（化学工程专业论文）延迟焦化与加氢精制热集成联合装置优化研究.pdf

摘要 摘要 作为最大的发展中国家，中国是一个能源生产和消费大国，生产量位居世界 第三，消费量居世界第二，其中石化、冶金、建筑等高耗能过程工业的能耗站了 一半以上。随着中国社会经济的持续、快速发展，中国能源面临着日益严峻形势 和挑战。炼油企业承担着不可推卸的节能责任。使用过程系统工程的方法，挖掘 炼油企业的节能潜力，提高炼油企业的能量利用效率，对我国石化工业的健康、 可持续发展有着重要的意义。 本文从系统工程的角度出发，用过程能量综合的思路和方法研究了炼油厂油 品加工装置间热联合的能量优化问题，以延迟焦化和其下游的加氢精制为例，分 析了各个装置的用能特点，找出各装置用能潜力，然后综合三个装置总体用能， 提出了三个装置之间热联合的方案，并对原有方案和提出的方案进行模拟分析， 并在工程条件、经济条件等的限制下对优化方案进行调整，给出涉及装置的设备 变动，再通过经济性评价评价方案，对方案改进后由于原有流程的变动而带来的 工程问题进行了讨论，并给出了建议的解决方案。 本文提出了一般装置之间热联合全过程的基本步骤，并对整个装置之间热联 合所涉及的各个方面的问题进行了讨论，提出了解决方案。本文的创新点，不在 于早已提出的热联合思想和方法，而在于完整和系统地解决了一个装置之间热联 合的实例，将它调整到最优状态。并以此实例为基础，推出一般性的装置之问热 联合的适用条件，以及工程经济问题的考虑。 关键词：热集成联合装置延迟焦化加氢精制 华南理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h eb i g g e s td e v e l o p i n gc o u n t r yo ft h ew o r l d ，c h i n ai sac o u n t r yw h oh a sh u g e e n e r g yp r o d u c t i o na n dc o n s u m p t i o n i ti s r a n k e d3 “i np r o d u c t i o na n d2 “oi n c o n s u m p t i o n m o r et h a nh a l fe n e r g yw a sc o n s u m e db yt h ep r o c e s si n d u s t r y , i n c l u d i n g r e f i n e r y ，c h e m i c a lp l a n t s a n dm e t a l l u r g yp l a n t s w i t ht h ec o n t i n u i n ga n dr a p i d d e v e l o p m e n to fc h i n ae c o n o m y ，c h i n af a c e da na u s t e r es i t u a t i o na n dh u g ec h a l l e n g eo f e n e r g y a n dr e f i n e r yi n d u s t r y h a si r r e f r a g a b l e r e s p o n s i b i l i t y d i g t h e e n e r g y c o n s e r v a t i o np o t e n t i a lo fr e f i n e r y ，i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fe n e r g yu s eo fr e f i n e r y ， h a sb r i l l i a n ts i g n i f i c a n c et ot h ec o n t i n u i n ga n dh e a l t hd e v e l o po fo u r r e f i n e r yi n d u s t r y t h ed i s s e r t a t i o nh a s s t u d i e dt h ee n e r g yu s eo p t i m i z a t i o no ft h e r m a lc o u p l i n g b e t w e e nr e f i n e r yu n i t sb yt h em e t h o do fp r o c e s ss y s t e me n g i n e e r i n g g i v e nai n s t a n c e o fd e l a y e dc o o k i n gu n i ta n dh y d r ot r e a t i n gu n i t ，a n a l y s i st h ec h a r a c t e r so fe n e r g yu s e o ft h e s eu n i t ，f i n dt h ee n e r g yu s ep o t e n t i a lo ft