異構脫蠟裝置能耗分析與節能措施

盧俊文，湛立寧，王肖逸，陳敏，吳婷，周璐璐

（河北省特種設備監督檢驗研究院唐山分院，河北唐山 063000）

隨著碳中和目標落實的推進，對煉油行業提出更高要求。石油產品在使用中產生二氧化碳，對溫室氣體減排不利，優質潤滑油可減少汽車尾氣排放量1～3個百分點。因此生產高質量潤滑油，使其具備低硫含量、低揮發度及低傾點，是煉油行業共同追求的目標，為此必須對基礎油進行脫蠟處理。目前在傳統的溶劑脫蠟和催化脫蠟基礎上，已發展出先進的加氫異構脫蠟工藝[1]，其原理是臨氫條件下借助催化劑作用進行加氫裂化和異構脫蠟反應，使反應物正構烷烴變成異構烷烴。異構烷烴具有高黏度指數、低傾點特性，是潤滑油的理想組分。異構脫蠟反應必須在高溫、高壓下進行，應對原料油和補充氫氣進行加熱和升壓處理[2]，燃氣、電力、蒸汽是異構脫蠟的主要能耗。面對碳中和目標的嚴峻挑戰，常規節能技術難以實現，而煉化行業的低碳技術（包括降碳、零碳和負碳）是未來發展趨勢。

1 裝置流程

異構脫蠟是目前最先進的基礎油加氫工藝，由加氫裂化反應系統、加氫裂化分餾系統、異構脫蠟/加氫后精制反應系統、后精制常減壓分餾系統組成[4]。首先，原料油在裂化反應器中完成脫硫、脫氮、脫氧、烴飽和及加氫裂化等反應，從而降低硫、氮含量以便達到異構脫蠟進料要求；在加氫裂化分餾系統，切割出煤油、柴油、石腦油、干氣等成分，在分餾塔底得到異構脫蠟原料；在異構脫蠟/加氫后精制反應系統，原料油在異構脫蠟反應器中完成異構化反應后，將蠟組分轉化成潤滑油組分和輕油組分，再到后精制反應器中完成精制反應，去除原料油中的不飽和烴、氮、硫、氧等非烴類化合物，從而提高潤滑油的抗氧化性并降低其色度；在加氫后精制常減壓分餾系統，反應后的產品被切割成煤油、柴油、石腦油、干氣、潤滑油基礎油、減壓塔底潤滑油等。圖1為異構脫蠟裝置示意流程。

圖1 異構脫蠟裝置示意流程

2 裝置能耗構成

異構脫蠟裝置的能耗由燃料氣消耗、1.0 MPa蒸汽消耗、電力消耗、循環水及除氧水的能耗組成。異構脫蠟屬于放熱反應，裝置負荷率越高，相應異構轉化率越高，放熱量越大，燃料氣耗量就會越低。燃料氣主要用于加熱爐的燃燒用氣，1.0 MPa蒸汽用于汽提塔及伴熱管線，電力消耗主要用于氫壓機和進料泵，循環水及除氧水用于系統的冷卻。

某煉油廠20×104t/a異構脫蠟裝置利用加氫裂化尾油作原料生產潤滑油基礎油，設計處理量為40 t/h，實際處理量為30 t/h，運行負荷率小于80%，20×104t/a異構脫蠟能耗構成如表1所示。其中燃料氣消耗占48.90%，電力消耗占33.79%，蒸汽消耗占12.66%（其中1.0 MPa蒸汽消耗11.44 kgEO/t，自產0.3 MPa蒸汽補充2.56 kgEO/t），三者合計能耗占95.35%。應從燃氣、電力、蒸汽消耗三方面進行現狀分析，找出可采取的節能措施。

表1 20×104 t/a 異構脫蠟能耗構成

3 能耗現狀分析

3.1 燃料氣

燃料氣主要用于加熱爐的燃燒用氣，20×104t/a異構脫蠟裝置共有5 臺加熱爐，分別是裂化反應加熱爐F101、常壓塔加熱爐F201、脫蠟反應加熱爐F301、精制分餾系統的常壓爐F401和減壓爐F501。反應進料加熱爐為純輻射箱式爐，分餾進料加熱爐為輻射—對流箱式爐，對加熱爐的熱平衡效率進行測試，所得數據如表2所示。

表2 加熱爐熱效率及熱損失數據 %

從表2 中可以看出，3 臺分餾進料加熱爐的熱效率均高于90%，達到該行業平均水平；而2 臺反應進料加熱爐的熱效率均低于90%。主要是F101、F301反應加熱爐無對流室，而輻射室爐管傳熱面積較小，未達到實際熱負荷要求，輻射室換熱不充分導致排煙溫度過高；同時煙道的空氣預熱器設計熱負荷偏低，導致煙道排煙溫度高達230 ℃，造成能源浪費。

