（化学工程专业论文）催化裂化再生烟气能量回收系统产能研究.pdf

摘要 摘要 随着我国新开发的油田和老油田增产的原油，以及日益增加的进口原油，其 密度、残炭、硫和重金属含量越来越大，催化裂化装置逐渐转变为重油催化裂化 装置。这种高硫、高残炭、高金属含量的重油转化难度大，生焦量高，这样使再 生烟气的量相应增加( 生焦量增加2 0 ，再生烟气的量相应也增加2 0 ) 。催化 裂化装置的能耗主要取决于再生烟气的能量利用水平和工艺余热的利用。论文在 对催化裂化装置能量利用现状及水平进行分析的基础上，利用炯经济学，对在生 焦量增大，再生烟气参数变化的情况下，烟气能量回收系统动力回收和热煳回收 进行了详尽的研究。 本文首先从过程系统的相关技术出发，系统介绍了过程系统的层次结构模型， 能量系统的模型化研究以及三环节模型研究。简述了催化裂化装置以及催化裂化 再生烟气能量回收系统，并对能量回收系统的演变过程以及不同烟。i 能量回收方 案的能量回收情况进行了总结。 针对反再系统的主要设备和主要的反再工艺。重点分析了反再系统的能量利 用与分布，并总结了反再系统能量利用水平的现状与不足之处。通过讨论不同烟 气能量回收方案与不同烟气进口温度对能量回收水平的影响，指出了能量利用水 平的潜力。 催化剂再生器一烟机构成了一个燃气轮机纽，在简述烟机节能原理、流程以 及做功表达式的基础上，详细研究了烟机再生烟气压j 蜊优化叫收的关键因素：温 度、压力和流量，并得出烟机动力吲收量随再生烟气流量、温度和压力变化的关 系图。同时详细探讨了将c o 焚烧炉莳置对再生烟气动力回收的影响。 通过余热锅炉的热煳分析，详细讨论了煳回收的热力学及其过程分析。推导 出余热锅炉参数与煳回收量的关系模型，分别给出不同烟气入口温度，饱和蒸汽 锅炉和过热蒸汽锅炉回收煽值和工作参数的选择图表，分析提高余热锅炉煳效率 的途径和方法。 论文最后对催化裂化两器操作压力进行了简单的优化分析，概述了反再一分 馏系统的压力平衡，并就两器压力对系统能耗、投资以及分馏塔轻质油收率的影 响进行了讨论，总结出一些定性的结论。 本论文通过对催化裂化再生烟气能量回收系统动力回收与热煳回收的研究， 能为工程实践提供一定的理论上的指导，同时为催化裂化装置能量利用水平的提 高与潜力的挖掘提供了方向。 华南理= 人学硕士学位论文 关键词 反再系统：再生烟气；动力回收；热煳；操作压力 i i a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ee x p l o i t a t i o no fn e wo i lf i e l d ，t h ei n c r e a s eo fo u t p u to fc r u d eo i l i no l d o i lf i e l da n dg r a d u a la u g m e n to fi m p o r t ( c r u d e ) o i l ，d e n s i t y ，t h ec o n t e n to fr u d i m e n t a l c a r b o n s u l f u ra n dh e a v ym e t a la r em o r ea n dm o r eb i gi nt h ec r u d eo i l ，f l u i dc a t a l y t i c c r a c k i n g ( f c c ) u n i tg r a d u a l l yt r a n s l a t e sr e s i d u a lf l u i dc a t a l y t i cc r a c k i n g ( r f c c ) u n i t t h er e s i d u a lo i l ，w h i c hc o n t a i n sh i g hs u l f u r ，h i g hr u d i m e n t a lc a r b o n ，h i g hm e t a l c o n t e n t ，h a ss o m ed i f f i c u l t i e si nt r a n s l a t i o n ，a n dc a np r o d u c eag r e a td e a lo fc a r b o n ， a c c o r d i n g l yt h eq u a n t i t yo ff l u e g a sa l s oe n h a n c e s t h ee n e r g yc o n s u m p t i o n o ff c ci s p r i m a r i l yd e c i d e db yt h el e v e lo fe n e r g yu t i l i z a t i o na n dt h eu s eo ft e c h n o l o g yw a s t e h e a t b a s e do nt h ea n a l y s i so fp r e s e n ts t a t u sa n dl e v e lo fe n e