h e s eu n i t s ，t h e mi n t e g r a t et h ee n e r g y u s ec o n d i t i o no ft h e s eu n i t s ，p r o p o s e dt h et h e r m a lc o u p l i n gs o l u t i o n a f t e rs i m u l a t i o n o fo l da n dn e ws o l u t i o n ，a c c o r d i n gt ot h ec o n s t r a i n to fe n g i n e e r i n ga n de c o n o m y c o n d i t i o n ，a d j u s tt h es o l u t i o n ，a n dg i v et h ee q u i p m e n tc h a n g e a tl a s t ，t h r o u g ht h e e c o n o m ye v a l u a t e ，s t u d i e dt h ee n g i n e e r i n gp r o b l e mw h i c hb r o u g h tb yt h ep r o c e s s c h a n g e ，a n dp r o p o s e dt h es o l u t i o n t h ed i s s e r t a t i o np r o p o s e dam e t h o do fg e n e r a lr e f i n e r yu n i tt h e r m a lc o u p l i n g p r o c e s s ，a n ds t u d i e dt h es e v e r a li n v o l v e da s p e c t so fu n i tt h e r m a lc o u p l i n g ，g i v e a s o l u t i o no fi t t h ei n n o v a t i o no ft h ed i s s e r t a t i o ni sn o tp r o p o s e dt h e r m a lc o u p l i n g m e t h o db u tg i v eas o l u t i o no fai n s t a n c eo fu n i tt h e r m a lc o u p l i n gs y s t e m i c a l l ya n d i n t e g r a l l y ，a n da d j u s ti tt ot h em o s to p t i m i z es t a t e a tl a s t ，b a s e do nt h ei n s t a n c e ， c o n c l u d e dt h es u i t e dc o n d i t i o no fr e f i n e r yu n i tt h e r m a lc o u p l i n g ，a n dt h ee n g i n e e r i n g a n de c o n o m yp r o b l e m sm u s tb et h o u g h ti nt h ep r o c e s s k e y w o r d s ：h e a ti n t e g r a t i o n ，t h e r m a lc o u p l i n gu n i t s ，d e l a y e dc o o k i n gu n i t ，h y d r o t r e a t i n gu n i t 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：髟辨 日期：加矿年月，7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密固。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 黎虹荽 豸喷 1 日期：加r 年z 月，7 日 日期：口母丁详6 月j7 日 第章绪论 第一章绪论 1 1本研究课题的实际意义 作为世界上最大的发展中国家，中国是一个能源生产和消费大国，能源生产 量仅次于美国和俄罗斯，居世界第三。基本能源消费占世界总消费量的1 1 0 ，仅 次于美国，居世界第二位。长期以来，能源问题一直是我国国民经济和社会发展 中的核心问题。 我国的能源消耗主要集中在工业部门，石化、冶金、建筑等高耗能的过程工 业占全国总能耗的一半以上。我国2 0 0 1 年的能源消耗中，石油占2 3 6 ，折成 标准煤为2 5 7 亿吨，国内原油加工量达到2 0 9 9 亿吨。2 0 0 1 年全国能耗费用支 出达1 2 5 万亿元，占g d p 的1 3 5 ，而同期美国只占7 。自1 9 9 3 年中国成为 石油净进口国之后，石油的对外依存度从1 9 9 5 年的7 6 增加到2 0 0 0 年的3 3 8 。