煉油廠干氣輕烴分離與LNG冷能利用的集成

魏林瑞, 夏永強, 王德鵬

(中海油能源發展股份有限公司 北京冷能利用研究所, 北京 100015)

煉油廠干氣輕烴分離與LNG冷能利用的集成

魏林瑞, 夏永強, 王德鵬

(中海油能源發展股份有限公司 北京冷能利用研究所, 北京 100015)

中國乙烯裝置原料以石腦油等重質原料為主,而原料越重,乙烯成本也就越高。從煉油廠干氣中回收輕烴組分可以為乙烯裝置提供優質原料,從而能降低乙烯成本,但是輕烴深冷分離工藝中壓縮制冷系統能耗很高。液化天然氣(LNG)氣化過程中釋放大量的冷能。為了降低深冷分離所需壓縮能耗,以中國國內某煉油化工廠為研究對象,將LNG冷能用于煉油廠干氣深冷分離工藝,取代三機壓縮制冷系統。結果表明,利用82.0 t/h的LNG可替代原工藝約14373 kW的冷量負荷,節省約7973 kW的冷劑壓縮制冷系統功耗,大幅度降低煉油廠干氣深冷分離裝置的能耗成本。

煉油廠干氣; 輕烴分離; 壓縮制冷; 液化天然氣; 冷能利用

乙烯作為石油化工工業的基礎原料,其生產能力被視為一個國家經濟綜合實力的體現。近年來,中國乙烯工業發展迅猛,但是依舊存在一些問題。中國乙烯產品當量自給率較低,需要大量進口彌補市場缺口,在國際化競爭中,處于相對被動的地位。2012年,中國生產乙烯1.487×107t,當量消費量3.216×107t,當量自給率46.2%。原料不足、不優是制約中國乙烯工業發展的關鍵問題[1-3]。

由于中國原油偏重,輕烴收率低,天然氣的開發利用起步晚,乙烯原料過分依賴國內煉油廠,導致乙烯裂解原料品種雜而且偏重[4]。中國乙烯原料構成如表1所示。

表1 2011年中國乙烯原料構成

由表1可見,中國乙烯裝置的原料以石腦油為主,而輕烴所占比例不到10%,這導致乙烯收率較低,成本較高。而世界乙烯裝置原料構成中輕烴約占40%(質量分數),石腦油約占45%(質量分數)。中東和北美乙烯工業的發展具有原料豐富、優質、廉價等優勢,隨著近年來世界能源價格的大幅上漲,這種優勢更加突出;優質的原料使其生產成本分別為400USD/t和500USD/t。受資源限制,中國乙烯原料成本與中東和北美相比處于明顯的劣勢,其生產成本高達1000USD/t[5-6]。所以需要立足現有乙烯原料基礎,拓寬乙烯原料來源,為中國的乙烯生產提供必要的原料補充。其中煉油廠干氣就是有較大潛能的乙烯原料。

煉油廠干氣主要來源于原油的二次加工,如重油催化裂化、延遲焦化、加氫裂化、催化重整等。煉油廠輕烴對于煉油廠而言是副產物,多數煉油廠作為燃料氣使用,造成了極大的能源浪費,僅有極個別有配套乙烯裝置的煉化企業進行了乙烯原料的回收[7-8]。如果將煉油廠干氣分離回收,可以得到可觀的乙烯、乙烷、丙烷等,乙烯可以作為石油化工原料,而乙烷和丙烷等可以作為優質的裂解原料送往乙烯裝置。煉油廠干氣的回收利用具有重大的經濟和社會效益。目前,煉油廠干氣的分離一般采用變壓吸附法(PSA)和深冷分離法。變壓吸附的缺點是設備龐大、輕烴回收率不高;輕烴深冷分離法需要三機壓縮制冷系統(甲烷壓縮機、乙烯壓縮機、丙烯壓縮機)提供從-102℃到18℃多個不同溫位的冷能,所需壓縮制冷的能耗較大,導致工藝能耗高[9-10]。

