（化学工艺专业论文）泽普石化催化裂化装置节能优化分析研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专 业： 硕士生： 指导教师： 泽普石化催化裂化装置节能优化分析研究 化学工艺 黄勇( 签名) 黄风林( 签名) 摘要 社会、经济迅速发展引起轻质油需求日益增加与原油供应劣质化、重质化的矛盾促 进了重油轻质化工艺的快速发展。残炭低、金属含量低、沥青质少的重油特点决定我国 重油轻质化工艺主要以催化裂化工艺为主。随着催化裂化原料密度大、特性因数小等导 致原料裂化性差和回炼比、反应温度等操作条件苛刻度的提高造成装置能耗持续增加。 催化裂化装置的能耗占炼油厂总能耗的4 0 以上，降低催化能耗对于节能降耗、提高石 油资源利用率具有重要意义。 本课题通过对催化裂化反应再生系统进行标定分析，借助物料衡算、热量衡算、动 量衡算和能量平衡、火用平衡的三环节理论，计算、分析能耗高的主要原因，确定了能量 损失的部位，提出了切实可行的优化操作技术措施，工业运行平稳，达到了降低装置能 耗的目的。 工业实验表明：0 2 m t a 催化裂化在大回炼比( 0 5 4 ) 、小剂油比( 5 4 ) 等苛刻条件 下进行催化裂化反应，由于稠环芳烃的吸附，导致催化剂活性较低( 5 1 ) ，转化率降低， 选择性差，产品分布恶化，焦炭产率高达8 8 ，烧焦燃烧放热量大且能量回收利用率低 造成能耗偏高( 1 6 8 4 3 k g 标油t ) ，高于设计能耗( 9 2 0 9 8 k g 标油t ) 。 在小回炼比( 0 2 ) 、大剂油比( 6 ) 条件下进行工业试运行，结果表明：过量主风和 补燃瓦斯造成再生系统远离最优状态。再生剂线速高( 1 6 0 7 m s ) 、停留时间短( 2 0 3 m i n ) 、 系统内有效氧浓度低( 1 7 ) 、水蒸气分压大( 为正常主风水蒸气分压的3 倍以上) 等引 起催化剂热崩、再生效果不良，造成催化剂细粉增多、催化剂活性降低，烧焦可利用热 减少且余热锅炉回收利用率低导致了装置能耗增加。 采用三环节理论分析表明，转换和传输环节中，能量转化率和火用转化率分别为 8 8 7 6 、5 3 4 0 ；利用环节中，能量利用率和火用效率分别为9 9 4 8 、2 9 4 9 ；回收环 节中，能量回收率和火用回收率为6 6 7 0 和5 3 6 7 。通过降低主风( 2 3 0 0 0 n m 3 h ) 、停烧 瓦斯和减小回炼比( o 2 ) 、提高剂油比( 6 9 ) 等降低工艺总用能；改造余热锅炉结构等 改善换热环境，提高能量转化效率；优化冷、热物流间换热、降低传热过程火用损和加强 保温、减少散热排弃能等改善能量回收系统。 实施节能措施后，核算装置能耗为1 2 8 5 标油t 原料，降低2 3 7 1 ，节能效果明显。 关键词：催化裂化，反应再生，能耗，节能 论文类型：应用研究 u 英文摘要 s u b j e c t ：a n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o no ft h ee n e r g y s a v i n gf o rf c cu n i to fz i p u r e f i n e r y s p e c i a l i t y ：c h e m i c a lp r o c e s s n a m e ：h u a n g y o n g ( s i g n a t u r e ) i n s t r u c t o r ：h u a n g f e n g l i n ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h es o c i a la n de c o n o m i c ，t h ed e m a n df o rl i g h to i l sw e r e g r o w i n gq u i c k l y p o o rq u a l i t yo fr a wm a t e r i a lo i l sa n dc o n f l i c to fs u p p l ya n dd e m a n df o rl i g h t o i l sw e r ed e t e r m i n e dt h et e c h n o l o g yo fc o n v e n i n g h e a v yo i l st ol i g h to i l s t h ec h a r a c t e r i s t i c s o fl o ws o l i dr e s i d u ea n dm e t a lc o n t e n t ，l e s sa s p h a l t e n e sd e t e r m i n e dt h et e c h n o l o g vo f c o n v e n i n gh e a v yo i l st ol i g h to i l s w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fl