低温热回收技术在炼油企业中的应用

低温热回收技术在炼油企业中的应用

2004年，中国的石油和天然气工业的总能耗为7322吨，占全国总能耗的16%，是能源效率最高的行业。中国石油和中国石化两大集团公司都提出了“十一五”期间各单位的加工能耗降低20%的任务,并以此为契机,掀起新一轮节能降耗、挖潜增效的高潮。经过几年的努力,我国炼油能耗已有大幅下降,然而在中央关于科学发展观政策的指导下,特别是同国外具有先进水平的同行相比,我国石油化工工业节能工作仍有降低的空间。低温热的利用是炼油厂节能的一个重要的潜力。1系统的配套与整合十多年来,我国石油化工企业为配合国民经济的快速成长相继扩建或新建装置,厂方往往直接向设计院委托装置本身的设计,而来不及同时考虑与原有装置和系统的能量集成优化,而设计方也往往需要在很短的时间内作出设计,这就使新、扩建装置大多孤立考虑用能配置,而由炼油厂的辅助系统来“配套”,大量的低温热就此产生。许多石化企业事实上也早就认识到炼油厂低温热的潜力并采取一定措施,但对低温热利用的总体认识还存在一些欠缺。1.1低温热资源调查目前,低温热利用工作的习惯步骤是先在全厂范围内进行以现有冷却器和加热炉排烟负荷为基础的“低温热资源调查”,视某个温度以上(如烟气取120℃)部分的热量为“低温热资源”,并以此为基础去寻找热阱。事实上,很多此类“低温热源”并不固定,会随着热出料、热联合的采用而消失。1.2热设计在运行过程中“热低用”目前大多数企业的低温热利用普遍存在着热源与热阱分散、随机匹配的问题。通常两三个热源和热阱就构成一个低温热系统,有的炼油厂同时有七八个低温热系统在运行。这就很难做到“温度对口,梯级利用”,而多是“高热低用”,结果导致“低热无用”。例如:用催化裂化装置主分馏塔中段回流(200～180℃)热流去加热60℃的循环热媒水,再用于建筑物室内采暖(18～20℃),多个系统、多台水泵必然造成热媒水循环量大,功耗增加。1.3热床的分区和热权的性质图1是一个常见的低温热利用系统,对于分馏塔温位不同的各侧线,均使用60℃的热媒回水并联取热,换热后水温相差很大的几路热媒水又进行混合,最终温度只有70℃,热能降质比较严重,难以用于温度较高的热阱。同样道理,热阱的并排方式不但难以有效的将热量从热媒水中取出,且由于回水温度偏高,从而更加难以从较低温位的热源(如塔顶油气)取热。加上循环水量很大,温度变化较小,更加限制了低温热系统的热协调能力,一旦热阱负荷发生变化,就必须依靠蒸汽补充加热。1.4蒸汽补充加热在低温热阱需求随季节和气象条件变化较大的情况下,多半要依靠蒸汽补充加热。环境温度越低需要补充的汽量越大,如果控制不好,将会导致回水温度升高,回水温度越高则越取不出热量,越要靠蒸汽加热,如此形成恶性循环。2基于低温热利用系统的建设2.1“梯级利用”和“能量降质”对低温热系统而言,科学用能的要义是“温度对口、梯级利用”。简言之,就是不要在温度差异很大的热源和热阱间做直接匹配,以免造成大的㶲损失。图2是图1流程下低温热热源部分的能级系数-功率(ε-Q)图。几股高温热源与热媒水的传热温差高达50℃以上,所有各路热媒水与热源换热后温度都仅从60℃升高到70℃,只能用于极少数最低温的热阱。图中的阴影部分是因传热温差而产生的㶲损失。“梯级利用”是让60℃的低温热媒水先与低温物流换热,再从低温到高温,逐级与其它热源换热,这样可实现热媒水“小流量、大温升”的操作。图3所示的是改进后的流程,尽管热媒水量降低了一半,温度却从60℃提高到102℃,取热量的增加大于50%。图4中对应的传热温差和㶲损失也大大减小。能量利用的本质是用其品质,而非用其数量。在利用过程中,能量的数量并没有减少,只是品位降低。不同用能户要求不同品位的能量,只要安排恰当,就可以连续利用。能量的降质会比能量的散失造成更大的损失。能量降质有许多种途径:大温差换热即大梯度降质;两股或多股温度差异较大的流股混合也是降质。例如,把120℃、流量为1t/h的凝结水与20℃、流量为9t/h的原水混合,成为30℃、流量为10t/h的水便是双重的浪费。因为20℃的原水本来是极好的低温热阱,是能够把热媒回水温度降低到45℃以下,从而从装置里取出更多的低温余热;而120℃的凝结水经过除油、除铁后也可以直接并入除盐水中,把它们混合起来的结果,其品质都大大降低了。