常壓下LNG是一種-162.0℃的低溫液體,在供應給下游用戶之前需將其氣化并加熱至0℃以上,在氣化時會釋放出大量的冷能,1.0t LNG氣化時大約可釋放出約200 kW·h的冷能。目前,LNG冷能已經應用于發電、空分、干冰制造、冷庫等工業中,替代了大量用于制冷所消耗的電能。LNG冷能的回收利用,不僅可以減少其氣化費用,還可減少氣化帶來的環境污染問題,對節約資源、提高能源的利用效率、發展循環經濟具有十分重要的意義[11-13]。

以某一煉油化工企業為例,其煉油裝置為1.2×107t/a,規劃配套建設1×106t/a乙烯裝置,在該煉油化工廠鄰近建有1a接收3.0×106t/a LNG的接收站,接收站的LNG除用來發電外,也將用于滿足該區域城市的工業燃料、煉油廠和石油化工廠原料、城市燃氣用戶。以該煉化企業的煉油廠輕烴分離為背景,研究并設計將LNG冷能用于煉油廠輕烴的深冷分離工藝,為該企業規劃配套的乙烯裝置提供乙烷、丙烷等裂解制乙烯原料。回收煉油廠干氣能夠使乙烯原料優化和多樣化,實現LNG冷能資源的綜合利用和乙烯原料成本的降低,同時實現企業整體經濟效益的提高。

1 煉油廠干氣深冷分離輕烴工藝

1.1 煉油廠干氣分離工藝冷量需求

年產量1.2×107t/a煉油廠的輕烴主要來自常減壓、催化裂化、延遲焦化、加氫裂化、重整等裝置,不同組分的輕烴約81.05 t/h(6.8×105t/a)進入干氣管網,其組成如表2所示。

煉油廠干氣經過壓縮、堿洗、凈化干燥后,其流量、溫度、壓力分別為78.56 t/h、15.0℃、3.45 MPa,其組成如表3所示。

由表3可知,煉油廠干氣含有豐富的乙烷、丙烷等輕烴,將其送往乙烯裝置作為原料,可以提高乙烯收率,降低乙烯生產成本。

煉油廠干氣深冷分離流程如圖1所示。煉油廠干氣經預切割塔D-302、脫甲烷塔D-301、脫乙烷塔D401、乙烯精餾塔D402、脫丙烷塔D403和脫丁烷塔D404的順序流程將煉油廠干氣分離,得到乙烯和乙烷等產品[14-15]。通過對該流程模擬,可以得到乙烯和丙烯制冷系統的冷量分配,結果列于表4和表5。由此可知,整個工藝流程需要乙烯和丙烯提供的冷量總和為20054 kW,需要其提供的最低溫位為-101.5℃。

表2 煉油廠干氣來源及組成

CDU—Crude distillation unit; FCC—Fluid catalytic cracking; DCU—Delayed coking unit; HCU—Hydrocracking unit; HDT—Petrol and diesel hydrotreating unit; CCR—Continuous catalytic reforming

表3 煉油廠干氣組成

圖1 煉油廠干氣分離工藝流程

表4 乙烯制冷系統提供的冷量分配

Table 4 Cold energy distribution provided by ethylene refrigeration system

Cold?setuserT/℃Coolingload/kWPercentage/%E?351-62 2146931 0E?311-62 24128 7E?1311-78 5181038 1E?313-101 550710 7E?1313-101 5691 4E?326-101 547810 1

表5 丙烯制冷系統提供的冷量分配

1.2 乙烯和丙烯制冷系統壓縮功耗分析

(1) 乙烯制冷系統

圖2為乙烯制冷系統流程示意圖[16]。1596 kmol/h的乙烯冷劑經壓縮、冷凝、節流過程獲得所需的不同溫度,其中乙烯制冷系統的壓縮功耗為1869 kW。

(2) 丙烯制冷系統

圖3為丙烯制冷系統流程圖。2186 kmol/h丙烯冷劑經壓縮、冷卻后,通過節流獲得不同的溫度,之后去為其他換熱器提供冷量,其中丙烯制冷系統的壓縮功耗為5461 kW。

