SINOALKY硫酸法烷基化裝置用能分析及優化

劉 健，楊躍進，黃永芳，宋曉峰

(1.中國石化洛陽分公司，河南 洛陽471012；2.洛陽石化工程設計有限公司)

中國石化洛陽分公司0.20 Mt/a硫酸法烷基化裝置采用中國石化石油化工科學研究院、洛陽工程公司、石家莊煉化分公司和華東理工大學等單位聯合開發的易維護低溫硫酸烷基化(SINOALKY)工藝技術[1-4]，工藝流程由原料預處理、烷基化反應、反應-流出物精制、產品分餾及化學處理等部分組成，裝置原料為MTBE裝置直供醚后碳四。該裝置于2018年4月開工建設，2019年3月建成中交，2019年7月23日投料一次開車成功。裝置的主要能耗介質為3.5 MPa蒸汽、1.0 MPa蒸汽、電、循環水和除鹽水等，設計能耗為5 776.760 MJ/t。以下介紹該烷基化裝置的用能分析及優化措施，并提出下一步節能措施。

1 用能現狀和原因分析

1.1 用能現狀

表1為0.20 Mt/a硫酸法烷基化裝置實際能耗與設計值的比較。由表1可見，與同類裝置相比，0.20 Mt/a硫酸法烷基化裝置原始設計能耗偏高，能耗主要集中在制冷壓縮機和分餾塔塔底重沸器的蒸汽消耗上，蒸汽消耗占綜合能耗的80.7%。取裝置開工后第一個月(2019年8月)的運行數據進行分析，裝置綜合能耗為6 064.762 MJ/t，較設計值高288.002 MJ/t，其中循環水、除鹽水、凝結水和1.0 MPa蒸汽的單耗較設計值分別偏高193.534，31.350，184.756，670.890 MJ/t，3.5 MPa蒸汽和電單耗較設計值分別偏低647.064 MJ/t和160.93 MJ/t。

表1 能耗實際值與設計值的比較 MJ/t

凝結水熱輸出單耗為煉油廠全流程平衡數據，裝置無法控制，除此之外，裝置用能優化方向應集中于降低1.0 MPa蒸汽、循環水和除鹽水消耗。其中循環水設計耗量為786.8 t/h，實際耗量為1 240 t/h，主要用點為全裝置15臺冷換設備；除鹽水設計耗量為9.36 t/h，實際耗量為13.49 t/h，主要用點為全裝置4組復合空氣冷卻器；1.0 MPa蒸汽為裝置制冷壓縮機背壓自產，設計耗量為-1.4 t/h，實際耗量為2.85 t/h，主要用點為裝置3個分餾塔塔底的4臺重沸器。

1.2 原因分析

1.0 MPa蒸汽消耗偏高與裝置原料性質[1]有關，主要表現在以下3個方面：一是原料中有效烯烴總體積分數為29.67%，比設計值低7.05百分點，原料烷烯摩爾比(異丁烷體積分數與有效烯烴體積分數之比)達到1.47，造成異丁烷過剩，脫異丁烷塔負荷較設計值偏高，塔底重沸器蒸汽耗量增大；二是原料中正丁烷體積分數為23.96%，較設計值高6.27百分點，造成脫正丁烷塔負荷較設計值偏高，塔底重沸器蒸汽耗量增大；三是原料中丙烷含量和甲醇、二甲醚、MTBE、水等含氧化合物含量遠高于設計值，為了確保丙烷和含氧化合物的徹底脫除，脫輕烴塔負荷遠高于設計值，塔底重沸器的蒸汽耗量增大。

循環水用量偏高，一方面和脫異丁烷塔與脫正丁烷塔上部負荷偏大有關，塔頂所需冷卻負荷大造成循環水用量偏高；另一方面脫輕烴塔塔底的加氫產物和脫正丁烷塔塔底烷基化油產品攜帶的低溫熱沒有被合理利用，需要大量的循環水來冷卻降溫達到后續工藝需要和產品出裝置要求，造成循環水用量大。除鹽水用量偏高與脫異丁烷塔上部負荷偏大直接相關，塔上部負荷高則脫異丁烷塔塔頂復合空氣冷卻器的蒸發量變大，造成除鹽水消耗量變大。