到2 0 2 0 年，中国的石油消费量最少要4 5 亿吨，届时对外依存度将达到6 0 ，严重影响到国家安全和制约经济、社会发展。严峻的能源形势告诉我们“高 增长、高消耗、高污染的粗放扩张和外延型为主的经济增长方式”已不能适应本 世纪中国的发展要求，已不能保证到2 0 2 0 年中国经济比2 0 0 0 年再翻两番。因 此，必须将节约资源、节约能源提升到基本国策的高度，实行“节能优先、结构 多元、环境友好、市场推动”的可持续能源发展战略，力争到2 0 2 0 年一次能源需 求少于2 5 亿吨标准煤，即相比目前的发展要求节能8 亿吨标准煤：把石油进口依 存度控制在6 0 左右；主要污染物的削减率为4 5 一6 0 。有研究，如果采取强 化节能和提高能效的政策，与情景照常的趋势相比，到2 0 2 0 年能源消费水平可以 减少1 5 一2 7 ，单位g d p 能耗将每年下降2 3 一3 7 2 1 。 经过半个多世纪的发展，中国炼油工业已经具备相当的基础，企业规模、生 产能力和技术装备都达到了相当的水平，开发了许多先进工艺和炼油催化剂，某 些工艺指标，部分领域己达到国际先进水平4 7 1 。但在9 0 年代迅速扩大加工能力 的过程中，由于没有追踪炼油科技发展前沿，在扩建同时采取装置大型化、热联 合、功热联产等能量综合优化措施，能耗又有上升。近几年虽然不断采取一些措 施，但仍存在着巨大的节能潜力。按照我国原油加工能耗( 包括三大公司及目前 仍有相当数量的地方小炼油厂) 比国外先进水平高1 5k g e o t 的观点，以2 0 0 5 年加工3 亿t a 原油计，节能的潜力是4 5 0 万吨标油年，经济效益7 0 - - 9 0 亿元 年。 自上实际七十年代初发生第一次世界能源危机开始，我国广大节能工作者在 炼油工业的节能领域进行了许多卓有成效的研究，以热力学第_ 定律为核心的用 华南理工大学硕十学位论文 能评价手段已基本进入国家大、中型炼油企业，为许多工程技术人员所掌握：以 加热炉节能、分馏塔节能、换热网络改造为主要内容的节能改造在各个厂如火如 荼的展开，直到九十年代初期，整个节能形势是不错的，单位加工能耗逐年降低。 如炼油能耗从1 9 7 8 年的1 0 5 4 k g e o t 原油左右降低到1 9 9 8 年的6 9 3 k g e o t ，降 低了3 4 【3 】。其中，常减压蒸馏装置的能耗从2 8 k g e o t 降低到1 3 k g e o t ，降低幅 度一半以上。但随后出现的上规模、抢规模、拼投资现象对企业节能的冲击很大， 出现了加工能力增加，单位加工能耗非但不下降反而出现上升的势头，如2 0 0 1 年，在二次加工比例有所增加的情况下，全国炼油能耗为8 5 9 k g e o t ，比1 9 8 8 年增加了2 4 【4 】。究其原因是各厂在上装置，扩能的同时不重视新建装置活设施 与原有装置特别是与原有公用工程系统的有机结合和用能匹配；孤立上项目，一 个项目配一个系统，不重视全局即全厂的能量综合。其实用能和节能是一项复杂 的系统工程，必须用系统工程的思想指导用能，用系统工程的技术和手段实现用 能，只有这样才能真正提升我国炼油企业的用能水平，赶上国际先进水平。所以 本论文的立论是用系统工程的方法研究炼油企业的节能。 表卜1 列举了我国主要炼油装置能耗国内外先进水平的比较 】。 表卜1 主要炼油装置能耗国内外先进水平比较 t a b l e1 1t h ec o m p a r i s 0 1 3o fe n e r g yu s eo fm a i nr e f i n e r yu n i tb e t w e e n d o m e s t i ca n df o r e i g na d v a n c e d 可以看出跟国外的先进水平比较还有一定的差距。华贲在“世纪之交的中国 炼油工业的节能问题”一文中有过估计6 】：就中国整个炼油工业能耗来说，同国 外先进的炼油厂相比，我国加工吨原油的能耗大致高l o 一2 0k g e o t 。按2 0 0 1 年国 内加工原油2 亿吨，标准燃料油1 2 0 0 元，t 计算，此项费用达2 4 4 8 亿元，可见 炼油企业还有巨大的节能潜力。 2 第一章绪论 纵观几十年的石化企业节能过程，大体可以分为三个阶段【7 】。在第一阶段， 主要是改造用能明显不合理的工艺和设备，如改造加热炉，把排烟温度从3 0 0 左右降到低于2 0 0 ，这一阶段的理论基础还是热力学第一定律，力图减少热量 排放。第二阶段是运用热力学第二定律分析用能过程【4 8 1 ，实现换热物流按温位逐 级匹配，合理减少过程l 用损，这一时期的工作主要有分馏塔的改造，采用高效传 热传质塔构件；用“夹点技术、原理”改造或合成换热网络，总的目标是不但减 少能量向环境的排放同时提高能量利用的品味，相比上一次有质的飞跃：第三阶 段则是应用系统工程的思想和手段从全局的角度，结合市场因素，结合环境、气 候因素，结合企业中、长期发展规划、结合蒸汽动力、储运、水系统等众多因素， 采用过程模拟、优化控制、计算机技术、在对石化过程深入热力学规律认识的基 础上进行 用经济学目标函数的大系统优化、实现经济效益、能耗、物耗和环境的 总体多目标优化【4 9 1 。