2.2产品的价格调整缺乏技术经济优化的观念和实践,是技术人员不能提出科学改进方案的重要原因。不经过计算而简单、武断的决策,是不符合当今经济全球化形势下激烈的市场竞争局面的。技术经济优化的核心是投资和节能经济效益之间的权衡。能源价格节节上升,而设备价格并未同比例增长。1973年以前,原油价格为6.29US$/m3,经济合理的加热炉排烟温度是400℃,油品换热器的传热温差为80～100℃;原油价格为62.9US$/m3时,投资改造对流段,把加热炉排烟温度降到250℃就合算,油品换热器的经济传热温差为30～50℃;原油价格为125.8～188.7US$/m3,合理的加热炉排烟温度是160℃左右,油品换热器的经济传热温差小于30℃;目前原油价格已经是566.1US$/m3,优化的排烟温度和传热温差应当更低。这么低的排烟温度对装置的直接供能是困难的,低温热利用则可利用较少的投资有效地解决这样的问题。2.3系统不健全、节能较低,影响经济发展了解了用能原理,有了技术经济优化思维,但是缺乏系统工程观念,仍然难以真正做到能量系统化。我国炼油企业一般较重视独立装置的节能工作和能耗指标,尽管独立装置的能耗有的已经非常低,但结合辅助系统、低温热全局匹配系统、蒸汽动力系统以及全局整体的节能来看,综合能耗却很高。在节能上不菲的投资,没有显著降低能耗的炼油厂也不少。这些往往与缺乏用系统工程观念和技术手段对能量系统进行全面的分析,统筹制订总体规划和长远的、分步实施的进度计划有关。系统工程的概念是:全局和局部是相互关联、制约的;能量利用与资源和物料的优化、综合利用是相互关联、制约的;扩产和新建装置同节能改进是应该和可以同时实现的;设计方案的优化必须同时考虑,虽然外部条件发生了变化但是在运行中必须保持优化状态。这些方面的技术和软件都在不断的发展,而我国企业在认识、观念和实行上,都还有一定的差距。3优化低温热大系统应用技术3.1大系统热利用的优化方案低温热的大系统优化匹配原则包括下列四个要点和一个关键。四个要点是:(1)装置能量综合优化,实现热出料和热联合,以减少低温热的产生。装置能量综合优化在我国已经有很不错的基础,当前进一步改进的契机是热出料。随着装置开工周期不断延长和控制水平的不断提高,平面布置日益紧凑,实现装置间的热出料和热联合已经越来越成熟、可靠。美国能源部把它作为炼油厂进一步节能的重要手段。显然,热出料将消除一批被看作“低温热资源”的中间物流出装置,降低其冷却的负荷,同时在下游装置腾出来一批原来用于预热冷的进料的温位更高的、非常有用的热量。(2)与蒸汽动力系统优化同时考虑。低温热利用的途径多数是替代原来用做热源的蒸汽,因而低温余热的回收利用将使装置和辅助系统对低压蒸汽的需求显著减少,从而引致全厂蒸汽动力系统的优化改进:把工艺装置发生蒸汽的余热改为换热以节省燃料,停开部分锅炉,调整蒸汽管网运行策略等。但与此同时,原水、除盐水预热等低温热阱也相应减少。(3)充分利用各类低温热阱。优先考虑的是各类低温加工装置用热。例如气体分馏、MTBE、烷基化、污水汽提、各种溶剂回收装置以及其它轻烃分离装置的再沸器用热和进料预热。它们的温位大部分在100℃以下,部分在100～120℃,目前多用1.0MPa蒸汽为热源,㶲损失很大。这些热阱的最大优点是连续、稳定用热,没有季节变化,节能效果极好;其次是储运、伴热,发汽用原水、除盐水、干燥空气、采暖水、空调新风等,以及包括厂外生活区的采暖、生活等热阱。这些低温热阱的特点是:温度低、耗热量大,负荷随季节变化大。例如:原水和空气在夏季的温度通常为25～30℃;冬季南方为10℃,而北方则在零下10℃到20℃不等。它们在冬季能有效地降低回水温度,增加取热量。(4)升级利用措施(做功、制冷、热泵)与优化匹配同时考虑。在低温热阱实在不足,可用热源过剩的情况下,可以采用诸如:低温朗肯循环发电、制冷、热泵等升级利用技术,使低温热转变为工艺可用的动力、冷或较高温位的热。这些技术相对于同级换热回收利用而言需要较高的投资,但只要经过严格的技术经济分析、核算,认为合理,就应当纳入到大系统低温热利用的规划中来,与同级换热回收利用一并统筹优化匹配。一个关键是:鉴于低温热回收利用是建立在全厂能量综合优化之上的系统安排,因而无论在空间上还是时间上,都必须在系统全局范围内统筹滚动规划,分期分批实施。