(3)甲烷制冷系統

總之，作為浙江省四年制高職示范點之一，關于公共基礎課教學的很多創新性工作有待進一步研究和實踐。機遇也就是挑戰，今后我們要在四年制高職公共基礎課教學中繼續探索，進一步明確目標定位、構建現代化教學管理體系保障、建設優秀師資隊伍，爭取早日占據四年制高職公共基礎課教學改革制高點，努力探索一條具有“本科本色、高職特色”的四年制公共基礎教學改革之路。

脫甲烷塔塔頂回流的返塔壓力為1.01 MPa,溫度為-128.3℃,由于乙烯冷劑能提供的最低溫位為-101.5℃,所以傳統深冷分離工藝需將甲烷冷劑壓縮至3.9 MPa,經冷箱與脫甲烷塔塔頂氣、乙烯冷劑換熱,然后通過節流膨脹降壓降溫至1.01 MPa、-128.3℃,其壓縮功耗為851 kW。

2 LNG冷能用于煉油廠干氣輕烴分離工藝的集成

2.1 換熱網絡參數條件

LNG在送入輸氣管網之前需加壓至7～8 MPa,其溫度在-145.0～-150.0℃范圍,LNG氣化時需將其加熱至0℃左右,故有大量冷量釋放,約180 (kW·h)/t。根據上述煉油廠干氣分離所需冷量的分析結果,以LNG為冷源、干氣分離中的各工藝物流為冷阱,進行以LNG冷量替代三機壓縮制冷系統,提供煉油廠干氣分離工藝所需冷負荷,以降低LNG氣化成本和煉油廠干氣分離的壓縮制冷能耗[17-18]。

脫甲烷塔塔頂回流的返塔壓力為1.01 MPa,溫度為-128.3℃。在本研究中,筆者將LNG代替乙烯冷劑,而且由于LNG加壓至7～8 MPa時溫度為-145.0℃,比乙烯冷劑的溫度低,可將甲烷冷劑在1.05 MPa(設0.04 MPa的流動阻力損失)的較低壓力下冷凝,相比原工藝的3.9 MPa,將減少壓縮機的壓縮功耗643 kW。而壓縮機出口的1.05 MPa的塔頂氣經脫甲烷塔塔頂冷卻至-124.1℃,然后用LNG冷量將其深冷至-128.3℃、1.01 MPa,再經閃蒸回流返塔,該過程不再需要乙烯冷劑提供冷量。

用LNG冷量替代三機壓縮制冷系統提供的冷量,依次將甲烷冷劑、脫甲烷塔進料、預切割塔塔頂、乙烯精餾塔塔頂、脫乙烷塔塔頂、原料氣等冷卻到所需溫度。冷、熱物流在換熱網絡中的運行條件列于表6。該網絡中各工藝熱物流所需的冷量負荷總計為14373 kW,為將上述熱物流冷卻至所需溫度,需82000 kg/h,即6.9×105t/a的LNG提供14892 kW的冷量負荷。當LNG由-145.0℃氣化到0℃時,其平均熱容CP變化很大,所以將LNG分為三段估計其熱容及冷量,一段由-145.0℃到-100.0℃,一段由-100.0℃到-50.0℃,一段由-50.0℃到0℃。LNG的組成為:φ(CH4)=86.69%,φ(C2H6)=8.98%,φ(C3H8)=4.01%,φ(i-C4H10)=0.87%,φ(n-C4H10)=1.06%,φ(N2)=0.17%。

以6.9×105t/a LNG的冷量為冷源取代6.8×105t/a煉油廠干氣分離工藝中三機壓縮制冷系統的負荷,整個煉油廠干氣深冷分離工藝可節約壓縮制冷功耗約7973 kW,設壓縮機的內效率為95%,壓縮機與透平(或電機)之間的傳遞效率為98%,壓縮機的效率為70%,則可節約電力消耗12234 kW。

圖2 乙烯壓縮制冷系統流程示意圖

圖3 丙烯壓縮制冷系統流程示意圖

對于一個換熱網絡,只需要一種公用工程的問題稱為閾值問題。煉油廠干氣分離工藝需18.0～-102.0℃左右冷量,需大量壓縮功耗。冷量溫度越低,所需壓縮功耗越大,所以對于煉油廠干氣深冷分離工藝,最好將換熱網絡的夾點問題變為閾值問題,從而取消冷公用工程[19-20]。