r g yu t i l i z a t i o no ff c c u n i t ，u n d e rt h ec o n d i t i o n so fc a r b o ni n c r e a s i n ga n dp a r a m e t e r so ff l u e g a sc h a n g i n g ， t h i sa r t i c l eh a se l a b o r a t e l yr e s e a r c h e sr e c o v e r yo fd y n a m i cf o r c ea n dh e a te x e r g yo f f l u e g a se n e r g yr e c o v e r ys y s t e mb ye x e r g o e c o n o m i c s t h ep a p e r ，f i r s t l y ，o u t l i n e sc o r r e l a t i v ep r o g r e s s e so fp r o c e s st e c h n o l o g y ，a n d r e v i e w se n e r g yr e c o v e r yt e c h n o l o g i e so ff c cf l u e g a s ， s h o r t l yi n t r o d u c e d t h e s y s t e ma n di t se v o l v e m e n to ff l u e g a se n e r g yr e c o v e r y ，a sw e l l a st h ei n f l u e n c e so f d i f f e r e n ts c h e m e so ff l u e - g a se n e r g y r e c o v e r y o n e n e r g yr e c o v e r yh a v e b e e n s u m m a r i z e d i na l l u s i o nt om a i ne q u i p m e n t sa n dt e c h n o l o g i e so fr e a c t i o n r e g e n e r a t i o ns y s t e m ， i th a s p o i n t e d o u tt h ed i s t r i b u t i o no f e n e r g y u t i l i z a t i o n o f p r e s e n t r e a c t i o n r e g e n e r a t i o ns y s t e m ，h a ss u m m a r i z e dp r e s e n ts t a t ea n dd e f i c i e n c y ，a n dh a s a n a l y z e dt h el a t e n tf o r c eo fe n e r g yu t i l i z a t i o nl e v e l c a t a l y s tr e g e n e r a t o ra n df l u e g a st u r b i n ec o n s t i t u t e sai n t e r n a l c o m b u s t i o n t u r b i n es y s t e m b a s e do nt h es i m p l ep r e s e n t a t i o no fe n e r g yc o n s e r v a t i o np r i n c i p l e ， f l o wa n da p p l yw o r ke x p r e s s i o no ff l u e g a st u r b i n e ，i th a sd e t a i l e d l ys t u d y e dt h ek e y f a c t o r so fd y n a m i cf o r c eo p t i m i z a t i o n a lr e c o v e r y ：t e m p e r a t u r e ，p r e s s u r ea n df l o wr a t e ， a n dh a so b t a i n e dt h eg r a p ho far e l a t i o no fd y n a m i cf o r c ew i t ht e m p e r a t u r e ，p r e s s u r e a n df l o wr a t e ，a tt h es a m et i m eh a sp a r t i c u l a r l yd i s c u s s e dt h ei n f l u e n c e so fa d v a n c e d c oc o m b u s t i o nf u r n a c eo nf l u e g a sd y n a m i cf o r c er e c o v e r y 。 