e s sd e n s i t y , l o wc h a rf a c t o ro f f c cm a t e r i a l ，i n d u c e ds o m eh a r s ho p e r a t i o nc o n d i t i o n s ，l i k ep o o rc r a c k i n g ，h i g hg a s o l i n e r e c y c l er a t i oa n dr e a c t i o nt e m p e r a t u r e ，w h i c hc a u s e dt h eh i g he n e r g yc o n s u m p t i o n t h ee n e r g y c o n s u m p t i o no ff c ca c c o u n tf o rm o r et h a n4 0 o ft h ee n e r g yc o n s u m p t i o no fr e f i n e r y , i th a d as i g n i f i c a n tf o rs a v i n ge n e r g ya n di m p r o v i n gu t i l i z a t i o no fo i lr e s o u r c e sb yr e d u c i n ge n e r g y c o n s u m p t i o n i nt h i s i s s u e ，a c c o r d i n gt ot h ec a l i b r a t i o no ft h em a t e r i a lb a l a n c e ，t h eh e a tb a l a n c e ， m o m e n t u mb a l a n c e ，t h r e e - l i n ko fe n e r g yb a l a n c ea n de x e r g yb a l a n c eo fr e a c t i o n r e g e n e r a t i o n s y s t e m ，t h em a i nr e a s o n sf o rh i g he n e r g yc o n s u m p t i o nw e r ec a l c u l a t e da n da n a l y z e d ，t h e p o s i t i o no ft h ee n e r g yl o s sw e r ec o n f i r m e d ，t h ep r a c t i c a la n df e a s i b l em e a s u r e sf o ro p t i m i z i n g o p e r a t i o nw e r ep r o p o s e ds oa st oo p t i m i z ee n e r g ya n dr e d u c ed e v i c ec o n s u m p t i o n i n d u s t r yr e s u l t ss h o w e dt h a t ：w i t ht h eh a r s hc o n d i t i o no fh i g hg a s o l i n er e c y c l er a t i o ( o 5 4 ) ， l o wc a t a l y s tc i r c u l a t i o nr a t e ( 1 3 5 r 3 t 咖a n dl o wc a t a l y s tt oo i l r a t i o ( 5 4 ) ，c a t a l y t i cc r a c k i n g r e a c t i o no f0 2 m t af c cl e a d i n gt ol o wc a t a l y t i ca c t i v i t y ( 51 ) ，l o wc o n v e r s i o nr a t e ，p o o r s e l e c t i v i t ya n dp r o d u c td i s t r i b u t i o n , c o k ey i e l da sh i 曲a s8 8 ，w h i c hc a u s e dt h eh i g he n e r g y c o n s u m p t i o n ( 16 8 4 3 k gs t a n d a r do i lp e rt o no ff e e d ) b yl a r g eh e a tr e l e a s ea n dl o wr e u t i l i z a t i o n ， h i g h e rt h a nt h ed e s i g ne n e r g yc o n s u m p t i o n ( 9 2 0 9 8k gs t a n d a r do