表6為換熱網絡中各工藝物流的運行條件。根據表6所示的換熱網絡的運行條件,結合Aspen Plus和Aspen Pinch模擬,選擇不同的最小允許傳熱溫差,當冷公用工程消失時,即得最小的夾點溫差為2℃,合成得到如圖4所示的換熱網絡。

LNG冷量將熱流從15.0℃冷卻至-128.3℃,不需要冷公用工程,可節省冷量負荷約14373 kW。同時LNG由-145.0℃升溫至-4.4℃,需519 kW的熱負荷將其加熱至0℃,即在LNG可提供的總冷量負荷14892 kW中有519 kW沒有被利用,故LNG冷量的利用率達96.5%。

表6 換熱網絡中各工藝物流的運行條件

1) Initial temperature; 2) Target temperature

圖4 LNG冷能用于煉油廠干氣深冷分離系統的換熱網絡

3 結 論

(1) LNG蘊藏著大量的冷能,將LNG冷量用于煉油廠干氣分離工藝,可大大降低LNG氣化時的能量消耗,降低了下游用戶的能源成本。

(2) 將LNG冷量用于煉油廠干氣分離工藝,可替代原工藝的冷量負荷約14373 kW,即可節省乙烯、丙烯壓縮機壓縮制冷的功耗約7330 kW;同時采用LNG冷能為甲烷制冷系統提供冷負荷,只需將甲烷冷劑由0.61 MPa壓縮至1.05 MPa,其壓縮功耗為208 kW,替代原流程的將甲烷冷劑壓縮至3.9 MPa(壓縮功耗為851 kW)的工藝,這樣甲烷制冷系統所需壓縮功耗相比原流程減少了643 kW。整個煉油廠干氣分離工藝可節約壓縮制冷功耗約7973 kW,LNG冷量的利用率高達96.5%。

(3) 從煉油廠干氣中分離出的乙烯等可作為整個石化工業的基礎原料,為下游化工裝置提供原材料,而乙烷、丙烷等輕烴送往乙烯裝置作為原料,可提高乙烯裝置原料的靈活性,提高乙烯的收率,降低乙烯的生產成本和對市場的應變能力,增加企業效益。

(4) 由于LNG本身就含有大量的輕烴,將這部分輕烴分離出來裂解制乙烯,可優化中國乙烯原料,減少乙烯成本。按照本研究思路,同樣可以將LNG冷量用于LNG的輕烴分離工藝,同時將剩余冷量用于乙烯分離工藝,減少乙烯裝置能耗。

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Light Hydrocarbons Separation Process in Refinery by Using LNG Cold Energy

WEI Linrui, XIA Yongqiang, WANG Depeng

(CNOOCCryogenicEnergyUtilizationResearchInstitute,Beijing100015,China)

Naphtha is the dominant feedstock for ethylene plants in China. The heavier the feedstock is, the higher the production cost of ethylene is. Consequently, the recovery of light hydrocarbons from refinery gas can bring great economic and social benefits, however, the process of light hydrocarbons cryogenic separation is energy-intensive, when it comes to compression refrigeration. Liquefied natural gas(LNG) should be vaporized before being supplied to the final consumers at the receiving terminals, and a lot of high-grade cold energy will be released during the vaporization process, which should be utilized effectively. Regarding a domestic refinery as the research object, the LNG cold energy was used to displace compression refrigeration system in cryogenic separation process. As a result, 82.0 t/h LNG can provide 14373 kW cold energy for the separation process, saving 7973 kW compression power to greatly cut the cost of the process.

light hydrocarbons; cryogenic separation; compression refrigeration; LNG; cold energy

2014-07-07

中海油科研項目(CNOOC-KJ125 00 00 000 00 LYS201401)資助。

魏林瑞，男，工程師，碩士，從事LNG冷能利用技術研究；Tel:010-84524507；E-mail：weilr@cnooc.com.cn

1001-8719(2015)06-1317-08

TQ021.8

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2015.06.010