这是一次用能和节能技术或理论上的革命，相比前两次，难 度大的多，需要对用能过程作深入的技术和经济分析，需要有工艺、自控、设备、 计算机应用、管理等专业的协同合作。从一定意义上讲，我们目前已处于第三发 展阶段的初期。 1 2 过程能量综合综述 1 2 1 过程能量综合的研究状况 总的来讲，过程能量综合的研究有两大学术派别。一是以数学规划为主要研 究手段的数学规划法1 8 1 5 3 1 ；二是以热力学原理结合工程经验为主要内容的热力学 试探法。后者由于成功应用的实例较多，在工程界的影响较大，其中最引人注目 的成就是b l i n n h o f f 等入建立的“夹点分析”( p i n c ha n a l y s i s ) h 4 1 和以此为基础 发展起来的“洋葱模型”【9 。夹点技术初期专注于换热网络的合成，用简单的拓 扑几何的方法，画出参与过程系统换热的冷、热物流的复合曲线及总负荷曲线 ( g r a n dc o m p o s i t ec u r v e j ，在夹点概验的基础上很快勾勒出网络的基本构形，指 出网络夹点的温度、位置，整个网络最大的热交换量、所需外界补入的最小冷、 热公用工程量等，然后在几条基本原则i j 仃提下设计整个网络，由于简单明了，深 受工程界的欢迎，据说到1 9 9 1 年底，全世界应用该技术的工程项目已达2 5 0 0 个。 接下来，他们发展了包括分馏塔的合理布置，热机、热泵的合理布置、总能系统 ( 包括热回收换热网络和蒸汽动力系统) 、换热网络弹性分析等内容在内的过程能 量综合理论，用于包括工艺过程和公用工程系统在内的整个过程系统的能量集成， 同时还关注诸如过程系统的安全性、可操作性、对不同工况的适应性和对环境的 影响等非定量工程目标。更为重要的是“夹点分析”开拓了个研究方向，很多 学者将其概念应用于不同的研究领域，如污水回收，如传质等，目前夹点分析扩 3 华南理工大学硕士学位论文 展的应用方面有l ：( 1 ) 考虑流体压降的能量优化；( 2 ) 多种基础方案的设计( 即 设计方案的弹性化) ；( 3 ) 精馏塔工艺参数的剖面分析：( 4 ) 低温过程的能量集成； ( 5 ) 间歇过程的能量集成；( 6 ) 全厂的能量集成。( 7 ) 过程工业的水系统合成等 50 1 。 图1 1 过程系统洋葱模型 f i g 1 - lo n i o nd i a g r a mi np r o c e s ss y s t e m s 但应当说明，作为过程能量综合技术，夹点技术过于偏重换热子系统的能量 综合，忽视过程系统的核心环节一一反应和分离子系统的能量综合，因而把 t m i n ，o p t 作为整个系统的优化变量是不合适的；同时，由于不做定量的热力学 分析，优化结果不精确。 过程能量综合的另一个重要成就是华贲等人提出的“三环节能量流结构”模 型 1 。它从能量在过程系统中的作用和变化入手，揭示出能量在过程系统中转换、 利用、回收和排出的普遍规律，提出了“三环节”能量流结构模型，如图1 3 所 示。该模型按照过程系统中能量的演变过程将系统划分为三个不同功能的环节， 即能量转换坏节、能量利用环节、能量回收环节。能量在整个过程中的降质是在 三个不同功能的环节中逐步发生的。 4 第一章绪论 外供 能e p 直接换 失能e w 热力 能著e t 排弃能e t 一 能量转换环节l 一 _ l ，j 有效供i 旦! 盟 叁睦互4堑孽e r i上艺总用能e n l l 能量利用环节l 旦! ! 墅j 待回收 能量回收环节 出艟e e 转换输 出能e b 供 纯， 图1 - 2 三环节能量结构与；i 用经济模型 f i 9 1 - - 2t h r e e - - l i n ke n e r g ys t r u c t u r a la n de x e r g o e c o n o m i cm o d e l 三个环节中最重要的环节是能量的工艺利用环节，简称利用环节。它是过程 系统的核心部分，主要包括各种反应、分离和混合过程。在这个环节中，能量通 过降质推动诸如反应、分离等过程进行，使原料变成产品。显然，该环节的能量 利用水平决定了整个过程系统的用能水平，降低工艺总用能，便是整个研究和应 用工作的出发点和落脚点。其次是能量的回收环节，简称回收环节。回收环节主 要通过换热网络、余热锅炉等将合适温位的热量回收，最大限度的顶替外界能量 的供入。最后一个环节是能量转换和传输环节，简称转换环节，主要包括加热炉、 锅炉、汽轮机、压缩机、泵等设备。其功能是将外界供入的能源转换成核心环节 所需的热能和流动能，它们是过程系统得以进行的原始推动力【5 5 1 。 “三环节”能量流结构不仅概括了各种类型与复杂程度的过程系统的能量结 构和共性规律，而且建立了较严格的普遍模型；指出：能量利用环节是起先决作 用的环节，能量转换环节和能量回收环节作为过程系统的子系统，它们只起辅助 作用。“三环节”模型的重要性在于把庞大的系统按能量的功能和流向分解、简化， 由于过程女用损是过程行进的推动力，所以分解，简化是合理的和与客观翅律是 致的，这为整个过程系统的大系统优化提供了基础。