i lp e rt o no ff e e d ) a c c o r d i n gt ot h ec o n d i t i o no fi n d u s t r i a lt e s to fl o wg a s o l i n er e c y c l er a t i oo f0 2a n dh i g h c a t a l y s tt oo i lr a t i oo f6 ，r e s u l t ss h o w e dt h a t ：b u r n i n gt h ee x c e s sf l u i d i z a t i o na i ra n dd r yg a s w e r er e s u l t e df r o mo p t i m a ls t a t eo fr e g e n e r a t i o ns y s t e m h i g hw i r es p e e d ( 1 6 0 7 ) ，s h o r ts t a y t i m e ( 2 0 3 r a i n ) ，l o wo x y g e nc o n c e n t r a t i o n ( 17 ) ，l a r g es t e a mp r e s s u r e ( 1 a r g e rt h a n3t i m e so f t h en o r m a lm a i ns t e a mp r e s s u r e ) a n dp o o rc a t a l y s ta c t i v i t yc a u s e db yc a t a l y s th e a tc o l l a p s e d a n dp o o rr e g e n e r a t i o n , t h eb u r n i n gh e a ta n dr e u t i l i z a t i o no fe x h a u s t h e a tb o i l e rw e r er e d u c e d ， i i i w h i c hc a u s e dt h e e n e r g yc o n s u m p t i o ni n c r e a s e d b yc h o o s i n gt h et h r e e l i n km o d e lo fe n e r g yb a l a n c ea n de x e r g yb a l a n c ea b o u tf c c t h e e x h a u s tg a se n e r g yl o s sa n de x e r g y l o s sw e r ea c c o u n tf o r8 8 7 6 a n d5 3 4 0 i nt h e c o n v e r s l o na n dt r a n s p o r tl i n k ，r e c y c l e de n e r g ya n d r e c y c l e de x e r g yw e r ea c c o u l l tf o r9 9 4 8 a n d2 9 4 9 r e s p e c t i v e l yi nt h eu s eo fs e s s i o n ，t h ee n e r g yr e c o v e r yr a t ew a s6 6 7 0 a n d e x e r g yr e c o v e r yw a s5 3 6 7 i nt h er e c o v e r ys e s s i o n b yt r a n s f o r m i n g t h es t m c t u r eo f e x n a u s t 。h e a tb o i l e rt o i m p r o v et h eh e a tt r a n s f e re n v i r o n m e n ta n de f f i c i e n c yo fe n e r g v c o n v e r s l o n ；b yd e c r e a s i n gt h ea i r ( 2 3 0 0 0 n m 3 h ) ，s t o pb u r n i n gt h ed r yg a sa 1 1 dr e d u c i n g g a s o l i n er e c y c l er a t i o ( 0 2 ) ，i n c r e a s i n gc a t a l y s tt oo i lr a t i o ( 6 9 ) s oa st or e d u c et h e e n e r g y c o n s 啪p t i o n ；b yo p t i m i z i n gt h ec o l d h e a te x c h a n g e r ，r e d u c i n gt h eh e a tt r a n s f e re x e r g v1 0 s s a n ds oo n , w h i c hc a n i m p r o v et h ee n e r g yr e u t i l i z a t i o no fe x h a u s t h e a tb o i l e r a 始c o n d u c t i n ge n e r g y 。