其中携带杂质会停留在蒸汽流道内而形成结垢，在流通面积逐渐变小的情况下，会增加汽轮机的压力，开大调节汽阀，降低汽轮机的做功效率，同时蒸汽品质差还会造成汽轮机转子出现腐蚀。因此，需严格管控炉水品质、过热蒸汽钠离子含量和锅炉给水，将SiO2浓度控制在20 μg/L以内。在操作时，需平稳操作各汽包的压力、液位，避免超负荷下运行或者大幅度的波动[4]。

2.3 优化烟机的运行

催化裂解装置主风机组应用的是烟气轮机、电机联合驱动形式，在三旋分离大部分细粉之后，高温的烟气进入烟机作功，对其中的压力能、热能进行回收，进而在与电机的驱动下促进主风机正常运转。因此为了延长烟机的运行寿命，提升烟机做功的效率，可对烟机的运行进行优化。

(1)提升烟机做功的效率。全开烟机入口的蝶阀，适当增加再生的压力，确保双动滑阀的开度在3%以内，以降低烟气旁路的损失。在确保两器流化正常的基础上，以操作经验为依据，将再生压力提升至适合数值。将烧焦的罐藏量控制在较低范围，以此降低系统压力，具体为烧焦的罐藏量140 t，系统压力155 kPa。以烧焦效果为前提，对主风量进行调节，并控制剩余氧的体积分数；

(2)确保烟机可长期运行。烟机结垢是影响烟机长期运行主要因素，因此需对烟机结垢进行缓解。首先，对烟机入口的粉尘含量进行密切监测，分析三旋细粉、平衡剂组成，掌握旋风分离设备运行的状况，将粉尘质量的浓度控制在200 mg/m3以内，10 μm以上催化剂颗粒≤3%；其次，加大烟机运行管理力度。为防止出现粉尘、泥等结垢，改善烟机轮盘蒸汽品质，轮盘冷后温度控制320～350 ℃，合理的冷却蒸汽使用量，确保烟机叶片正常运行；最后，将润滑油压控制在稳定范围，以防油膜不稳而出现振荡，造成机组操作波动。

2.4 优化分馏塔各中段取热

在反应中生成的过热高温油气，在进分馏塔之后，在其各中段回流以取热，进而用作稳定塔和解吸塔热源、加热换热、原料预热和产生蒸汽。在分馏塔操作时，需在确保产品质量、收率前提下，最大限度提升高温位的能量利用率，还需提升低温位的热量回收率，从而减少过程损失。另外尽量提高气压机入口压力。

(1)对分馏塔的中段取热进行优化。首先，由一中为汽油分割塔、稳定塔提供热量，实现一中换热；其次，在原料油换热作用下实现催化原料预热；最后，形成3.5 MPa中压蒸汽。在控制油浆取热时，应在满足一中热量和原料油预热的基础上，多从油浆系统取热，增产中压蒸汽，同时尽可能减少冷回流；

(2)对分馏塔的冷回流量实施降低操作。分馏塔温度通过调节冷回流量、循回流的流量来实现。而冷回流为分馏塔顶汽油成分，进到分馏塔的最上层，在传质传热作用下，通过气化返回到管线，增大了油气管线的压力、分馏塔顶的冷却负荷。因此，在操作时，在确保产品质量的前提下，需尽可能提高分馏塔顶的循环回流，从而降低冷回的流量。当顶循回流提到520 t /h左右时以至顶循泵最大的负荷，而塔顶温度仅能在冷回流的温度下进行调节，存在不合理利用能量的现象。鉴于此，可优化顶循、热水换热的流程，在Aspen模拟运算下，将冷回流量降低，降低塔顶的冷却负荷[5]，节约循环水耗量，同时也提高了气压机入口压力。

2.5 其他措施

2.5.1 烟气能量的回收

在部分操作条件未发生明显变化情况之下，如主风流量在3 250 Nm3/min，再生器的压力为155 kPa，双动滑阀的开度为1%等，烟机装置入口蝶阀开度较前期会有更大下降幅度，一般会从45%降为41%，此时则可通过烟气能量的回收，实现节能的目标。另外，由于催化裂解装置锅炉取余热的负荷较小，当处理量为90%、吹灰器工作正常的情况下，最高排烟温度可达180 ℃，与标准排烟的温度相比节能空间还很大，可通过烟气能量的回收降低能耗。

2.5.2 调整蒸汽用量

催化裂解装置的气压机流通面积相对较小时，在事故情况下，即使将反飞动的控制阀维持在全开，也无法达到反喘振最小的流量，加之在分馏平台最高处，反飞动的控制阀不能及时打开副线，因此可将副线开度维持在2扣左右，此时的蒸汽用量可维持102 Nm3/t，此数值不仅能保证气压机运行安全性，而且能避免能量浪费现象。另外，除调整原料油的雾化蒸汽、汽提蒸汽至正常值之外，剩余的用汽点仍存在优化空间，从而减少蒸汽用量。如可优化换热，提高除盐水进入除氧器温度，以此降低除氧器蒸汽的用量。

2.5.3 其他辅助措施

(1)减少装置热损失。高温管线、设备及时包保温，特别是管线堵漏设备检修后，保温要及时恢复；

(2)变频电机的应用。装置中的空冷及机泵在满足工艺需求的状态下，可以充分的推行变频电机的运用，达到节约装置的耗电；

(3)现场管理上台阶，杜绝“跑、冒、滴、漏”的老毛病、低标准现象，设备管理建立台账，规范管理，降低装置损耗。

3 结语

综上所述，因受到工艺原理制约作用，催化裂解装置相较常规装置存在更大的能耗，因此怎样降低能耗是实现低碳生产的关键。鉴于此，相关人员应以生产实际情况作为依据，在不影响产品分布情况的基础上，采取有效节能措施，有效调整相关参数，以此优化各项操作，从而达到改善能耗、提高节能的目标，为催化裂解装置高效运行、安全生产提供有力保障。