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1基于催化裂化的低温热水系统优化分析摘要：分析传统流程中，催化裂化装置低温热利用的瓶颈所在；针对催化主分馏塔低温热源特点，利用高低温两套热水系统对其逐级取热，使催化低温热的利用效率达到84％；依据炼厂热阱稳定性，优化热水系统供热流程，建立稳定和非稳定两套系统，增强其操作弹性和稳定性。关键字：低温热换热网络催化裂化节能0前言催化裂化是原油二次加工中最重要的加工过程之一，是生产汽柴油的主要手段。随着市场对汽柴油需求的不断增长，催化裂化的规模也不断的扩大。目前，催化裂化的生焦率大约为10％左右，在催化剂再生时产生了大量的热量，其中相当一部分被反应油气带入分离系统。这部分由反应油气带入分离系统的热火用，一部分用于作为过程的推动力，大部分则有产品带出，因此合理、高效的回收，循环使用这部分热火用成为催化裂化节能的关键。而由于催化裂化中产品以轻烃为主，这就决定了在系统中将会有大量的低温热，所以，对低温热的优化利用也变得尤为重要了。目前，国内大部分炼厂投产较早，对能量的梯级利用以及对低温热的利用重视不够，致使大量可以利用的能量被浪费。而催化裂化系统产生的低温热占全厂低温热总量的60～70％，因此，如充分的利用低温热，合理的进行热匹配，提高催化裂化系统的低温热利用率，将对全厂节能做出重大贡献。现以国内某炼厂催化裂化系统为例，予以分析。1热水系统的工艺及特点该炼厂有两套年产140万吨催化裂化装置，为利用催化系统中的低温热，建立了两套热水系统。1＃热水系统基于1＃催化和四联合建立，其中1＃催化发生90℃热水650t/hr，四联合发生96℃热水250t/hr，供应气分，生活区和原油灌区用热，回水用后冷冷却至65℃返回。2＃热水系统则基于2＃催化建立，发生110℃热水430t/hr，用于生活5区采暖、产品精制用热和原油伴热，回水用后冷冷至65℃后，返回2＃催化。其流程图见图-1。2V101气分生活区16#原油灌区1#原油灌区四联合1＃催化塔顶油气1＃催化稳定汽油1＃催化轻柴油(III)1＃催化轻柴油(II)1＃催化顶循650t/hr热水50t/hr120℃200t/hr90℃图-1-a1＃FCC热水系统流程图V201生活5区产品精制伴热采暖2＃催化塔顶油气2＃催化稳定汽油(II)2＃催化顶循430t/hr热水2＃催化柴油(III)2＃催化一中(III)图-1-b2＃FCC热水系统流程图由于热水系统设计较早，目前的生产状况已经较设计时有了较大的变化，所以热水系统在运行当中，出现了诸多问题。大致可以分为三方面，一是热水系统取热少，设计热水系统发生两路热水，一路高温热水120℃，一路温热水90℃，而实际操作中高温热水仅有90℃，低温热水仅有70℃，这不仅造成催化装置冷却负荷大，而且也使气分等热阱用户热量不足，既消耗了大量的循环冷却水又消耗了10公斤蒸汽；二是系统操作波动大，冬夏季水温相差较大，导致用热装置运行不稳定，三是系统操作弹性较小，当某套催化装置生产出现停工，将对热水系统产生严重影响，甚至导致热水系统瘫痪。2热水系统存在的问题为什么产生这些问题呢？最主要的原因有两个，一是能量回收环节回收效率低，二是能量利用环节利用率低。首先，在能量回收环节，能量没有逐级利用，致使其在质量上和数量上都造成浪费。一方面是由于热水系统回水温度过高，导致催化低温热不能逐级利用、依次取出。以1＃催化顶循（435t/h抽出温度150℃，返回温度80℃）为例，在原流程中，顶循同75℃热水换热到110℃后，直接进冷却器冷至80℃返塔，冷却3负荷高达700万大卡，利用率仅有53％；如果回水温度能够降至55℃，则冷却负荷将大大降低。而如果考虑梯级利用，不仅能够进一步降低冷却负荷，同时也将降低过程火用损，提高能量的利用效率。在能量利用环节的热阱部分也存在类似问题，其中最典型的是气分装置，热水到达后，并联七路供给各用热装置，并未考虑温度匹配，逐级利用，能量利用率低，因此气分装置所需热量仍然有70％需要10公斤蒸汽供给。