s a v i n gm e a s u r e s ，t h et o t a le n e r g yc o n s u m p t i o no fd e v i c e sw a s 1 6 8 4 3k gs t a n d a r do i lp e rt o no f f e e d ，r e d u c e da b o u t2 3 7 i k e y w 。r d s ：f i u i dc a t a l y t i c c r a c k i n g ，r e a c t i o n r e g e n e r a t i 。n ，e n e r g y s a v i n g ，e n e r 野 c o n s u m p t i o n p a p e rt y p e ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 1 v 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：童勇日期： 弘吃占，) 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名：_ 夤勇一 日期：3 生乡：1 3 导师躲缸丑 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 随着经济的快速发展，能源消耗持续增长，环境污染加重，经济发展与资源环境的 矛盾日益尖锐。为降低消耗和减少污染物排放，有效、合理地利用能源。在十一五 期间，国家发改委提出了节能降耗的目标：到2 0 1 0 年，国内生产总值能耗由2 0 0 5 年的 1 2 2 吨标准煤下降到1 吨标准煤以下，降低2 0 左右。 石油和化工行业作为国民经济的支柱产业，属于高能耗行业。2 0 0 8 年石油和 化学工业消费能源约3 7 3 9 7 万吨标准煤，占全国耗能总量的1 5 。其中，油气开采 业、石油加工和化学工业分别消费3 8 2 4 万吨、8 8 4 5 万吨和2 4 7 2 8 万吨。石油化工 行业面临着巨大节能降耗的压力1 1 , 2 。 社会、经济的迅速发展引起轻质油品的需求量日益增加，质量要求也逐渐提高。原 油经蒸馏所得到的汽油、煤油、柴油等轻质油品馏分不大于5 0 ，难以满足社会、经济 发展的需求。原油经简单加工所提供的轻质油品的数量和质量同生产发展所需要的轻质 油品的数量和质量之间的矛盾促使重质原料轻质化加工工艺的快速发展 3 1 。通过催化裂 化、热裂化、焦化等脱碳工艺和加氢精制、加氢裂化等加氢工艺，对直馏和重质馏分进 行化学改性，生成优质的液化气、汽油、柴油等产品，是重质原料轻质化的重要手段， 可以有效缓解轻质油品的供求矛盾。 催化裂化是我国原油加工的核心工艺装置，与热裂化、焦化工艺相比，具有对原料 要求低、产品分布好、投资少等特点，可以提高原油加工深度，生产液化气、高辛烷值 汽油、柴油等产品。在我国成品燃料组分中，催化裂化汽油约占7 0 ，催化裂化柴油约 占2 0 2 5 。针对我国原油中 3 5 0 馏分含量少，常减压渣油中金属含量低，沥青质 含量少、富含胶质、原料易裂化等特点，催化裂化已成为重要二次加工手段。 我国催化裂化装置共有1 5 0 余套，总加工能力达到1 5 亿吨年，占原油加工总量的 5 0 以上。馏分油、重油催化裂化装置的能耗分别约为2 8 0 0 m j t 和3 0 0 0 m j t ，催化裂化 装置的能耗占炼油厂总能耗的4 0 以上，详见表1 1 。 表1 - 1 某炼油厂各装置的能耗数据【4 1 原料油的变重，使催化裂化原料的裂化性变差，需要在高温、大剂油比和大量蒸汽 西安石油大学硕士学位论文 等苛刻的操作条件下进行裂化反应，造成催化裂化装置能耗增加。通过提高反应深度以 生产更多的液化气、汽油和柴油等轻质产品，缓解轻质油品的供求矛盾，而加大反应深 度使催化剂的选择性变差，产品分布变差，焦炭产率增加，焦炭烧焦放热量增加，能耗 相应增大。 反应再生部分是催化裂化系统的核心，原料油的裂化和催化剂的再生均在此部分完 成，产品分布、产品质量由反应再生部分的操作条件决定。焦炭的产率和催化剂的再生 效果直接影响再生催化剂的含炭量和催化剂的损耗，进一步影响焦炭产率和装置能耗。 因此，在发展催化裂化工艺的同时，对反应再生系统进行节能优化，对降低催化裂化装 置能耗，提高用能水平和企业的经济效益具有重要意义。 1 2 催化裂化能耗现状 美国6 0 年代催化裂化装置平均能耗为4 2 0 0 5 3 0 0 m j t ，7 0 年代初由于能源危机的 冲击，能源价格暴涨，促使节能技术不断进步。