烷基化裝置節(jié)能優(yōu)化實踐

何曉京

（中國石油化工股份有限公司鎮(zhèn)海煉化分公司，浙江寧波 315207）

隨著人們環(huán)保意識的增強(qiáng)和環(huán)保法規(guī)的限制，世界范圍內(nèi)清潔汽油標(biāo)準(zhǔn)向著低硫、低烯烴、低芳烴以及高辛烷值方向發(fā)展。煉油工業(yè)面臨更加苛刻的挑戰(zhàn)，不僅燃料產(chǎn)品的指標(biāo)日益嚴(yán)格，而且生產(chǎn)過程也要求更加清潔環(huán)保。2017年國內(nèi)汽油質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)從國Ⅳ升級到國Ⅴ，硫含量由50 ppm下降至10 ppm，烯烴含量由28%下降至24%；2019年從國Ⅴ升級至國Ⅵ，其中烯烴含量由24%逐漸下降至15%，芳烴含量由40%下降至35%，對汽油池的調(diào)和組分要求越來越高。

我國的汽油組分構(gòu)成中，催化裂化汽油的比例高達(dá)76.7%，重整汽油約占15%，烷基化汽油僅占0.2%～0.5%[1]。由于催化汽油烯烴含量在30%左右、芳烴含量在20%左右，重整汽油芳烴和苯含量高，作為調(diào)和組分均已不能滿足汽油升級需求。

烷基化油具有辛烷值高、不含烯烴及芳烴、敏感性小、調(diào)和性好、揮發(fā)性好和燃燒清潔等優(yōu)點，無論是生產(chǎn)高標(biāo)號汽油，還是航空汽油，烷基化油都是理想的組分，效益巨大。隨著全球汽油品質(zhì)的同步提升，烷基化油在汽油中占比還會繼續(xù)攀升，生產(chǎn)烷基化油已經(jīng)是煉油企業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

近幾年，國有大型石化企業(yè)及各大民營煉廠都在積極籌備烷基化裝置建設(shè)投產(chǎn)。鎮(zhèn)海某廠烷基化項目2015年完成可研報告，2018年完成詳細(xì)設(shè)計并開始建設(shè)，2020年1月份裝置運(yùn)行正常。2020年某集團(tuán)投產(chǎn)烷基化裝置平均能耗約156千克標(biāo)油/噸，將對煉廠總體能耗產(chǎn)生較大影響。

1 烷基化裝置能耗組成

鎮(zhèn)海某廠烷基化裝置加工量30萬噸/年。裝置由原料加氫精制、烷基化反應(yīng)、制冷壓縮、流出物精制、產(chǎn)品分餾、化學(xué)處理部分組成。

烷基化裝置雖為煉油裝置，但其加工量按產(chǎn)品烷基化油計算，能耗計量方式采用化工裝置計量，因此原料性質(zhì)越好，裝置能耗越低。該廠烷基化裝置能耗98.3千克標(biāo)油/噸，由循環(huán)水、除鹽水、用電、3.5 MPa蒸汽、1.0 MPa蒸汽、凝結(jié)水組成，具體見表1。能耗主項是背壓式制冷壓縮機(jī)使用的3.5 MPa蒸汽，為138.5千克標(biāo)油/噸，占總能耗的140.9%。實際上由于背壓式制冷壓縮機(jī)是3.5 MPa背壓至1.0 MPa蒸汽，其能耗折標(biāo)系數(shù)按12千克標(biāo)油計算更合適（3.5 MPa蒸汽減去1.0 MPa蒸汽折標(biāo)系數(shù)），壓縮機(jī)單項使用能耗為18.9千克標(biāo)油/噸，占比為19.2%。1.0 MPa蒸汽外輸25.7 t/h，由于制冷壓縮機(jī)產(chǎn)生57 t/h，脫輕烴塔、脫異丁烷塔和脫正丁烷塔塔底熱源使用1.0 MPa蒸汽，其實際消耗蒸汽即凝結(jié)水用量為31.3 t/h，能耗單項為65.7千克標(biāo)油/噸，占總能耗66.8%。凝結(jié)水的輸出與蒸汽用量相關(guān)；其他能耗部分分別是循環(huán)水，為水冷器使用；除鹽水主要是水洗及濕式空冷使用，其能耗占比不大。從能耗組成看，主要是制冷壓縮機(jī)及各分離塔使用蒸汽占很大比重，因此節(jié)能關(guān)鍵在于制冷壓縮機(jī)和1.0 MPa蒸汽的使用。