这不仅消耗大量蒸汽，而且导致系统回水温度偏高，直接影响热源部分热水的取热效果。其次在能量利用环节，没有依据热阱特点进行热水网络设计，导致热水系统操作波动大。在该系统中，主要热阱有，气分装置、生活区采暖、原有加热、原油伴热等。而这些热阱根据其特点可分为两类，第一类热阱不随季节变化，属于稳定热阱，如气分装置、原油加热；另一类则受季节影响较大，属于不稳定热阱，有生活区采暖、原油伴热等。在原系统中并未考虑这两类热阱的差别对系统的影响，造成热阱部分负荷随季节变化较大，导致热水系统操作波动大。比如，夏天生活区采暖用热较少，而供应热水量基本不变，90℃热水经过换热，回水温度仍然有80℃左右，为了避免回水温度过高，还需用3000～4000t/hr的循环冷却水将其冷至65℃，造成了极大的浪费。另外，由于只有一套热水系统，操作灵活性差，对异常情况并不能及时反应。通过上述分析我们可以清楚的看到，在该系统中，由于热阱用户热负荷不稳定，而且用热量偏小，导致回水温度偏高，所以在能量回收环节，回收率低，大部分热量被循环水带走；由于能量没有逐级取出，热水温度偏低，导致其利用受到限制，所以气分装置不得不用蒸汽弥补热水热量的不足，而热水带来的大量低品位热还需要被冷却水带走，以保证回水温度。所以，该系统不能正常运行的问题就是陷入了，低取热效率导致低热量品质，低热量品质产生低利用效率，而低利用效率又制约取热效率这样一个恶性循环，最终其实质是催化装置的低温热基本没有被利用，而是在不同环节被以不同的方式冷却掉了。3热水系统的改进通过上述分析，找到了原系统的瓶颈所在，所以，系统的改进主要从低温热的逐级取热和提高系统的稳定行两方面着手。通过对全厂热阱和热源的分析，决定将原有的两套孤立的热水系统进行优化整合，改造成两套互补的热水系统，即发生120℃高温热水的1＃站和发生90℃低温热水2＃站。而新的热水系统的工作重点主要放在以下两方面，一方面在能量回收环节，对每股工艺物流都尽量做到热匹配，提高其能量回收率；另一方面对热阱部分网络进行改造，对稳定热阱和不稳定热阱采取不同的处理方法，提高系统的稳定行。在催化系统中，顶循环油和塔顶油气是低温热的主要来源，其热量占到了催化系统低温热的70％左右，因此催化装置低温热利用的关键就是对塔顶油气和顶循环油的利用。为了使塔顶油气以较高压力进入富气压缩机，以减小压缩机负荷，这就决定塔顶油气的换热流程不能过长。而要实现一次换热就将油气的热量全部取出，这就要求同油气换热的物流温度越低越好。过去对顶循的利用相对简单，通常顶循进行一次换热后，直接进后冷返塔。但顶循仅经过一次换热存在两大问4题，要么取热效率低，冷却负荷大，如原流程利用效率仅有53％，冷却负荷高达700万大卡；要么传热温差大，换热用损大。而顶循80℃返塔，温度较高，为提高其取热效率提供了可能。如果进行两次换热，实现能量的梯级利用，不仅降低过程用损，而且其取热效率几乎可以达到100％。因此，在改进方案中，将用55℃回水同塔顶油气换热，而对顶循采用梯级利用。3.11＃站热水系统在系统中，稳定热阱主要是气分装置和原油加热这两部分，而其中气分装置则是低温热的最大用户之一，因此如果能够充分发掘气分装置的潜力，将使低温热的利用上升一个台阶。而气分装置利用低温热的关键是，低温热水温位是否合适，原系统发生的90℃热水温位偏低，因此，针对气分装置，首先建立一个相对温位较高的热水站1＃站，发生120℃热水，供给气分装置，力求在正常运转情况下气分装置不需补蒸汽。热水经过气分装置后，温度降至71℃，如果直接返回催化装置去热，温度偏高，因此，再将这部分热水分别送至，热电站加热除盐水以及油品车间加热原油，此时回水温度降至55℃，可以返回催化装置取热。受催化装置低温热数量限制，尤其是高温位低温热相对较少，因此，热水从55℃加热到120℃在一个催化装置中不能实现，为了保证发生500t/hr120℃热水，必须串联利用两套催化装置中较高温位的热。