c o 助燃剂、c o 锅炉、余热锅炉、烟气 轮机、沸石催化剂、低温热利用以及能量优化匹配等技术和工艺的发展，促使催化裂化 装置的平均能耗由1 9 7 4 年的3 6 0 0 4 1 0 0 m j t 下降到1 9 8 2 年的31 0 0 m j t 。8 0 年代初期， 美国新建成的催化裂化装置最低能耗约为2 1 0 0 m j t 。有烟气轮机的装置能耗一般为 2 5 0 0 - 一2 7 0 0 m j t ，无烟气轮机为2 9 5 0 3 3 5 0 m j t 。重油催化裂化装置能耗比馏分油催化 裂化高出4 0 0 - 6 0 0 m j a t 5 1 。 我国1 9 6 5 年投产的第一套催化裂化装置能耗高达6 2 8 0 m j t 。此后由于节能技术的 进步，新设计装置的能耗大幅度下降。催化裂化装置的平均能耗由1 9 7 8 年的4 6 2 1 m j r 下降到1 9 8 7 年的2 9 9 9 m j t 。由于掺渣量的增加和重油催化裂化装置的投产，9 0 年代全 国平均能耗为3 2 0 0 m j t 左右，比8 0 年代提高了8 。1 9 9 4 年，由于新投产的重油催化 裂化装置逐步运行正常化和烟气轮机运行水平的提高，全国平均能耗降到3 0 0 0 m j r 左 右。1 9 9 4 年馏分油催化裂化装置的最高和最低能耗分别为3 4 2 0 m j t 和2 3 2 9 m j r ，掺渣 油催化裂化的最高和最低能耗分别为4 1 9 0 m j a 和2 6 0 3 m j t 。2 0 0 0 年两类装置最低能耗 降低到2 0 0 0 m j t 和2 4 4 0 m j r t 6 1 。我国催化裂化装置自1 9 8 0 年以来的平均能耗列于表1 2 。 表1 21 9 8 0 年以来国内催化裂化装置平均能耗 在中石油、中石化两大公司统计的8 9 套装置中，有3 4 套能耗在2 5 0 0 m j r 以下，其 中大连石化分公司3 5 0 m t a 重油催化裂化、镇海炼化3 0 0 m t a 重油催化裂化、金陵石化 1 2 0 m t a 重油催化裂化能耗均低于2 0 0 0 m j t 。与国外比较先进的美国空气产品公司重油 2 第一章绪论 催化裂化装置能耗( 2 2 2 4 m j t ) 基本相当，表明我国部分先进装置的能耗指标已基本达 到国际先进水平。但仍有多数催化裂化装置能耗仍然较高，具有较大节能潜力。 表1 3 催化裂化装置部分技术经济指标 从经济、能源、环境协调发展出发，优化产业结构，提高能源利用率和加强保护环 境，进一步确定能耗目标，即：复杂型炼油厂 吣3 1 4 0 1 m j t ，简单炼油厂r 2 1 7 7 1 m j t 。 每吨原油现金操作成本1 2 0 r m b y ，包括折旧和财务费用的完全成本每吨原油不大于 1 7 0 r m b y 。按照我国原油加工能耗平均比国外先进水平高6 2 8 0m j t ，以3 5 0 m t a 加工 量计算，其节能潜力折合标准油为5 2 5 m t a ，经济效益至少为( 7 0 - - 一9 0 ) x 1 0 8 r m b ￥a t 5 1 。 1 3 催化裂化系统介绍 催化裂化系统主要由反应再生、分馏、吸收稳定和能量回收系统组成。 反应再生系统包括提升管反应器、沉降器、再生器和外取热器、催化剂罐等设备。 反应部分中，高温再生剂在预提升段经过热蒸汽的预提升作用下形成平推流，在原料油 喷嘴处与经雾化蒸汽作用的大分子原料油接触，大分子原料油吸收再生剂带来的大量热 量汽化，吸附在催化剂活性的中心发生裂化反应。反应油气、催化剂粉末在旋风分离器 作用下分离，过热的反应油气进入大油气管线、分馏塔；催化剂在汽提段内经过热水蒸 气的作用，使吸附的油气解吸，脱吸的催化剂即待生剂经滑阀进入再生器。再生部分中， 从辅助燃烧室中通入大量主风，在烧焦罐内燃烧除去待生催化剂上的积炭以恢复其活性， 生成的再生催化剂经滑阀进入反应器。燃烧产物经过密相段、稀相段后，在旋风分离器 的作用下，催化剂粉末分离出来，烟气离开再生器后进入余热锅炉回收热量。 反应再生部分是催化裂化系统的核心，原料油的裂化和催化剂的再生均在此部分完 成，产品分布、产品质量均由反应再生部分决定。焦炭的产率和催化剂的再生效果直接 影响再生催化剂的含炭量和催化剂的损耗，进一步影响焦炭产率和装置能耗r 刀。 分馏系统由分馏塔、汽提塔和油气分离器等组成。分馏系统的任务是将反应器中产 生的反应油气经分馏塔分馏，按沸点的范围分割成富气、粗汽油、轻柴油、重柴油和回 炼油、油浆等馏分。富气经压缩后和粗汽油一起送入吸收稳定部分，再分离为干气、液 化气和稳定汽油；轻柴油和重柴油经精制、换热、冷却后送出装置；回炼油和油浆根据 循环裂化或单程裂化等操作方案和反应条件不同，可选择作为进入反应再生系统的反应 进料或作为产品送出装置。 西安石油大学硕士学位论文 吸收稳定系统主要由吸收塔、解吸塔、再吸收塔和稳定塔组成。吸收稳定系统的任 务是加工来自分馏塔顶的富气和粗汽油，分离出干气( 雯2 ) 、液化气( c 3 、c 4 ) 和稳定 汽油。 能量回收系统由烟气轮机、c o 锅炉、余热锅炉等组成，通过利用、回收烟气能量 带动主风机转动、发电和发生蒸汽，使烟气温度从7 0 0 * ( 2 降至2 0 0 c 左右，排入大气【蜘。 