简要总结它具有如下特点： ( 一) 始终从系统的角度认识能量，把能量看成过程进行的推动力；把能量看成 过程系统单元问和环节间的相互作用；把过程系统用能和节能的目标总结为降低 利用环节的工艺总用能，并且这种降低要通过大系统的共同作用来完成。 ( 二) 以 用经济为目标函数。“三环节”认为 用损是一切过程能量系统运行的推 动力，过程系统能量优化的目的就是实现以* 用计价的系统能量消耗费用和其他运 行费用( 包括投资折旧) 之和为最小。因而，从本质上讲它是热力学第二定律意 义上的用能与节能，符合对能量利用规律的深刻认识。 ( 三) 认为单元优化是整个过程系统优化的基础。每个过程系统是由三个环节组 5 华南理工大学硕士学位论文 成的，而每个环节又是由若干个过程单元( 包括设备单元) 组成的，合理边界条 件下的单元优化是整个过程系统优化的基础。在过去二十多年的研究中，“三环节” 理论建立了一套完整的工艺单元优化理论，它们包括：换热器的优化选型；管线 的保温厚度优化；分馏塔冷回流比优化；换热网络的优化合成及弹性分析；分离 流程的优化布置；再沸器热源和冷却器冷源的合理匹配；透平、热泵在流程中的 合理安排：塔的变压操作；蒸汽动力系统的优化运行；结合能量优化的计划排产 等等。这些理论的建立为过程系统的能量综合和优化打下了十分扎实的基础。 ( 四) 以分解协调作为过程能量系统优化的方法。尽管有上述扎实的单元优化基 础，三环节理论并没有采用纯粹的数学规划作为优化手段，这是基于对过程系统 深刻认识作出的选择。在单元优化( 和环节优化) 的基础上，“三环节”理论以环节 间的能流l 用价为协调变量，在丰富的专家智能和对过程系统热力学规律深刻认识 的基础上，通过多次分解协调得到过程系统的相对优化解。五十多个工程项目的 实践证明，该方法的收敛性强，一般通过三至五次分解协调就能得到最优解。与 数学规划法比较，更能实用于复杂系统，解的可操作性更强，更能被工程实践所 采用“】 52 1 。迄今为止，“三环节”理论建立了一套适用于不同系统特性的各具特 色的分解协调优化方法：如分馏塔系统的中段回流取热比优化：以中段回流为协 调变量的利用环节和回收环节的协同优化方法；蒸汽动力系统的优化方法；结合 操作条件和市场条件变化的换热网络及蒸汽动力系统的弹性分析和改造的方法等 等。系统优化方面，它总结出了：从工艺装置到结合公用工程系统的装置间热联 合，再到低温热系统，最后到蒸汽动力系统的四步曲方法。总能优化方面，它总 结出了结合市场变化，结合热电冷三联供的系统用能方法。这些方法和理论已得 到广泛的应用。 ( 五) “三环节”以丌放的模型，最大限度的利用流程模拟等先进计算机技术，并 在实践中不断发展具有自身特色的软件体系。“三环节”方法的每一次分解和优化 都建立在流程模拟的基础上，并用流程模拟检验结果的正确性。长期的实践中， 它也建立了具有明显自身特色的软件体系。如解决利用环节和回收环节的协调优 化问题的软件包体系就结合了p r o i i a s p e np l u s 大型流程模拟、换热网络合成、 换热网络弹性分析、单台换热器优化选型、数学规划l i n g o g a m s 等五个软件； 结合能量优化的计划排产软件包就组合了蒸汽动力系统的变工况优化运行软件和 基于市场和物料的计划排产软件，是过程工业排产的一次革新。 1 2 2 大系统优化匹配发展概况和趋势 1 2 3 1 大系统优化匹配的主要途径 某些只有一个单元过程的系统经过一次利用后的排热再利用被称做“废热回 6 第一章绪论 收”( 例如冶金炉的烟气) 。但对常常有多个单元过程和多个不同温位热阱的化工 过程系统来混，只有经过多次利用，终温已降低到接近环境温度，不再有利用的 经济价值的热量，才能叫“废热”。而这个温度是随能源与设备的价格比增高及用 热技术的进步而不断降低的。 热能多次利用的关键，首先是考虑扩大热源、热阱匹配的范围。因为范围愈 大，源、阱数目愈多，找到温差和热容相适应的匹配机会就愈多，总的l 用损耗也 愈小。 传统的设计思想只在装置或单元内部、原料和f 中间) 产品之间考虑换热，匹 配选择受到很大限制。范围扩大会带来距离较远，管线投资、泵功和散热增加， 不同装置开停工不同步，操作控制不在同一系统等工程问题。具体的决策只能由 具体条件下的技术经济优化权衡作出。随能源与设备比价上升，联合匹配系统日 益扩大已成为重要趋势3 5 】 3 6 】。扩大热能匹配系统的主要途径有： ( 1 ) 不同工艺装置( 单元) 之间的物流换热。 ( 2 ) 装置间“热联合”，即上游中间产品不经冷却，而直接进下游装置。 ( 3 ) i 艺装置与公用工程单元的联合。特别是蒸汽的生产，从接近常温的软水 到过热蒸汽，包括4 段不同温位的热阱( 当然，蒸发段负荷最大) 可以分别利用不 同温位的工艺热源。 ( 4 ) 工艺单元与储运单元的联合。提高( 中间) 产品进贮罐温度，适当降低允许 最近贮存温度，合理缩短贮存周期，并在优化保温设施的基础上利用工艺物流的 低温热加热软水作为罐和管线保温伴热热源。按照这一思想所做的优化设计可以 做到原来工艺物流的冷却负荷完全或大部分取代原来罐区耗用的蒸汽。 ( 5 ) 内外热阱的充分利用。