空间范围包括全厂以及附近的企业,生产、生活、甚至农业用户;时间跨度应当是在几年之内,包括扩产、建新装置、开发新产品、一次能源构成改变、或与邻近企业的能量关系整合等所有发展规划内容。滚动的必要性在于外部条件和发展规划都会改变,节能规划也必须滚动调整。3.2合成热媒水-热缘低温热回收系统设计的工作步骤如下:(1)在初步确定热出料和高温位热联合方案之后,把各生产装置(如催化裂化、常减压蒸馏、焦化等)内的低温余热源按照温位从低到高依次排列,注明温度区间、流量、热容流率和热量;(2)按照3.1节(3)的原则把工艺装置和辅助系统的两类低温热阱,按照温位高低依次分别排列。注明温度区间、流量和热容流率,并统计总所需热负荷;(3)参照夹点技术,在同一张T-H图上,画出热源、热阱两条复合曲线;(4)按照文献的方法,计算目前技术经济条件下热媒水与油品换热的最优传热温差△Topt作为合成优化的换热网络的初始判据。由于具体的物性和经济条件不同,△Topt并不是常数,但是在一定的工程项目范围内,变化不会很大。在T-H图上热源、热阱两条复合曲线之间,以ΔTopt为尺度画出一条代表循环热媒水的直线,使其斜率大致介于热源复合曲线的平均斜率与热阱复合曲线的平均斜率之间。可先固定热源曲线,通过左右移动热阱曲线,实现符合ΔTopt尺度的三条曲线的配合。此时,这条直线与热源、热阱两条复合曲线在H轴投影的重合部分,即为可以回收利用的低温热;直线两端点的温差,就是热媒水的温升。由直线的斜率可计算出热媒水的流量。图5为由最优传热温差决定的热源、热阱与热媒水循环系统T-Q图。以步骤(4)为指导,开始合成热源-热媒水换热网络(HEN)。按上述热媒水的流量和温升,根据总平面布置,按照“温度对口、梯级利用”和热媒水管线尽可能短,不在装置之间来回反复的原则,运用分流-合流手段,合成初始的“热源-热媒水”HEN。注意调整分流各支路水量以使合流点各支路的水温尽量一致,也须避免偏离ΔTopt太大的匹配。按照同样的方法,合成热媒水-热阱HEN。如果必须安排升级利用措施,此类热阱必须一并参与规划匹配。根据柔性、可操作性、可靠性,以及安全、设备限制、开停工、事故处理等各项要求,对两个初始HEN和循环热媒水参数进行调整,形成满足实际工程要求的系统,并设计相应的热媒水循环泵、缓冲罐,以及控制来水和会水温度的两个控制回路(参见图6)。3.3网络调度的调节如上所述,一个低温热利用大系统的构建包含热源和热阱两个网络的合成,以及热媒水循环系统的设计。一般工艺余热温度:60～130℃,个别可达150℃,部分可用烟气为180～230℃,则在尽可能安排逆流换热下,热媒水被加热到的温度为120～140℃,利用烟气余热的可达170～200℃。热媒水的温度越高,所能够供给的低温热阱的温位越高,节约的能量就越多。整个低温热利用网络的调节手段主要包括:蒸汽补加热器、回水用循环水冷却器、流量调节控制。蒸汽加热器和回水冷却器主要是保证热媒水的来水温度和回水温度的恒定,有利于热源装置和热阱装置相关的取、放热物流设备的操作控制,不受彼此操作波动的影响。当然,它们也可在不同季节补充加热,但是不能过于依赖它们。流量调节控制有利于在实际情况下通过调节循环水量来控制循环热媒水的温度参数,达到经济运行的目的。例如在冬季控制一个最适宜的回水温度,尽可能多取工艺余热。采用计算机辅助的可视化操作模拟优化系统可以评估网络的柔性,也可以针对各种变化工况进行应对策略演练和调优。4热源、床热利用流程图7给出了按照以上各节所述的原则和方法建立的低温热利用流程。该图涉及常减压蒸馏、催化分馏、溶剂脱沥青、气体分离、动力及储运等多套装置20余个热源、阱的全厂大系统低温热利用流程。热源部分按照温度高低递进为热媒水供热,热媒水共取热32.33MW/h,热阱部分递进自热媒水取热,共用热30.68MW/h。按照低压蒸汽热值为6.978MW/h(含其冷凝潜热和冷却至100℃以下的显热),共节约蒸汽44t/h,按每吨低压蒸汽80RMB¥,按年开工8400h计,该低温热系统每年可节约成本29×106RMB¥,预计投资回收期不超过一年。5设备选型的优化方法炼油厂大量的低温热是因扩建过程中能量匹配不合理而产生,其随机、分散的利用方式,不能使它们得到充分的使用。采用一个以除氧软水为热媒体,联结热源、热阱两个换热网