b yt h ea n a l y s i so fh e a te x e r g yo fe x h a u s t - h e a tr e c o v e r yb o i l e r ，i th a sd e t a i l e d l y d i s c u s s e dt h e r m o d y n a m i c sa n di t sp r o c e s sa n a l y s i so fe x e r g yr e c o v e r y ，h a sd e d u c e d i i i 兰盥堡三盔堂堡主兰堡堡塞 t h er e l a t i o n a lm o d e lo ft h ep a r a m e t e r so fe x h a u s t h e a tr e c o v e r yb o i l e rw i t he x e r g y r e c o v e r y ，i nt e r m so fs a t u r a t e dv a p o rs t e a m e ra n ds u p e r h e a t e ds t e a mb o i l e r ，i th a s e d u c e ds e l e c t i o n g r a p h o fe x e r g y r e c o v e r y a n dw o r k i n gp a r a m e t e r su n d e rt h e c o n d i t i o n so fd i f f e r e n ti n l e tt e m p e r a t u r eo ff l u e g a s ，h a sa n a l y z e dp a t h sa n dm e t h o d s t h a te n h a n c ee x e r g ye f f i c i e n c yo fe x h a u s t h e a t r e c o v e r yb o i l e r i nt h ee n d ，t h eo p e r a t i n gp r e s s u r e so fr e a c t i o n r e g e n e r a t i o nh a v es i m p l yb e e n a n a l y z e d a n d o p t i m i z a t e d ，t h e p a p e r o u t l i n e s p r e s s u r e b a l a n c eo f r e a c t i o n r e g e n e r a t i o na n df r a c t i o n a ld i s t i l l a t i o ns y s t e m t h ei n f l u e n c eo fp r e s s u r eo f r e a c t i o n r e g e n e r a t i o n o n s y s t e me n e r g yc o n s u m p t i o n ，s y s t e mi n v e s t m e n t a n d r e c o v e r i n gy i e l do fv a p o r i z e dh y d r o c a r b o n so ff r a c t i o n a t o rh a v eb e e nd i s c u s s e d ，a n d a t t a i n ss o m ec o n c l u s i o n s t h ep a p e rc a np r o v i d ec e r t a i n t h e o r e t i cg u i d a n c ef o re n g i n e e r i n gp r a c t i c eb y s t u d y i n gr e c o v e r yo fd y n a m i cf o r c ea n dh e a te x e r g yo ff l u e - g a se n e r g yr e c o v e r y s y s t e mo ff c c 、a to n et i m eh a so f f e r e do r i e n t a t i o no nh o wt oi m p r o v et h el e v e la n dt o e x c a v a t et h ep o t e n t i a lo fe n e r g yu t i l i z a t i o no ff c cu n i t k e y w o r d s ：r e a c t i o n r e g e n e r a t i o ns y s t e m ，f l u e g a s d y n a m i cr e c o v e r y ，h e a te x e r g y r e c o v e r y ，o p e r a t i n gp r e s s u r e i v 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 何其他个人或集体已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：颜岔口盏 日期：2 印疗年6 月r 6 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( 了。