1 4 物料平衡 借助装置的物料平衡来计算产品分布、转化率及不同产品的选择性可以衡量装置运 行水平的好坏。在相同的原料和操作条件下，产品分布和产品质量越好，表明装置运行 水平越高。催化裂化一般衡量液化气收率、汽油收率和柴油收率或轻质油收率。 产品分布与原料性质、反应条件和催化剂性能有密切关系。在工业条件下，干气收 率约o 8 ，主要是c 1 、c 2 ；液化气产率约1 0 2 0 ，主要是c 3 、c 4 ，烯烃含量达5 0 左右；汽油产率约3 0 - 6 0 ，研究法辛烷值8 0 - - 9 0 ，安定性较好；柴油收率约0 4 0 ， 含有较多的芳烃，十六烷值较低，安定性较差；焦炭产率约5 - - - 7 ，原油中掺入渣油时 产率较高，达8 1 0 。 催化裂化的物料平衡是催化裂化装置众多平衡中最重要的。可靠的物料平衡是进行 热量平衡、动量平衡和元素平衡等计算的基础条件。通过对催化裂化装置物料平衡的标 定计算，表明产品分布和产品质量，判断装置运行的好坏，为进一步分析能耗大小提 供依据。 1 5 能量平衡 催化裂化反应是平行顺序反应，反应深度对产品产率的分布有重要影响。液化气( c 3 、 c 4 ) 、汽油和柴油是目的产品，干气( c l 、c 2 、h 2 、h 2 s 等) 和焦炭是副产物。在原料油 和催化剂确定的条件下，通过优化反应、再生条件，借助能量平衡计算得出反应温度、 再生温度、剂油比和进料预热温度之间的优化匹配，改变操作参数来调整运行状态，改 善产品分布，提高产品收率和质量，有效减少输入能和提高能量回收利用率，降低装置 能耗。 反应再生系统中，催化剂烧焦再生释放出大量高温位热量用以满足较低温位的裂化 反应过程的需要。催化剂是传递热量的热载体，不断从再生器中获取热量并提供给反应 器。反应器中经汽提后温度为4 9 0 5 6 0 、含炭为0 6 , - - , 1 5 的待生催化剂在再生器中 通过空气烧去吸附在催化剂上的焦炭以恢复活性，得到温度为6 8 0 - 7 6 0 、含炭为 0 0 5 的再生催化剂，焦炭燃烧放出的热量传递给反应系统，用以原料油的裂化。 4 第一章绪论 1 6 娴平衡 能量平衡只能反映出用能各环节中能量在数量上的守恒关系，未反映出能量的质量 在转移、传递及利用过程中的“降质”变化，无法揭示能量消耗的合理性。 火用平衡反映了不同能级能量的质量，即在本质上反映了用能过程的效率。火用平衡分 析是在能量平衡分析基础上，通过计算、分析火用流图而实现。火用平衡分析可以准确给出 整个用能过程和各个环节的火用耗，确定火用耗分布的装置、环节、设备和实际过程的火用效 率，为节能降耗提供依据。 按照用能过程的变化规律，分为转换、利用、回收三个环节来归纳和剖析各单元过 程和设备的火用平衡，计算过程火用损和设备火用损，进一步分析、改进过程用能。 1 7 标定内容 通过数据标定和能量平衡、火用平衡分析，反映工艺过程的用能状况和各设备的运行 情况及耗能工作，如产品质量、设备效益、操作弹性、能耗损失及分布等。 具体包括六方面工作： ( 1 ) 主要工艺设备的标定和工艺方面核算，以及原料、产品的能量核查，产品质量 分布。 ( 2 ) 加热炉、锅炉等设备的能量平衡标定。 ( 3 ) 各类泵、压缩机、风机等设备的效率核算。 ( 4 ) 各类冷换设备的标定核算。 ( 5 ) 水、电、汽、风、燃料等公用物料的供、产、用、出的统计平衡。 ( 6 ) 设备及管线表面散热的测定和核算，排弃物流的能量核查。 1 8 本文研究内容 本课题通过物料平衡、热量平衡、动量平衡和三环节理论等对催化裂化装置反应再 生系统进行能量平衡、火用平衡的计算和分析，从装置内部能量利用方面进行研究，分析 了能量消耗偏大的部位、原因，通过优化操作参数有效减少装置的输入能、提高装置的 能量回收利用率，达到降低装置能耗，提高企业经济效益的目的。 基于此，本文研究的主要内容为： ( 1 ) 对催化裂化装置的提升管、辅助燃烧室、烧焦罐、旋风分离器、余热锅炉和 换热器、机泵等设备和反应再生系统进行标定计算，根据物料平衡和热量平衡得到能 量消耗指标，分析能耗分布和能耗偏高的设备、环节。 ( 2 ) 以物料平衡、热量平衡和动量平衡为手段对提升管、辅助燃烧室、烧焦罐、余 热锅炉等设备、环节的工艺操作参数进行了计算、分析，确定装置能耗高的原因。 5 西安石油大学硕士学位论文 ( 3 ) 采用三环节理论对催化裂化装置进行能量平衡和火用平衡分析，反映能量在转移、 传递及利用过程中的变化，揭示火用损位置及其合理性，为降低过程用能损失和火用损，优 化能量提供了依据。 ( 4 ) 结合装置实际运行情况，在保证重油转化深度和产品分布、产品质量的 基础上，提出优化节能措施，并进行工业运行试验，考核节能降耗措施的作用。 6 第二章催化裂化能耗分析 第二章催化裂化能耗分析 通过采用三环节理论对催化裂化装置进行能量平衡和火用平衡分析，既对过程用能进 行总体评价，又可联系每个设备、每个用能进行剖析，详细指出能耗的大小、部位及原 因，为用能改进指明潜力和方向。 