3.2 電力

異構脫蠟裝置的電力消耗主要集中在新氫壓縮機、循環氫壓縮機、電動進料泵中。有4 臺高壓進料泵，加氫裂化系統2臺進料泵的額定功率均為700 kW，異構脫蠟系統2 臺進料泵的額定功率均為750 kW。由于設計負荷偏大，實際運行中無法自動調節流量線開度，造成電力浪費。

三級往復式新氫壓縮機將新鮮氫氣壓力由1.0 MPa升至15.0 MPa補充到反應系統，新氫壓縮機出入口壓差較大，流量較小，現用的壓縮機無流量自動調節系統，對出口返回氣體重復壓縮，造成電力浪費。

3.3 蒸汽

異構脫蠟裝置的蒸汽主要消耗在管線伴熱和汽提用汽。由于潤滑油原料具有高粘度、高凝點特性，該加氫異構脫蠟裝置處于北方地區，相關工藝管道在冬季須用蒸汽伴熱來防凍、防凝[5]。該裝置共有蒸汽伴熱管線105條，伴熱蒸汽能耗2.5 t/h，高于設計值2.0 t/h。通過摸底調查，發現有40條管線未根據介質溫度及傾點設計使用；同時存在伴熱蒸汽的跑冒滴漏，配置的疏水器均存在漏氣現象。同時各分餾塔汽提蒸汽用量較大，5 個汽提塔的蒸汽用量設計值為2.7 t/h，實際汽提蒸汽用量高于設計值0.15 t/h。

4 節能優化措施

4.1 燃料氣

4.1.1 加熱爐余熱回收系統改造

更換一臺新型空氣預熱器，根據加熱爐的工藝條件及煙氣、空氣流量計算出空氣預熱器的熱負荷至少為2.8 MW；實際運行的換熱器熱負荷只有2.5 MW。節能改造時更換了熱負荷3.0 MW的換熱器，改變了煙道、風道設置，增加了鼓風機、引風機功率。新型換熱器為熱管/列管混合式，高溫煙氣先通過列管與空氣換熱，降溫后再通過熱管與空氣換熱，為防止煙氣溫度過低造成露點腐蝕，在煙道末端引入一股高溫煙氣，并設置測溫元件，維持最低溫度在露點以上。改造后的排煙溫降為123 ℃，加熱爐熱效率提高了3%。

4.1.2 加熱爐輻射室改造

由于輻射室熱負荷設計偏低，空間有限無法再增加換熱面積，故通過改善現有換熱面傳熱效果的方法提高熱能利用率。輻射室換熱主要是通過火焰的直接輻射、爐墻的反射將熱量傳遞給輻射爐管，通過在輻射室襯里的外表面涂裝納米陶瓷涂層，使其表面在高溫下的發射率維持在0.9 以上，遠高于普通耐火材料發射率0.6～0.8 的水平；爐管外表面涂裝提高黑度的吸收型高溫陶瓷涂料，以便增加吸熱效果。改造完成后，出輻射室的煙氣溫度下降30 ℃，加熱爐熱效率提高了3%。

通過余熱回收系統改造和加熱爐輻射室改造，加熱爐效率提高到90%，每天可節約燃料氣2.5 t，折合成單位能耗為0.16 kgEO/t。

4.2 電力

4.2.1 增加機泵變頻裝置

異構脫蠟裝置的壓縮機、升壓泵、高速泵等功率較高，為達到降耗節能效果，與之配套的電機采用變頻模式，即1臺工頻電機配置1臺變頻電機，裝置正常運行時使用變頻電機，檢修時切換至工頻電機。裝置滿負荷時采用變頻電機，變頻器開度在80%左右即滿足運行要求，同時達到節電效果[6]。變頻與工頻電機耗電數據比較如表3所示。

表3 變頻與工頻電機耗電數據比較

從表3 中可以看出，采用變頻技術與工頻技術相比可節電0.674 kgEO/t，表中，P103為裂化分餾進料泵、P102為后精制常壓塔進料泵、P112為原料進料泵、P111為減頂油泵、P106為潤滑油出料泵，P104為減壓塔進料泵。

4.2.2 增設壓縮機氣量調節裝置

流量調節方式為逐級返回，每一級設置返回線來控制供氣量和系統壓力。當裝置低負荷運行或壓縮氣體有裕量時，多余的氣體從壓縮機出口逐級返回入口，導致電能浪費巨大。Hydro 無級調節系統利用計算機實時采集壓縮機運行數據，并調節壓縮機進氣閥的開啟程度與開啟時間，從而控制適宜的氫氣壓縮量，避免過多的氣體重復壓縮，實現壓縮氣體流量在0～100%范圍內無級調節，最終達到節能效果[7]。Hydro 無級調節系統投用后，補充氫壓縮機在小于80%的負荷下工作，壓縮機電流由116 A降為92 A，節省用電量199.5 kW·h；按裝置加工量30 t/h計算，可節電單耗0.56 kgEO/t。