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 融如蕴 篱飞 e l 期：2 如与年6 月i6 日 日期：删年6 月，7 日 第一章引言 第一章引言 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的形势和挑 战。炼油企业承担着不可推卸的节能责任，急需开发新的工艺、新的节能途径以 及新的能源或能源替代品。未来1 0 年中国炼油企业能量利用的策略包括：优化调 整能源结构，扩大装置规模和热联合，氢元素平衡和资源，从能源协同优化角度 优化炼油厂布局等。本文基于催化裂化在炼油厂中的地位和作用以及催化裂化装 置的能耗状况，重点研究催化裂化再生烟气能量回收系统。 1 1 研究背景 1 1 1 中国能源面临的严峻形势和挑战 中国能源面临的严峻形势和挑战。表现在以下几点 一、资源紧缺，不敷需要 我国能源资源入均拥有量只有世界平均水平的一半，油气资源更只有世界平 均水平的1 1 0 ；随着经济的快速发展，我国已成为能源消耗大国，2 0 0 3 年中国能 源消费1 6 8 亿吨标煤，占世界能源消费量的1 0 ，仪次于美国，居世界第一二位。2 0 0 3 年进口石油9 1 0 0 万吨，对外依存度已达3 6 。预测：2 0 2 0 年将达6 0 ，这将极大地 影响我国的战略安全。 二、能源利用效率低下 我国能源利用效率只有3 3 4 ，远低于先进国家的5 2 5 5 。占我国总能耗9 0 以上的工业、建筑物、交通能源的利用效率低：占工业总能耗7 3 的8 个行业3 3 种产品单位能耗平均比世界先进水平高4 7 ，相当于比先进水平多耗用能2 3 亿吨 标煤年，占我国总能耗的1 5 左右；建筑物单位面积能耗比发达国家高2 - 3 倍“1 。 三、能源环境河题突出 与世界各国不同，我国一次能源结构以煤为主( 见图1 - 1 ) 。这造成了严重的 环境污染s 0 2 排放量的9 0 ，n o x 排- 放量的6 0 都来自于燃煤。全国s 0 2 排放总量已 经超过环境承载能力的7 0 左右。酸雨率达4 0 ，世界污染严重的2 0 城市中国占1 6 个。中国由于生态破坏造成的经济损失已i g d p 的7 8 。生念环境问题已严重威胁 中困经济和社会的可持续发展。 华南理t 大学硕士学位论文 四、粗放型经济发展模式不可持续 1 9 8 0 年以来能源消耗年增长4 6 ，是世界增长率3 倍。2 0 0 1 年终端能源消费 1 2 5 万亿元，占g d p l 3 5 ，而美国仅7 。目前我国g d p 不及世界的i 3 0 ，但钢铁、 煤炭、水泥年消费达世界总量的2 5 、3 0 和5 0 。以大量消耗资源为代价的高增长 是不可持续的。 图l 一1我国和世界平均一次能源结构比较 f i g 。l ia v e r a g ep r i m a r ye n e r g ys o r t i e ss t r u c t u r eh o m ea n da b r o a d 1 1 2 中国炼油企业能耗状况和节能责任 一、能耗状况 我国炼油厂的节能工作从七十年代末以来，特别是在整个八十年代，取得了 巨大的进展；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 8 8 年的6 9 3 k g e o t ，降低了3 4 3 。其中常压蒸馏装置从2 8k g e o t 降低到了1 3k g e o t 定右。 降低了一半以上。但在9 0 年代以来的十多年中，从大公司到各个基层企业都集中 精力抓炼油厂的扩建、深加工和加工多种原油的装置配套工作，没有同时采取装 置大型化、热联合、功热联产等能量综合优化措施，炼油厂节能工作相对来说进 展不是很大，能耗又有上升。1 9 9 9 年年，在二次加工比例有所增大情况下，炼油 能耗为8 5 ，4k g e o t ，比1 9 8 8 年增加了2 4 ，存在着巨大的节能潜力。进入奉世纪 后，节能工作受到重视，炼油能耗有所降低。但仍比国外最好水平高2 5k g e o t n ” 按照我国原油加工能耗平均比国外先进水平高1 5k g e 0 t 束算，以2 0 1 0 年3 5 亿t a 加工量计( 2 0 0 4 年，其节能的潜力是5 2 0 万吨标油年经济效益则至少7 0 9 0 亿 元年) 。 二、能耗构成 第一章引言 7 0 年代炼油厂能耗是以渣油为主，还有炼厂气和网电，能源结构较为单一。 