2 1 能量平衡分析 在石油化工生产过程中，仅对工艺过程和单元设备进行分析，计算热效率、火用损的 意义较小。通过对大量工艺过程研究，不同过程的物料、加工任务、工艺条件及流程尽 管不同，但过程中能量演化的规律却是相同的，是由能量在过程中的推动力作用以及能 源供应特点的共性所决定。为了揭示、概括能量变化规律以指导工艺过程的节能改进， 结合石油化工过程的特点，将催化裂化过程用能分为能量的转换和传输、能量的工艺利 用和能量回收三个环节【7 j ，详见图2 1 。 2 1 1 能量平衡模型 直接损失e w 其他动力能e u d 热力学能耗e t 设备散热e v d 排弃能e j 供入能e p 函磊一兰兰竺竺望 传输环节l 能量工艺l 利用环节i 待回收能e 0l 回收循环能e r 能量回收 利用环节 回收输出能e e 图2 1 工艺过程用能模型 7 西安石油大学硕士学位论文 ( 1 ) 能量的转换和传输环节 总供入能e p 包括燃料化学能和电能。总供入能e p 通过再生器、余热锅炉和外取热 器、机泵等设备转换，一部分为供给工艺过程所需要的能量e u ，另一部分为输出能量 e b 和损失能量e w 。 ( 2 ) 能量的工艺利用环节 用能过程的核心。工艺利用指进入该环节的能量在反应器、再生器和分馏塔等设备 中反应，完成利用能量的过程。进入此环节的能量包括有效能e u 、回收循环能e r 和热 力学能e t ( 原料的物理、化学能) ；输出能量包括待回收能e o 和设备散热e u d 。 ( 3 ) 能量的回收环节 由大量传热过程构成，由换热器、外取热器和余热锅炉等设备组成。该环节能量分 为二部分：一部分是用于体系内部的回收循环能e r ，；另一部分是用于体系外或转换环 节的回收输出能e e 。未回收的能量均以散热、冷却、物流排弃等方式排入环境，即e j 。 2 1 2 能量平衡参数及关系 体系能量平衡关系式： e p = ( e w + e e u d + e j 卜( e e + e b ) 其中，式中第一项为体系在三个环节过程中以四种形式进入产品或损失于环境中的 能量；第二项为体系供出能量。 ( 1 ) 转换和传输环节 能量平衡关系式： e p = e u + e b + e w 总供入能e p 指催化烧焦能e p c 、供入热能e p h 和供入蒸汽能e m s 等工艺用能和输送、 压缩介质的动力用能e p e 。 有效能e u 指再生器、机泵等传输的能量。 输出能e b 指外取热器、余热锅炉发生蒸汽的能量等。 损失能e w 指再生器排烟、余热锅炉汽包排污等物流排弃能e w x 、再生器、循环管 和取热器等设备散热损失e w d 和机泵、压缩机等无效动力能e w p 。 ( 2 ) 利用环节 能量平衡关系式：e u + e r - e 丁十e o 回收循环能e r 指物流经冷换设备换热回收后，进入产品中的能量。 热力学能e t 指工艺过程中消耗转化到产品中的能量，等于产品( 干气、液化气、汽 油和柴油等) 带出与原料( 原料油、回炼油和油浆等) 带入能量( 物理能e t t 、反应热 e r r ) 之差。 待回收能e o 指工艺总用能中除了热力学能e t 和利用环节的设备散热e u d 外，进入 回收环节的能量。 8 第二章催化裂化能耗分析 ( 3 ) 回收环节 能量平衡关系式：e o + e u d _ e r + e e + e j 工艺总用能e n 指进入、参与完成主要工艺过程的能量的总和，e n = e u + e r + e r e 。对 于吸热反应时，反应热来源于外界供入能和循环回收能，e r e = 0 ；对于放热反应，反应热 大多来源于原料的化学能，不属于外界供入能和循环回收能，其化学能不计入能量平衡 体系。故在放热反应中，反应热为总工艺用能的一部分。 回收输出能e e 指被回收并用于除工艺利用环节外其它地方的能量，包括液化气、汽 油、柴油和余热锅炉蒸汽等物流换热输出能。 排弃能e j 指散热设备、管线表面的散热排弃能e j o 、水、空气等冷却排弃能e m 和 蒸汽发生器的排污、蒸汽排出等物流的排弃能e j m 。 2 2 火用平衡分析 能量平衡反映出不同环节中能量在数量上的守恒，但未反映出能量在转换、传递和 利用过程中的质量变化，未具体指出能量消耗的部位、原因、方式、大小，无法进一步 揭示能量消耗的合理性。通过对火用平衡的计算可以反映出不同能级能量的质量变化，确 定总火用耗所分布的装置、环节、设备和实际过程的火用效率，对能量的消耗作出合理性判 断，利于对装置能耗的分析1 9 。 2 2 1 烟平衡 回收输出火用e x e 图2 2 工艺过程火用平衡模型 9 环火甩e x r 西安石油大学硕士学位论文 火用平衡考虑能量的质量变化因素，在各环节中增加环节内部过程火甩损，其余同能量 平衡中参数。 ( 1 ) 转换环节过程火用损d k u d x u 指转换设备的不可逆损失，指设备的不可逆燃烧和传热火用损。 ( 2 ) 能量使用环节过程火用损d r , a , d l ( p 指能量工艺使用过程中由反应、再生和分馏等设备在操作过程中的不可逆产生 的火用损。 ( 3 ) 回收利用环节的过程火用损d k r d k r 指回收环节中换热器、外取热器和余热锅炉等设备的不可逆火用损。 2 2 2 火用平衡参数及关系 体系火用平衡关系：e x p = d 以e x e + e x b ) + ( d m + d j ：p + d n 0 + ( d k d k p + d k r ) 其中，式中第一项为热力学火用损；第二项为输出和供出体系的火用损；第三项为三个 环节中排弃损失于环境中的火甩损；第四项为三个环节的过程不可逆性引起的过程火用损。 ( 1 ) 转换和传输环节 火用平衡关系式：e 黼x b + e x u + e x u o + d 盯巾k u ( 2 ) 利用环节 火用平衡关系式：e x i e x r + e x r e = d j p + e x 兀+ e x 时e x o + d k p 工艺总用火用：e x n 气x 一e x r + e x r e 其中，e x r e 为反应热= j ( 用，e x r r 为原料的物理热火用。 ( 3 ) 回收环节 火用平衡关系式：e x 0 + e x u o = e x z + d j r + e x r + d r m 能量平衡仅反映出用能各环节中能量在数量上的守恒关系，未反映出能量的质量在 转移、传递及利用过程中的“降质 变化，难以反映由于过程推动力而产生火用损的位置 和火用损的合理性，难以深刻阐明、指示节能降耗的潜力和方向。 火用反映了不同能级能量的质量，即在本质上反映了用能过程的效率。通过火用平衡分 析可以准确给出整个用能过程和各个环节的各项火用耗，确定火用耗分布的装置、环节、设 备和实际过程的火用效率，提供指导节能的具体线索。 2 3 催化裂化能耗分析 2 3 1 能耗特点 在催化裂化的用能过程中，焦炭再生燃烧放出大量热量供给原料裂化，一部分以反 应热的形式进入产品，大部分的用能转化为低温位热能，回收利用率较低而被排入环境。 1 0 第二章催化裂化能耗分析 以上能量的转变决定催化裂化用能有以下特点： ( 1 ) 总输入能多 催化裂化反应为放热反应，原料在高温、气相条件下进行裂化反应，需要吸收大量 的高温热。反应生成的焦炭在再生器中燃烧放出大量高温热，占总输入能的9 0 以上。 主风机、烟气轮机和机泵需要输入大量的能量来输送空气、烟气等介质。因此，整个催 化裂化过程的总输入能大，可达4 0 0 0 m j t f l l 】。 ( 2 ) 能量自给率高 催化裂化反应过程中，焦炭再生放热量和烧焦产生的烟气能量都可作为自用能量供 给，自给率达8 0 左右。再生器中焦炭燃烧放出大量高温热，作为反应器中原料裂化所 需的热量。烟气通过余热锅炉发生的蒸汽可作为原料的雾化蒸汽和汽提蒸汽等。 对重油催化裂化装置，由于原料中胶质、沥青质和金属等含量的增多，导致焦炭产 率、燃烧放热量增加，大于裂化反应所需的热量，能量自给率达1 0 0 以上【1 2 】。 ( 3 ) 蒸汽用量大 催化裂化装置的蒸汽主要有预提升蒸汽、进料雾化蒸汽、汽提蒸汽和防焦蒸汽等。 多数的蒸汽热能在反应过程中几乎没有被利用，而被排入大气或被冷凝。雾化蒸汽对馏 分油催化裂化为0 5 - - 1 ( 原料) ，对重油催化裂化为5 - - 1 0 ( 原料) 【1 3 1 ，详见表2 1 。 表2 - 1 催化裂化装置蒸汽能耗 ( 4 ) 低温余热多 焦炭燃烧产生热量进入装置后，通过裂化反应和换热回收其中的热能后，产生大量 s 1 2 0 的热量，称为低温余热。低温余热的能量是燃料热能的转化形式，约占装置能耗 2 0 ，是构成能耗的主要原因之一。 2 3 2 能耗构成 由于催化裂化中输入能多、能量自给率高、蒸汽量大和低温余热多等特点，结合能 量平衡和用能三环节理论，对催化裂化用能进行计算分析，得出在不同环节中影响装置 能耗水平的主要因素： ( 1 ) 能量转化和传输环节 a 胄邑量转换 在能量转换过程中，机泵、烟气轮机等设备的能量转换效率过低，如低压凝汽式汽 轮机、烟气轮机和机泵的效率分别为1 4 、8 0 和5 0 - 6 5 ，能量转换效率较低造成能 量的损失。由于各装置所采用的动力驱动方式不同，导致能耗大小不同，如采用低压蒸 西安石油人学硕十学位论文 汽轮机能耗为3 8 3 m j t ，采用中压蒸汽轮机能耗为8 3 7 v l _ j t 1 4 , 1 5 】。 b 散热损失 催化裂化装置的散热损失在装置能耗中占较大比例，主要受设备表面积、隔热层厚 度、导热系数、介质和环境温度等影响。馏分油、重油催化裂化装置中散热损失约占1 1 、 1 2 。其中，反应再生系统散热能耗为1 6 0 - 2 5 0 m j r ，其余部分约为2 0 0 m j t 1 6 1 。 ( 2 ) 能量利用环节 a 焦炭产率 焦炭的再生热是影响装置能耗的主要因素，约占催化裂化装置能耗7 0 。反应再生 系统的能耗决定于焦炭的能量利用率，焦炭能量利用率越高，能耗越低【1 4 】。 b 蒸汽用量 催化裂化装置的蒸汽主要用于两器、烟气轮机和分馏塔，包括预提升蒸汽、进料雾 化蒸汽、汽提蒸汽、防焦蒸汽和柴油汽提蒸汽等。除反应和分馏系统中少量蒸汽的热量 被利用外，大部分蒸汽热量均未被利用，被冷却排入