工业炉用空气的预热、工艺管线的伴热、厂房和生 活用建筑物的采暖和空气的预热、工艺管线的伴热、厂房和生活用建筑物的的采 暖和空调等低温热阱，数量相当大，是消耗燃料、蒸汽和电能的大户，完全可以 利用工艺物流适宜温位的热量。 1 2 3 2 大系统优化匹配进展 节能进展和第二定律分析的应用，日益显示出大系统优化匹配用能的重要。 在国外，主要以热联合和总能系统这两种技术为主 1 2 】。 在热联合方面，在设计上除了深度加工型采用常减压催化的热联合外，拔顶 加氢型炼厂，也采用各种热联合。例如常压蒸馏塔顶和侧线产品作为加氢精制的 热进料，用循环热水系统收集低温热集中利用；用高温热载体收集不同单元的高 温热用于各种不同的用户；用其它装置的工艺物流热量作轻烃分离塔再沸器热源 等。在国外，日本的将常减压和润滑油作为一个联合装置；美国有加氢一催化重整 联合装置的实例；美国有的炼厂还将常减压和加氢裂化作为一个装置来设计。至 7 华南理工大学硕士学位论文 于伴热、油罐加热、助燃空气加热等也早有利用。 总能系统1 3 】，即统筹安排由燃料按最优化方案和最大效率( 炯效率) 生产和 提供系统内、外的一部分用户所需要的热量、蒸汽、电( 或直接的机械功或流动 力) 。它的基本内容原来是以燃气轮机一高参数锅炉( 或加热炉) 逐级背压透平为 主要形式的功一热一汽联产，以及工艺过程排出的低温余热的综合( 包括升级) 利 用，后来发展成为包括炼厂及其邻近区域的能量利用的总体优化。 我国炼厂对全厂范围内的统筹规划、用能安排和联合匹配在6 0 年代中期就已 经有了实际的例子，如常减压催化，常减压延迟焦化等联合装置的建成投产。 各种形式的联合匹配，均已实际采用或正在考虑采用。这些联合匹配的主要形式 有： 热出( 进) 料，如常减压蜡油一催化装置的热联合，常减压渣油一延迟焦化的 热联合； 间接换热：如上海高桥石化利用低温余热，使用除氧水作介质加热作除盐水 的江水； 工艺装置一辅助装置的热联合：如工艺装置与储运装置之间的热联合； 蒸汽一动力系统和工艺装置的热联合，等等。 这些设计都显著提高了炼油装置的用能水平，但是目前也还存在一些不足， 如蒸汽的发生和使用统一规划不够，盲目发生低压蒸气外输；许多可以用工艺物 流加热的地方还在大量耗用蒸汽。高温差的换热存在于各个地方。我国炼厂原料 用于供热和产汽的比例远低于国外。 最近几年来，现代炼油技术的发展，未来的炼油厂出现了大型化、技术先进 化的趋势，使装置之间的大系统匹配提供了可能。 基于以上问题，展丌装置间的工艺流程优化，在大系统范围内进行热量匹配 的研究显得十分重要。本文的目的也f 是要实现在所研究的系统内实现热量的优 化匹配。 1 2 3 3 技术进步对于大范围匹配的有利条件 2 i 世纪炼油厂的能量观已经有了全新的内容【l “。国外最新的观点是：2 l 世 纪的炼油厂，应是把炼油、生产化工产品和能源的转换集成在一起构成的一个高 效率、高附加值、高利润的生产单位。2 l 世纪新的炼油厂还有以下几个特点。 一是装置规模加大，蒸馏装置达到1 0 0 0 力吨年以上，催化4 0 0 到6 0 0 万吨 年，延迟焦化4 0 0 到7 7 0 万吨，年；装置大型化的节能效益一足单位能耗低，二 是便于安排余热发生高压蒸汽，从而大大提高功热联产效率。 二是开工周期延长，从原来的一、两年变成现在的四、五、年，停工检修造 成的物料和能量损失得以减少；装置设计合理，相关装置的开停工同步做得越来 第一章绪论 越好。这为装置的大范围匹配提供了开停工等类型情况处理的方便。 三是炼油装置平面布置紧凑，空间利用效率高。目前新设计的炼油厂均不同 程度地考虑了装置的平面布置问题，力求装置的平面布置便于装置之问的工艺物 流流动，减少管道等设备投资。 四是炼油先进控制技术越来越先进，使得一个操作室可控制的范围越来越大， 甚至有的新设计的炼厂为整个炼厂只设计一个控制室。这便于统一了解各个装置 的情况，也为大范围的系统匹配提供了控制和协调方面的便利。 以上这些条件，均使热量的大范围匹配变为可能，甚至说必不可少。而如本 章第一节提到的我国的炼油企业节能形势严峻，也使大范围的能量系统匹配变得 刻不容缓。 1 3 化工稳态流程模拟综述 稳态流程模拟是化工过程流程模拟研究中开发得最早、应用最为普遍和发展 得比较成熟的一种重要技术。稳态模拟的目的就是用适宜的系统数学模型来预测 过程的稳态性能。它包括物料衡算和能量衡算、设备尺寸和费用计算以及过程的 技术经济评价。 自1 9 5 8 年，美国k e l l o g g 工程公司研制成第一个通用流程模拟软件f l e x 工 b l e f l o w s h e e t 至今，稳态流程模拟经历了三个发展阶段1 1 5 】： 第一代模拟系统口：除上述f l e x i b l ef l o w s h e e t 外，还有i b m 公司开 发的通用集成流程模拟系统( g i f s ) ；美因科学模拟公司( s i m s c i ) 于1 9 6 8 年推出的 第一个商业性流程模拟系统s p 一0 5 及m c m a s t e r 大学开发的p a c e r 。