进入2 0 世纪末，有f c c 、d c 焦碳，炼厂气，渣油和部分煤、网电等多样能源，能源 结构发生了很大的变化。今后，随着我国的能源结构的战略调整，环保要求增加 加氢裂化的比例，以及c f b 等煤高效、洁净利用技术的发展。f c c 、d c 焦碳，煤和 天然气将构成中国炼油企业主要能源。资源和能源的优化利用要求我们改变一切 自给自足观点，实行能量大系统联合优化，即汽、电、热与邻近企业联合( 包括 买入和售出) 。在能量优化前提下，最高效、最洁净地利用氢转移加工过程中形成 的焦炭，使其有比天然气和煤更高的能量利用效率和经济价值。除焦碳外其它的 、二次”加工产物，包括炼厂气，都尽可能最经济地转化为车用燃料和化学品。 降低单耗和能耗总量，优化能耗构成，不但有很好的经济效益，还能为国家节约 宝贵的油品资源( 用于化工原料和车用燃料) ，减少对进口石油的依赖。油气资源是 国家的经济命脉。炼油是生产二次能源的行业，又是耗能大户，其节能不仅有明 显的经济效益还有深远的社会意义。因此，深入节能已成为中国炼油企业当前的 一项不可推卸的责任陋j 。 l ，l 3 未来1 0 年中国炼油企业扩产中的能量利甩策略 一、贯彻产业一资源能源一环境协调的科学发展观 发展观是能量利用总体准则，贯彻科学发展观要从经济、产业一一资源、能 源一一生态、环境协调出发，确立能耗目标( 世界先进水平) ，即复杂型炼厂牛7 5 万千卡吨，简单炼厂牛5 2 万千卡吨。确立资源优化利用目标( 综合商品率= 原油 一，t 焦一损失) 。同时经济效益目标与此一致，现余操作成本牛1 2 0 元吨原料，包括 折旧和财务费用的完全成本丰1 7 0 元吨原油”n 。经济，能源和环境具体关系见图 3 ”1 国家已经公布了能源中长期发展规划纲( 2 0 0 4 2 0 2 0 ) ，提出了峰持把节约能 源放在首位，大力调整和优化能源结构，搞好能源发展合理布局，充分利用国内 外两种资源、两个市场，依靠科技进步和刨新、切实加强环境保护等8 个方面的 工作方针。这对于炼厂节能也具有重大指导意义【8 】。 二、优化调整能耗结构 f c c 再生烟机及c o 燃烧新工艺，c f b 炉的成熟应用，使得最高效、最洁净地利 用氢转移加工过程中形成的焦炭成为可能，在能量优化前提下使其有比天然气和 煤更高的使用价值。例如对催化焦碳的优化利用，优化设计的主风机，再生器， 加上再生烟气后面的烟气透平和余热锅炉本身，就构成了一个相当于燃气轮机的 机组，已经能够提供焦碳化学能的高效转化的系统技术，热电联产的总效益应达 8 0 以已经能够提供焦碳化学能的高效转化的系统技术，热电联产的总效盏达 华南理t 大学硕士学位论文 8 0 以上，使焦碳的利用价值不低于瓦斯；对于其它的、二次”加工产物( 包括 炼厂气、油浆等) 都尽可能最经济地转化为车用燃料和化学品；改变一切自给自足 观点，在所在地区规划能量大系统联合优化：汽、电、热与邻近企业联合( 包括 经济 科学、协调发展， 优化产业结构 能源 能源结构调整 提高利用效率 环境 保持生态循环 改善生存条件 图l 一2 经济、能源、环境协调发展” f i g 1 - 2d e v e l o pe c o n o m y ，e n e r g ys o u r c e sa n de n v i r o n m e n t i np h a s e 买入和售出) ；最后可以发挥炼油厂热电比的优势，高效利用便j 直的煤和天然气。 国家已经制订了天然气产业中长期发展规划，加快天然气勘探、丌发和利用。预 计2 0 0 2 至2 0 2 0 年，天然气基础设施需2 2 0 0 多亿元人民币用于：5 万公晕的天然气 管线，2 千万吨规模的液化天然气接收站( 港口设施) 。百万吨规模的液化天然气 运输能力( 船队) 。随着能源结构向天然气的发展，预计至1 1 2 0 2 0 年，世界天然气消 费量将达4 3 0 0 0 亿m 3 年我国规划e l l 2 0 2 0 年天然气消费量将达2 2 0 0 l m 3 ，其中进口 约1 0 0 0 亿m 3 。比2 0 0 0 年增长近1 0 倍，从占世界的l 提高到5 。更重要的，无论 是国内气嗣、陆上管道进口的天然气，还是海上进口l n g ，都会靠近大型炼油厂。 这是因为我国对进口石油的依存瘦比天然气更高。( 2 0 0 4 年已进口1 2 2 亿吨，预计 2 0 2 0 年依存度将超过6 0 ) 的缘故。 三、氢元素的平衡优化：能源与资源协调优化 我国的加氢能力远远低于世界先进水平。炼油加工实质是氢转移过程。焦碳 的生成是碳富集和氢转移过程的必然结果。加氢工艺是生产发动机燃料的必由之 路。各国的加氩能力也存侄很大的差别。如上表2 所示，1 9 9 8 年中国的原油蒸馏 4 第一章引言 能力为2 7 1 0 0 万吨，加氢比例为1 5 1 3 ，而日本的蒸馏能力为2 5 2 9 7 万吨，但加氢 能力却高达8 9 1 。在加热炉烧含氢气体是极大的浪费。因此，氢元素的优化实际 是能源与资源协调优化，煤高效、洁净转化制氢是中国的优化选择。 