2 節能措施

2.1 分餾塔降溫降壓操作

裝置3臺分餾塔分別是脫輕烴塔、脫異丁烷塔和脫正丁烷塔，對應的塔底重沸器分別是E103，E303AB，E305，基于裝置原料性質和生產現狀，為了進一步降低1.0 MPa蒸汽耗量，裝置歷時3個月嘗試逐步對3個分餾塔進行降溫降壓操作。結果表明在滿足生產需要的同時達到了降低1.0 MPa蒸汽耗量的目的。表2為調整前后各分餾塔操作參數比較。由表2可見，經過優化調整，E103蒸汽耗量降低1.5 t/h，E303AB蒸汽耗量降低6.0 t/h，E305蒸汽耗量降低1.5 t/h，累計減少蒸汽耗量9.0 t/h，裝置能耗降低1 200.914 MJ/t，脫輕烴塔雜質脫除徹底，異丁烷、正丁烷、烷基化油的產品質量均合格。

表2 調整前后各分餾塔操作參數比較

2.2 停用反應產物酸堿水洗流程

反應流出物經酸烴分離罐和兩級臥式酸烴精細聚結器后，反應流出物中的總硫質量分數能穩定控制在10 μg/g以下，基于此，從工藝防腐和節能降耗兩方面考慮，嘗試將反應流出物酸堿水洗流程全部停用，反應流出物經過聚結分離后直接進入分餾單元進行產品分離。反應流出物酸堿水洗流程停用后相關的9臺機泵即可停用，可節電102.95 kW·h，另外可節約除鹽水7 t/h，裝置能耗可降低69.806 MJ/t，同時，還可減少外排含鹽污水7 t/h，減少使用12%(w)的NaOH溶液0.1 t/h。

2.3 降低制冷壓縮機防喘振流量

烷基化壓縮機是由沈陽透平機械股份有限公司制造的2MCL605兩段壓縮機和杭州汽輪機股份有限公司制造的NG32/25型背壓式汽輪機組成，壓縮機軸封選用迷宮密封+串聯式帶中間迷宮密封的干氣密封系統，動力介質為3.5 MPa蒸汽。壓縮機出口有兩級防喘振流程，一級加氣至壓縮機入口，二級加氣至壓縮機二段入口，用來防止壓縮機喘振。但機組原始設計余量較大，滿負荷生產時機組能力僅利用80%左右，為確保機組工況穩定，仍需要利用防喘振來補充入口流量，既不節能也不經濟。為此，從工藝和設備兩方面進行探索，工藝上嘗試降低壓縮機出口冷劑罐罐頂壓力，從工藝上改善機組運行工況；設備上與壓縮機和汽輪機廠家溝通，適當修改壓縮機防喘振線，并在保證壓縮機和汽輪機安全運行的條件下，適當降低壓縮機允許最低轉速。

經過近一個月的嘗試，在維持反應溫度0 ℃不變的前提下，壓縮機出口壓力降低了0.08 MPa，壓縮機的兩級防喘振流量閥可以自控關閉，調節閥關閉前后相關參數變化如表3所示。由表3可知，防喘振調節閥關閉后，可節約3.5 MPa蒸汽3.0 t/h，裝置能耗降低463.98 MJ/t。

表3 防喘振調節閥關閉前后參數對比

2.4 優化節水

循環水節水措施有如下3方面：①根據氣溫變化和循環水品質實時調節循環用量；②根據裝置實際情況停用烷基化油產品冷卻器和液化氣產品冷卻器；③實現精細卡邊操作，各產品出裝置溫度按照工藝卡片上限進行控制。綜合下來循環水用量由開工初期的1 240 t/h降至2019年12月的900 t/h，裝置能耗降低41.8 MJ/t。復合空氣冷卻器的除鹽水消耗量優化空間很小，而且降低除鹽水消耗就意味著需要多開空氣冷卻風機，電耗將增加，優化意義不大。