模拟对象 以烃加工为主，其特点为：有限单元操作模型及物性数据；只能用于模拟，不能 用于设计：使用者不能随意增加新模块；采用直接迭代来实现再循环流的收敛。 由于开发初期缺乏经验等诸多因素，使得模拟系统的应用受到限制，因此在工业 上并未广泛应用。 第二代模拟系统 3 8 1 ：为七十年代丌发的实用化模拟系统。模拟对象扩大到气、 液相的化工过程，成为化工及石油公司实用的开发及设计手段。典型代表如美国 s i m u l a t i o ns c i e n c e 公司的p r o c e s s ，m o n s a n t o 公司的f l o w t r a n ，英国帝国 化学公司的f l o w p a c k ，c h e ms h a r e 公司的d e s i g ni i ，日本千代田公司的 c a p e s 等。这些模拟系统的共同特点是：随流体相平衡性质的深入和数据库技术 的发展，建立了大型物性数据库，并成为流程模拟系统的一个子系统，不仅能够 为单元设备模块的运行提供物性数据支持，而且具有对物性数据进行校验、校核 和关联的功能；具有较多的单元操作模块：用户可以增加单元操作模块；能实现 设计型计算；采用高级的循环收敛方法。缺点是：只能处理有限的过程模型；只 9 华南理工大学硕士学位论文 能处理含汽一液相流体的物流，对含固体的物流无法处理；缺乏重要的固体物料 单元操作模型( 如离心机、过滤机、旋风分离器) 等；物性数据库只有有机化合物 的物性数据，缺乏重要的无机化合物的数据，且温度和压力的范围不够宽；因组 分数和物料流股数己有固定限制，所以只能处理不太大的流程。到七十年代术， 流程模拟己取得普遍信任，这一领域的第一批专著，如a w w e s l e r b e r g 等所著 “过程流程模拟”和倍涅狄克等所著“化工装置稳态流程模拟”先后于1 9 7 9 年和 1 9 8 0 年问世。 第三代模拟系统【39 1 ：八十年代后，化工流程模拟软件的商品化进程大大加快。 麻省理工学院在美国能源部资助下开发出a s p e n 系统，a s p e n 技术公司和凯尔 谢姆公司及考德公司分别推出了a s p e n p l u s ，d e s i g n i i ，m i c r o c h e s s 等通 用流程模拟系统。模拟对象涉及气、液、固三相，在系统分解的技术方面有所改 进，并在流程拓扑、循环物流切断和收敛方法选择等方面为用户提供了方便。 我国于七十年代中期首先引进丹麦t o p s e 公司的用于模拟合成氨流程的g i p s 专用流程模拟系统。七十年代末，曾组织研究院、高校等单位研制成第一代流程 模拟系统p f s 软件，后由寰球化学工程公司改编，形成p f s 一8 4 软件，并已应用 到乙烯装置中压缩、分离流程，乙二醇蒸发流程等设计计算。八十年代引进了国 际上先进的大型通用流程模拟软件a s p e n ，p r o c e s s 和微机上用的m i c r o c h e s s ，1 9 8 7 年由青岛化工学院开发出微机上应用的第二代国产流程模拟软件 e c s s ，以及针对其它具体工艺过程的专用流程模拟系统，在实用化方面与国际水 平缩小了差距，但在基础理论与新方法( 如联立方程法和联立模块法等) 研究方面 起步较晚。 1 4 本论文的研究内容 根据“三环节”能量流结构理论，过程工业( 石化工业是典型的过程工业) 的系统节能应按顺序由内向外从四个层面展开。首先改造工艺装置，以降低工艺 总用能为目标；再实施装置间及与之配套的水、储运系统之间的用能优化，从内 容来看，主要是以直接热供料为核心的热联合：接下来实施低温余热的优化利用， 如升级利用、如建立自适应的热水循环系统等；最后改造相关的蒸汽动力系统， 使之具有适应外部工况和季节变化的柔性。当一个循环完成以后，在丰富专家智 能的基础上，通过分解协调，借助数学规划和工艺模拟等手段，进行以煳经济为 目标函数的调优，从而实现当前技术、经济条件下的全局优化。经过多年的发展， 工艺装置内的节能研究已有很多成果，低温热的利用，蒸汽动力系统的优化设计、 运营以及与工艺装置的协同也有很多研究，但由于保守、求稳、过分追求安全的 观验严重制约人们的行为，以直接热供料为主要内容的装置间工艺流程优化只有 在当今严峻的能源形势下才逐步引起人们的重视。旧工艺的弊端是显而易见的： 1 0 第一章绪论 先将a 装置的出料冷却送到罐区，再由罐区转运到b 装置加热后作为原料。同 一股物流重复冷却、加热甚至还在罐区用蒸汽维温，能源损耗不言而喻。本文的 案例延迟焦化装置与加氢精制装置的互供料就很典型。焦化蜡油在本装置先从 3 4 0 有效换热到2 2 0 ，再冷到1 0 0 后去加氢精制；在加氢装胃，又通过与反 应产物换热和加热炉加热升温到3 4 0 进反应器。蜡油从2 2 0 冷到1 0 0 ，再从 1 0 0 加热到2 2 0 ，是一个纯粹的重复换热过程。在我国，一个中小型炼油厂的 焦化蜡油大约3 0 吨4 , 时，重复换热相当于每年多消耗4 0 0 0 吨标准燃料油，价值 约5 0 0 万元。可见，实施以直接热供料为主要内容的装置问工艺流程优化的研究 和实践是十分必要的。 