表1 1 1 9 9 8 年底的备国加氢能力比较 t a b l e l - 1 c o m p a r eh y d r o t r e a t i n gc a p a c i t yi n1 9 9 8 国家美国加拿大阿本英国法国 德国中国 炼厂数( 座) 1 6 l2 23 81 41 4 1 71 2 7 原油蒸 8 2 1 1 39 3 6 42 5 2 9 7 9 2 7 09 7 3 91 1 2 3 0 2 7 1 0 0 馏能力 加氢能力，万 6 0 5 6 75 3 5 l2 2 5 2 65 8 9 55 0 9 89 0 2 34 1 0 0 吨年 加氢比例7 3 7 65 7 1 58 9 16 3 5 95 2 3 78 0 3 41 5 1 3 其中v c oh t 1 4 72 0 2 71 9 86 1 61 8 3 51 4 3 2o 四、扩大装置规模和建设联合装置 目前世界上有很多大型联合的炼油装置( 见表卜2 ) ，其加工能力及产品的 能源单耗都比较少。我们在新、扩建炼厂时要改变以前的陈旧的规划指导思想， 深化前期工作。为了能够减少因扩建而带来各方面的能耗，我们要有整体的节能 思想。如联合装置的建设。现有的先进控制技术使得我们在具备定对市场适应 性前提下，能够对装置进行热联合，从而降低工艺总用能、提高回收率、减少供 入能。如；美国蒸馏一加氢裂化联合装置、f l 本减压蒸馏润滑油联合装置，f c c 与焦化联合装置。 五、热电联产和热集成技术应用 能量转换设施大型化，新技术成熟，天然气的到来为热电联产创造条件。例 如最常见的是燃气轮机与大型加热炉联合，以及目前已经工业化的各种煤气化一 联产动力系统。在热集成技术方面，低温热在装置与公用工程系统间的集成优化 利甩效果明显。 华南理上人学硕士学位论文 表1 2 世界大型炼油装置举例 t a b l e1 2 l a r g e - s i z eo i lr e f i n i n gu n i t si nt h ew o r d 装置名称炼厂1 9 9 9 年，加工能力( 万t a ) 原油蒸馏美国贝汤炼厂 1 2 5 0 f c c 蜡油 美国贝汤炼厂 6 0 0 f c c 渣油印尼巴隆炼厂4 2 5 连续再生催化重整美国马尔卡斯湾炼厂2 3 0 延迟焦化美国帕斯卡戈拉炼厂3 1 0 加氢裂化科威特舍巴炼厂3 0 6 加氢精制 美国贝汤炼厂 3 3 5 加氯脱硫，蜡油美国贝汤炼厂5 0 0 r d s 美国帕斯卡戈拉炼厂4 8 0 v r d s f 1 本室兰炼厂 1 2 5 六、炼油厂布局规划的能源考虑 除了原料供应、产品销售的运输等因素外，炼油厂的布局规划必须考虑能源 这个重要的约束条件。炼厂设在沿海靠近l n g i j i 迸港口处，可以利用l n g 天然气冷 能和价格低的优势，以天然气作为主要外部补充能源。设在靠近煤矿和运煤铁路 枢纽处，可以低成本采用c f b 、i g c c 等高效、洁净和煤气化联合技术。设在靠近 大型电站处，则利于应用便宜的抽汽。在制订炼厂掮局规划模型时，加上这个约 束条件，对于优化结果可能会有数以十亿元计的年经济效益。 以卜这几条能量优化利用策略都将是未来十年我国炼油企业能源优化的重 要措旋，它们的实施，关系到缓解我国能源的严峻形势和可持续发展的大事。 1 1 4 催化裂化在炼油厂中的地位和作用9 世界上第一套工业意义上的催化裂化装置在1 9 3 6 年4 月6 r 开始运转，采用固 定床技术；随后的几年中，又分别出现了移动床( t c c ) 和流化床催化裂化技术 r f c c ) 。1 9 4 2 年第一套流化催化裂化( f c c ) 装置在美幽投产到现在正好6 0 年了。但 催化裂化技术始终在进步，我国也于1 9 6 5 年在抚顺建成投产了第一套流化催化裂 化装置。7 0 年代提升管与沸石催化剂的结合使流化催化裂化技术发生了质的飞跃， 原料范围更宽，产品更加灵活多样，装置操作更稳定。 美因在2 0 世纪8 0 年代以前炼油：i + 业经历了一个快速增长期，8 0 年代后期更多 6 第一章引吉 地表现为调整，增长速度有所减缓，但催化裂化加工能力一直保持稳步增长，其 他发达国家的发展与美国相比，相对要晚一些。表l 一3 为近1 0 多年来世界些国家 催化裂化加工能力的变化情况。从表i 一3 中可以看出，近l o 多年来无论是全世界还 足主要炼油国家，催化裂化的加工能力是不断上升的，其中中国的催化裂化能力 上升了1 倍，占原油加工能力的比例也从3 0 6 上升到3 7 8 ，这是与其经济发 展相适应的。从表1 4 也可看出在各个主要一：次加工工艺中催化裂化能力居于首 位。 