所以，首先将55℃热水在1＃催化取热，分别通过1＃催化的塔顶油气、顶循、柴油三股工艺物流加热至110℃，然后在送至2＃催化，先后经顶循、柴油、一中循环油加热至120℃送至气分等装置。1＃热水系统是一个稳定的热水系统，因为其热源部分的两套催化装置供热是稳定的，而其热阱部分的气分装置、原油加热和加热电站除盐水也是稳定的。通常情况下，1＃站热水系统只需用少量后冷及蒸汽补热作为辅助调节手段，便可保证其长期稳定运行。3.22＃站热水系统针对系统中的不稳定热阱，我们建立2＃热水站，发生90℃热水，以供应原油伴热、生活区用热等。2＃热水站发生1300t/hr热水，这1300t/hr热水有三路组成，分别为，1＃催化发生300t/hr，2＃催化发生750t/hr以及来自四联合的96℃热水250t/hr。1＃催化中，2＃热水设在1＃热水的下游，主要回收相对温位较低的热量，尽量降低催化的冷却负荷。65℃来水分两路并联同稳定汽油和轻柴油还热，达到76℃，然后在和顶循(II)换热，被加热至88℃。2＃催化同1套催化情况类似，先由1＃站热水取走高温位的热量，剩余的热量用来加热2＃热水。2＃站750t/hr65℃的热水分三路并联，第一路同塔顶油气换热，第二路同顶循(II)换热，第三路以此由轻柴油和稳定汽油加热，三路热水混合后温度达到90℃。由1＃催化、2＃催化以及四联合发生的热水，最终混合达到90℃，送至生活区、原油伴热以及其他地方。由于2＃站热水系统，热阱部分负荷随季节变化较大，冬季用热量较大，可能5某段时间2＃站热水热量不足，这时，可以用蒸汽补热；夏季用热量较小，为了避免回水温度偏高，以后冷为主要调节手段，控制回水温度不高于65℃。化水原油气分1#催化2＃催化四联合生活区伴热后冷1＃热水站2＃热水站55℃110℃120℃500t/hr300t/hr250t/hr750t/hr96℃89℃90℃90℃65℃图-2热水系统流程图3.3新热水系统的优点在该热水系统中，建立高低温两套热水站，有利于系统间的互补，操作弹性大。将1＃高温热水站，置于热水系统的上游，有利于取出高温位的热量，如果因为生产波动，使对应工艺物流温度降低10℃左右，或者某套催化装置停工，这并不会严重影响1＃热水系统的运行，因为，其处于换热网络的上游，热量首先被其取出，可能导致2＃热水系统热量不够，但1＃热水系统热量基本可以保证，这样就保证气分等生产装置的平稳运行。而2＃热水系统位于两套催化装置的末端，对催化装置起调节作用，充分利用两套催化的低温热，降低其冷却负荷。两套热水站分别位于催化装置热水网络的上游和下游，形成了能量的梯级利用，高温高用、低温低用，从而充分发掘了催化装置低温热的利用潜力。另外，两套热水系统在催化装置中起到了很大的控制作用。1＃高温热水站置于催化系统低温网络的上游和高温换热网络的末端，这样的优点是，通过低温网络保证热水的取热量，而热水又成为高温网络的调节手段，比如，2＃催化一中循环油的返塔温度就可以通过1＃热水系统得到很好的控制。而2＃热水系统置于低温网络的下游，同样，其可以控制低温区物流的出装置温度。因此，通过两个热水系统，装置的操作弹性得到了大大的提高。6500t/h55℃300t/h65℃65℃400t/h300t/h50t/h1#催塔顶油气1#催顶循1#催柴油2#催顶循2#催柴油2#催一中2#催塔顶油气2#催稳定汽油1#催稳定汽油92℃89℃90℃116t/h71℃76℃110℃76℃102℃84℃150℃435t/h147℃85t/h114℃152t/h79℃81℃107℃110℃117℃119℃124℃133℃484t/h120℃82℃145℃84t/h219℃138t/h181℃126℃95℃111℃125℃127t/h104℃172t/h86℃89℃108℃86℃97℃热水热水热水图-3热水系统取热网络图4效益分析1＃站500t/h（55℃－125℃），热量3423×104kcal/h，利用率100％。2＃站1300t/h，其中来自1＃催化300t/h