3 下一步優化建議

3.1 工藝介質低溫熱回收利用

針對烷基化裝置的低溫熱利用，首先需要尋求合適的熱阱與其匹配[5]。模擬計算結果表明，脫輕烴塔塔底物料所攜帶的低溫熱利用率很低，大部分熱量需要后續加氫產物冷卻器來降溫至工藝需要的溫度，循環水耗量較大。建議增加脫輕烴塔塔底物料與脫異丁烷塔進料換熱流程，適當提高脫異丁烷塔進料溫度，降低塔底重沸器蒸汽消耗。脫異丁烷塔進料通過換熱器與烷基化油換熱，烷基化油換熱終溫為59 ℃，脫異丁烷塔進料溫度約為49 ℃，比設計值低16 ℃，如果增加脫輕烴塔塔底物料與脫異丁烷塔進料換熱流程則可提高脫異丁烷塔進料溫度至65 ℃，可減少1.0 MPa蒸汽消耗2.0 t/h，同時可以降低加氫產物冷卻器的循環水耗量。

3.2 低溫熱水回收利用

烷基化裝置處理量為33 t/h，原料進裝置溫度為33.3 ℃，原料經過與脫輕烴塔塔底出料換熱至44.9 ℃進加氫反應器，46.5 ℃的加氫產物進脫輕烴塔脫除丙烷和含氧化合物。脫輕烴塔塔底溫度為98 ℃，使用5.0 t/h的1.0 MPa蒸汽作重沸器熱源。烷基化裝置自產179 ℃凝結水30 t/h，硫磺回收裝置產90 ℃凝結水60 t/h，這部分凝結水目前沒有合適的利用途徑，所攜帶的低溫熱大部分被浪費。建議增加1臺脫輕烴塔塔底重沸器，新增低溫熱水回用流程，采用低溫熱水作熱源，既可有效回收這部分低溫熱量，也可大幅降低1.0 MPa蒸汽耗量。

3.3 部分機泵增設低壓變頻器

烷基化裝置的機泵大部分為屏蔽泵，該類型泵的特性決定負荷范圍為70%～100%，可調范圍小，加上部分機泵原始設計流量嚴重偏大，存在“大馬拉小車”的問題，操作難度大。為了滿足設備平穩運行需要，冷劑循環泵、酸烴聚結器罐底泵等機泵被迫增加最小流量線，依靠大量的內循環來維持機泵運行。建議對存在上述問題的機泵增設低壓變頻器，通過變頻調節降低機泵負荷，停用內循環流程，進一步降低裝置電耗。

4 結 論

針對SINOALKY硫酸法烷基化裝置能耗偏高的現狀，深入分析了1.0 MPa蒸汽、循環水和除鹽水耗量高的原因，采取了4方面的節能措施，取得了良好效果：3個分餾塔進行降溫降壓操作后，累計減少1.0 MPa蒸汽耗量9.0 t/h，裝置能耗降低1 200.914 MJ/t；停用反應流出物酸堿水洗流程后，可節約用電102.95 kW·h，節約除鹽水7 t/h，裝置能耗可降低69.806 MJ/t，同時還可減少外排含鹽污水7 t/h，減少使用12%(w)的NaOH溶液0.1 t/h；降低制冷壓縮機防喘振流量后，可節約3.5 MPa蒸汽3.0 t/h，裝置能耗降低463.98 MJ/t；采取節水措施后，裝置能耗降低41.8 MJ/t。

以上為單因素測算，幾項措施合計降低裝置能耗1 776.5 MJ/t，統籌考慮裝置的烷基化油收率波動、主要用能介質的品質變化和操作平穩率變化的影響后，截至2019年12月烷基化裝置能耗已由開工初期的6 064.762 MJ/t降至2019年12月的4 598 MJ/t以下，節能降耗成效顯著。下一步裝置如果能通過技術改造，實現工藝介質低溫熱和凝結水低溫熱的回收利用，部分機泵增設變頻器，裝置能耗將進一步降低。