表1 3 世界一些国家的催化裂化加工能力及占原油加工能力的比例 t a b l el 一3f c cw o r k i n ga b i l i t ya n dp e r c e n t a g eo fo c c u p y i n gt h ew o r k i n ga b i l i t yo f c r u d eo i lins o m ec o i i n t r i e s 项目9 1 芷9 3 年9 5 年9 7 年9 9 年0 1 年 令世界 催化裂化能力m t a 1 5 4 1 05 6 5 06 3 7 06 6 2 86 8 8 0 6 9 3 3 比例， 1 4 41 5 41 7 11 6 9 1 6 91 7 1 中国 催化裂化能力m t a 一1 4 7 2 5 4 66 0 98 0 19 2 19 6 6 比例， 3 0 63 0 53 6 3 3 7 8 美国 催化裂化能力m t a l 2 7 5 22 6 1 o2 6 4 22 7 0 22 7 8 1 2 8 0 4 比例，3 5 93 4 53 4 43 4 03 3 63 3 9 h 本 催化裂化能力t m t a 一1 3 2 33 5 o 3 7 ，53 8 93 7 04 1 o 比例， 1 4 o 1 4 61 6 01 5 71 4 91 7 o 西欧 催化裂化能) j m t a l 6 8 17 0 07 0 9 7 0 17 2 17 2 7 比例 1 6 81 6 9 1 7 51 6 81 7 41 7 7 山于石油仍是不可替代的运输燃料，及原油的重质化和对行油需求的增长， 发展重油深度转化，增加轻质油品仍将是2 l 世纪炼油行、j k 的重大发展战略，流化 催化裂化仍将足下世纪的重要石油转化技术。这是因为：流化催化裂化经几十年 的发展，技术成熟；催化裂化能最大量生产高辛烷值汽油组分；原料适应r 眭广， 从馏分油到重质原料油均”，加。1 ：；转化深度大，轻质油品和液化气收率高；装置 压力等级低，操作条件桐对缓和，投资省：液化气中丙稀、丁烯等轻烯烃利用价 华南理t 大学硕+ 学位论文 值高u o l 。 表1 4 炼油厂各主要加工工艺加工能力对比m t a t a b l el 一4 w o r k i n ga b i l i t yo fm a i np r o c e s s i n gt e c h n i ci no i lr e f i n e r y 项目 1 9 9 1 生2 0 0 1 正 原油加工 3 7 4 94 0 5 8 催化裂化5 4 l6 9 3 催化重整 4 0 64 7 3 加氧裂化1 5 12 1 5 焦化 2 1 3 加氢处理3 6 51 8 5 l 1 i 5 催化裂化装置的能耗现状 催化裂化是炼油j 中提高原油加工深度、生产高辛烷值汽油、柴油和液化气 的最重要的一种重油轻质化工艺过程。仵我困，催化裂化装置的加工能力已占炼 油能力的3 0 ( 质) 几右，其能耗约占炼油综合能耗的3 5 1 1 1 。2 0 0 1 年，中国石 汕天然气股份有限公司催化裂化平均能耗2 7 7 7 g j t ，全年总能量消耗折合标准燃 料油2 4 3 m t ，占炼油能耗的3 4 。 催化裂化装置再牛烟气能量回收率的高低埘装置的能耗产生较大影响。再生 灿j 7 e 中的物理能、化学能和机械能蕴藏量很大。在催化裂化装置中，再生器高温 炯气所带走的能量约占令装置能耗的四分之一”。 随着人们对环境质量的关注与重视，催化裂化也面临不断严格的坏保要求的 挑战，主要包括汽油规格的升级对烯烃和硫含量的要求，烟气排放量的限制；其 次是对产品需求比例变化的挑战如市场对柴油需求比例和数量的增加，即所谓 的柴油化趋势。随着市场重油需求量的减少以及轻质油品需求量的增加，催化裂 f t 的发展趋势足原料重质化，主要表现为一重四高，即原料馏分重，残炭高，重 金槭含量高，硫含量高，芳烃含量高”，致使催化裂化生焦产率增加成为不可扭 转的趋势。同时从大量的催化焦炭化学能经燃烧后的充分利用角度来看，再生器 一烟机一余热锅炉系统是一个能量转换设备，并且是一个功热联产的高效转换设 备。本文主要探讨高温高垭再生烟气经过浚转换设备的转换效率。 i 1 6 催化裂化装置节能降耗的重要意义 石油是f 1 | j 1 _ f l t t 界上重要的能源之，在能源消费结构巾石油占有较大的比 第一章引言 重。随着我国国民经济的不断增长，原油消费也不断增加，同时我国的轻质燃料 油及其它石油加工产品需求量巨大。2 0 0 3 年我国石油净进口量与2 0 0 2 年同比增 长3 0 9 4 ，2 0 0 3 年1 1 0 月达8 6 2 6 6 5 万吨，如表1 5 。 催化裂化( f c c ) 是目前我国炼油厂中重要的生产高质量轻质燃料的二次加 工单元，其加 ：量约占炼油厂原油加 ：量的5 0 6 0 。f c c 装置生产的汽油， 辛烷值可高达9 7 ，且总量约占炼油厂成品汽油的8 5 ，催化柴油约占3 0 。成 品汽油的调和成分构成见图1 3 。 能耗约占整个炼油能耗的三分之一。我国的f c c 装置能耗普遍较高，一般为 2 3 0 3 3 4g j t ，与国际先进水平相比( 如法国东日炼油厂的f c c 为1 6 3 g j t ) 存在较很大差距。2 0 0 1 年，中因石油集团催化裂化装置平均能耗为2 7 8 g j t ，总 能量消耗折合标准燃料为2 4 3m t a ，占炼油能耗的3 4 。加入w t o 之后，我国 的成品油价格即将和世界接轨，面对机遇和挑战，进一步节能降耗，是炼油企业 降低成品油加工成本的重要途径。 