本文以国内某炼油厂延迟焦化和蜡油、汽柴油加氢精制装置为例，分析了各 个装置的用能特点，找出各装置用能潜力，然后综合三个装置总体用能，提出了 工艺流程优化的方案，并对原有方案和提出的方案进行模拟分析，并在工程条件、 经济条件等的限制下对优化方案进行调整，给出涉及装置的设备变动，再通过经 济性评价评价方案，最后对方案改进后由于原有流程的变动而带来的工程问题进 行了讨论，并给出了解决方案。 华南理= 人学硕士学位论文 第二章延迟焦化一加氢精制热集成联合流程优化潜力 分析 由于炼油企业生产流程和物料的复杂性，各个装置均有自己的用能特点，而且 能量的利用在各个厂之间都有所不同。因此，试图作出一个通用的热联合模型是 不现实的。本文将以延迟焦化，汽柴油加氢和蜡油加氢这三个装置为例，分析这 三个装置中以及整个大局的用能问题，进行适度的工艺流程优化，提出合理的用 能方案。 2 1 国内外延迟焦化及加氢精制发展状况 2 1 1 延迟焦化技术发展状况 延迟焦化是将重质油在加热炉中加热，采用高的流速和高的热强度，使油品 在加热炉中短时间达到焦化反应所需的温度，同时迅速离开加热炉进入焦炭塔， 在焦炭塔内通过较长的停留时间发生裂解及缩合反应，生产气体、轻质油及焦炭。 延迟焦化技术是炼油化工厂渣油加工的最主要的工艺技术之一，该技术能把炼油 厂最重的或最劣质的渣油、沥青及污油转化为轻质油品其副产品焦化干气和焦 炭也是其它工艺装置及冶会行业的良好原料。延迟焦化技术与其它渣油加工技术 相比具有技术成熟，一次性建设投资较低、操作费用低等特点。该技术自1 9 2 8 年发明至今，研究开发和应用都得到了很大的发展，目前无论是在发达的欧美国 家还是在发展中的弧洲国家都是渣油加工普遍采用的工艺技术之一。 据统计，截至2 0 0 2 年年底，全世界共有7 3 2 个炼油厂。其中1 4 6 个炼油厂设 有焦化装置，其总加工能力为2 2 8 亿吨，年，比2 0 0 1 年增长7 0 8 ，约占世界原油 蒸馏总加工能力的5 5 7 。在2 0 0 2 年焦化装置加工能力中，延迟焦化装置的加工 能力最大，为1 8 3 亿吨年，占当年焦化装置总加工能力的8 1 8 3 。截至2 0 0 3 年 底，世界已建成的焦化处理能力是2 3 2 亿吨年，比2 0 0 2 年增长2 6 8 。焦化装 置总加工能力中，美国为1 2 6 亿吨，年，约占世界焦化总加工能力的5 4 3 ，居世界首 位。世界焦化能力在过去的1 5 年内增长了7 0 以上，世界炼油厂中约有1 7 的炼 油厂有焦化装置。美国重油加工一直以焦化为主，约有3 5 的炼油厂有焦化装置， 2 0 0 0 年以来新建的主要是焦化装置，预计到2 0 1 0 年将新增延迟焦化能力1 2 0 0 万 吨年到1 6 0 0 万吨年。按原料计，5 5 的焦化能力在美国；按产量计，7 0 的焦 第二章延迟焦化- 力口氢精制热集成联合流程优化潜力分析 化能力在美国【1 6 。 国外延迟焦化技术以美国技术为代表，在二十世纪八十年代和九十年代发展 较快，主要体现在工艺流程的合理性、设备的先进性、节能增效、减少环境污染 等方面。例如采用多项提高液收技术，原料预处理流程，短生焦时间等等。 国内目前应用较多的技术主要有可灵活调节循环比流程d 7 和延迟焦化组合 工艺1 趴。 延迟焦化循环比主要用来控制重蜡油的干点和残炭循环比大，柴油收率高，蜡 油收率低，蜡油质量好：循环比小，柴油收率低，蜡油收率高，蜡油质量差。可灵活调 节循环比工艺流程与传统工艺流程的主要区别在于焦化原料油不进分馏塔，而分 馏塔的底部改为焦化重蜡油循环取热及焦化重蜡油( 原循环油浆) 抽出，从而实现了 循环比不受分馏塔塔底温度的限制，可灵活调节该流程有以下优点： ( 1 ) 循环比调节灵活，可实现低循环比当降低循环比操作后，部分和全部焦化重 蜡油出装置再加工，从而扩大了延迟焦化装置的处理能力，也使得装置有较宽的操 作弹性； ( 2 ) 分馏塔底的焦化重蜡油温度可灵活调节，一般控制在3 4 0 3 7 0 ，避免了塔 底结焦； ( 3 ) 装置的原料油不和焦化生成的高温( 4 2 0 。c 左右) 、高速( 3 0 4 0 m s ) 油气直接 混合，有利于控制分馏塔上部的产品质量； ( 4 ) 降低了核心设备辐射进料泵的操作温度有利于装置的长周期运转； ( 5 ) 实现了加热炉进料从对流段直接转到辐射段加热，避免对流段与辐射段加 热负荷可能出现的不匹配问题，有利于稳定操作。 目前，随着原油重质化、劣质化趋势加快，渣油的深度加工、利用也越来越受 到重视，尽管至今已发展了多种渣油转化技术但每种工艺都存在一定的局限性为 了更好地发挥重油催化裂化技术的作用，研究开发了催化裂化与延迟焦化、溶剂脱 沥青、减粘裂化等工艺优化组合，提出采用催化裂化延迟焦化组合工艺不但能提 高催化裂化装置能力，而且能使催化裂化装置加工较差的原料或掺炼更多的渣油。 此外，还能提高轻质油收率，并副产一部分优质针状焦。 国内延迟焦化装置自1 9 5 7 年第一套试验装置在抚顺石油二厂建成以来，至今 已相继建设了近三十套，到2 0 0 4 年初，我国建成投产的焦化装置总加工能力已达 3 2 4 5 万吨年，仅最近1 0 年间我国延迟焦化装置加工能力就增长了1 6 0 8 l 。 其中，单