4.3 蒸汽

4.3.1 伴熱管網改造

根據輸送介質溫度及環境溫度優化伴熱管線，對蒸汽泄漏管段進行修復或更換。通過每小時分段測量溫度的方法，對相應管線的伴熱時間做了調整，停用蒸汽伴熱管線40條。對于開一備一的管道，實時監控備用管道溫度，介質溫度在露點以上時，不再采取伴熱措施[8]。例如：原料油從換熱器出口至過濾器管線的伴熱，反沖洗過濾器開一備一，2小時切換一次，換熱器出口至過濾器管線的介質溫度為150～170 ℃，停用伴熱后，第1個小時測得過濾器壁溫為130 ℃，第2 個小時測得過濾器壁溫為85 ℃，連續跟蹤24 h后，確保過濾器壁溫較裂化尾油平均凝點高12 ℃，故停用該伴熱管線。

同時制定了伴熱管線的定期巡檢制度，發現失效疏水器及時修理或更換，發現跑冒滴漏現象及時處理，減少不必要的蒸汽消耗[9]。伴熱蒸汽管線改造后，蒸汽用量由2.5 t/h降為1.8 t/h，節約蒸汽0.7 t/h，按裝置原料處理量30 t/h 計算，可節電單耗為1.55 kgEO/t。

4.3.2 汽提蒸汽調整

加氫裂化分餾系統的常壓塔有兩個側線汽提塔，分別是第一側線煤油汽提塔T102、第二側線柴油汽提塔T103；加氫后精制分餾系統的減壓塔第一側線抽出柴油，不經汽提；第二側線至第四側線有3個潤滑油汽提塔，分別是T106輕質潤滑油汽提塔、T107 中質潤滑油汽提塔、T108 重質潤滑油汽提塔。

從蒸汽消耗的現狀分析可以看出，汽提蒸汽用量高于設計值0.15 t/h，由于裝置始終處于低負荷運行狀態，原料處理量為30 t/h，在滿足產品質量的前提下逐步下調各塔汽提蒸汽用量，經不斷調整與摸索，各塔汽提蒸汽用量達到實際負荷要求并低于設計值[10]。汽提蒸汽用量調整數據如表4所示。

表4 汽提蒸汽用量調整數據 t/h

從表4 中可以看出，每小時節約汽提蒸汽用量0.60 t/h，折合成單位能耗1.32 kgEO/t，汽提蒸汽能耗明顯下降。

5 節能優化效果分析

通過燃氣消耗、電力消耗、蒸汽消耗三個方面的節能優化，20×104t/a 異構脫蠟裝置的綜合能耗由改造前的70.12 kgEO/t 降為65.86 kgEO/t，降幅6%；按標油8 000元/t計算，可節約成本34元/t，全年增加經濟效益680 萬元。但仍高于煉油行業64.40 kgEO/t 的平均能耗，究其原因是部分設備改造空間受限，且裝置不能滿負荷運行。在后續節能改造時，可以考慮用自產的0.3 MPa 蒸汽代替1.0 MPa蒸汽作為伴熱和汽提用汽；對反應加熱爐前的換熱器進行改造，以便提高反應加熱爐入口溫度。為實現雙碳目標，可以采取降碳技術中的智能化技術，例如通過先進過程控制技術，實現對裝置運行參數的最優化控制，達到降耗節能目的。

6 結論

（1）異構脫蠟是目前最先進的基礎油加氫工藝，其原理是臨氫條件下借助催化劑的作用，先后進行加氫裂化和異構脫蠟反應，使反應物正構烷烴變成異構烷烴，異構烷烴具有高黏度指數、低傾點的特性，是潤滑油基礎油的理想組分。

（2）加氫異構脫蠟裝置的能耗主要集中在燃料氣消耗、電力消耗及蒸汽消耗方面，三項合計約占裝置總能耗的95%；燃料氣用于加熱爐的燃燒用料，電力用于氫壓機的升壓及高壓進料泵的運行，蒸汽用于側線汽提塔和管道伴熱。

（3）降耗節能采取加熱爐余熱回收系統改造、伴熱管網改造、汽提蒸汽調整、增設壓縮機氣量調節裝置、增加機泵變頻裝置等措施；在20×104t/a加氫異構脫蠟裝置節能改造中的應用結果表明，可以降低該裝置綜合能耗4.26 kgEO/t，降低成本34元/t。