表l 一52 0 0 2 年和2 0 0 3 年l 1 0 月中国石油与油品需求情况( 万吨) t a b l e1 - 5s t a t i s t i cd a t af o re x p o r ta n di m p o r to fp e t r o l e u ma n do t h e ro i l s j n2 0 0 2a n d2 0 0 3i nc h i n a 产品名称 2 0 0 2 年1 1 02 0 0 3 年1 1 0 同比增长 月月( ) 进口 8 1 3 7 91 0 6 5 6 13 0 9 4 石油出口1 6 5 9 82 0 2 9 4 52 2 2 7 净进口 6 4 7 8 18 6 2 6 6 53 3 1 7 油品及 进口2 4 4 8 9 03 2 4 1 0 73 2 3 5 加出口 1 1 6 0 9 91 4 0 7 1 22 1 2 0 工产品净进口 1 2 8 7 91 8 3 3 9 5 4 2 4 0 图1 3 汽油构成比例 f i g l 一3m a k e u po ft h eg a s o l i n e 9 华南理 _ 大学硕十学位论文 1 2 本论文的研究内容 本文研究催化裂化再生烟气能量回收系统优化，着重讨论降低催化裂化能耗 的三大途径 i q ( 1 ) 采用高性能催化剂和低回炼比以提高转化率和收率、减少生焦，同时 通过优化设计减少蒸汽和动力消耗，降低上艺总用能e n 和e x x 。 ( 2 - ) 反应油气热量的充分利用和优化利用。 ( 3 ) 再生烟气能量的充分利用和优化利用。 中的第三种途径，通过研究再生烟气的优化利用，分析探讨再生器内焦炭的充分 利用和优化利用。主要内容包括： ( 1 ) 催化裂化两器能量系统的分析 ( 2 ) 催化裂化再生烟气压斓的优化利用 ( 3 ) 催化裂化余热锅炉热炯回收优化 ( 4 ) 催化裂化两器操作压力的优化分析 1 0 第二章f c c 再生烟气能量匝收技术回顾与进展 第二章f c c 再生烟气能量回收技术回顾与进展 2 1 过程系统技术的相关进展 2 1 1 过程系统的层次结构模型 针对过程工业的特点，华贲等提出了过程系统的层次结构模型5 1 ，如图2 一l 所示。在该模型中，过程系统是由六种流( 物质流、能量流、信息流、人件流、 资金流和工件流) 联纬起来的众多组元的集合，模型结构具有多层次、多尺度和 不确定性等特点。 过程系统由硬件技术系统和软件技术系统组成，分三个层面，八人功能部分。 硬件技术系统软件技术系统 圈2 一l 过程系统的层次结构模型 f i g 2 - lh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r em o d e lo fp r o c e s ss y s t e m s 硬技术系统包括过程系统的控制、运行和设计三部分，组元足反应、分离、传递、 能量转换等单元操作过程和设备，山物质流、能量流、信息流把它们联结起来， 华南理工大学硕士学位论文 是过程系统工程科学的研究内容：在软件技术系统中，包括相应企业的日常管理、 市场营销和投资决策三部分，组元包括采购、运输、销售、财务、人事和各管理 组元由上述三流加上人件流、资金流和工件流联结起来，属于管理科学的范畴。 按照企业运行和管理内容、企业与外部环境的关系和企业管理人员的决策需 求，在过程系统的全生命周期内包括三个层而： 管理一控制层面：在一定的市场条件和现实的工艺流程、设备条件下，管理 控制的主要作用在于维护企业在设计给定的原料、产品和操作条件下的正常运行。 主要内容包括系统建模、模拟与仿真、先进过程控制，系统运行状态和环境检测、 安全保护、物资供应、财务、质量和人事等各基本管理单元之间的协调。此时的 集成基本处于企业系统内部的信息集成阶段，控制优化的目标在于保证各参数稳 定在稳态优化值和软、硬技术子系统之问的统筹协调。 市场运营层面：在过程企业的实际运营中，由寸：原料和产品市场等条件是动 念变化的，产品结构和产量也要随之变化以适应外部条件。企、l e 必须依据已建立 的原料、产品等市场信息数据库、硬件技术系统模型、动念牛产计划调度系统和 市场预测系统等辅助决策系统的基础上，通过对食业内部供应、计划、调度、运 行和营销等环节和企业外部上游供心商和下游分销商的协调、控制，高效地对外 部环境做出适当的反应，以达到企业运行的总体动态优化。这一阶段足在系统内 部集成基础之卜企业系统与环境的集成。 投资决策层面：当企业外部坏境或内部环境出现较大的变化时，仅仅通过对 现有的生产流程进行调整已不能满足要求。往往需要投入资金、通过再牛产来适 应竞争的挑战。对于过程工业内部柬晓， 生产主要有流程重组、技术改造、扩 产和新产品丌发等四个方面；对f 企业外部经营来晓，也存在着企业重组和、i k 务 流程再造( b u s i n e s sp r o c e s sr e e n g i n e e r i n g ) 问题。 显然，过程企业运行的这i 个层面是相瓦联系、相互影响、密不i 叮分的，孤 立的对各个环节进行优化将无法得到对企业整体的优化。住对过程企业进行建模、 优化的过程中，必须把这三个层次集成起来，j 能使企业获得最人效益。炼油企 业牛j 。计划弓能量系统的集成即是依据浚