表1 烷基化裝置能耗組成

2 烷基化裝置節(jié)能優(yōu)化

烷基化裝置是汽油產(chǎn)品升級的重要組成部分，但其能耗高，對煉廠的能耗影響較大，為此烷基化的節(jié)能優(yōu)化有重要意義。該文主要通過壓縮機(jī)操作優(yōu)化、各分離塔優(yōu)化、裝置低溫?zé)崧?lián)合等措施，對烷基化裝置進(jìn)行節(jié)能降耗。

2.1 制冷壓縮機(jī)節(jié)能優(yōu)化

制冷壓縮機(jī)節(jié)能一是壓縮機(jī)驅(qū)動形式；二是壓縮機(jī)運(yùn)行優(yōu)化，包括反喘振閥門開度、節(jié)能罐投用、丙烷濃度的控制等。

2.1.1 制冷壓縮機(jī)驅(qū)動形式對烷基化裝置能耗影響

制冷壓縮機(jī)驅(qū)動一種是使用電機(jī)，另一種是蒸汽，蒸汽驅(qū)動又可分為背壓式和凝汽式。制冷壓縮機(jī)驅(qū)動形式對裝置能耗影響很大，其中凝汽式能耗最高，背壓式能耗最低，電機(jī)驅(qū)動的能耗在兩者之間。以催化裂化裝置（加工量160萬噸/年）氣壓機(jī)為例，目前使用的是1.0 MPa蒸汽冷凝成凝結(jié)水作為壓縮機(jī)驅(qū)動，將使用3.5 MPa蒸汽背壓成1.0 MPa蒸汽及電機(jī)驅(qū)動進(jìn)行了能耗對比見表2，從表中看出背壓式壓縮機(jī)能耗是凝汽式的1/3，是電機(jī)驅(qū)動的3/4，背壓式壓縮機(jī)節(jié)能效果明顯最優(yōu)。

表2 壓縮機(jī)不同驅(qū)動形式的能耗數(shù)據(jù)

鎮(zhèn)海某廠烷基化裝置制冷壓縮機(jī)能耗單項為18.9千克標(biāo)油/噸，見表3，而某石化烷基化裝置處理量、工藝包及工藝路線與鎮(zhèn)海某廠一致，其壓縮機(jī)驅(qū)動方式使用電力，其能耗單項為27.2千克標(biāo)油/噸，因此就制冷壓縮機(jī)能耗單項，鎮(zhèn)海某廠就降低了8.3千克標(biāo)油/噸。制冷壓縮機(jī)使用背壓機(jī)項具備的前提條件是3.5 MPa蒸汽有富余，背壓后的1.0 MPa蒸汽有地方可以用，即蒸汽使用和消耗需要全廠做平衡優(yōu)化。

表3 烷基化裝置制冷壓縮機(jī)不同驅(qū)動方式能耗對比

2.1.2 制冷壓縮機(jī)運(yùn)行優(yōu)化

由于烷基化反應(yīng)是放熱反應(yīng)，采用循環(huán)冷劑工藝為反應(yīng)器提供冷量，帶走反應(yīng)熱。由于循環(huán)冷劑的主要組成為異丁烷和丙烷，在制冷流程中設(shè)置節(jié)能罐，即制冷壓縮機(jī)出口物流經(jīng)過濕式空冷冷凝為液相后，首先進(jìn)入節(jié)能罐經(jīng)初步降壓閃蒸出富丙烷輕組分進(jìn)入壓縮機(jī)二級補(bǔ)氣口，液相再進(jìn)入閃蒸罐通過二次降壓閃蒸出富異丁烷組分進(jìn)入壓縮機(jī)一級入口，這樣通過分級閃蒸可降低制冷壓縮機(jī)一級入口的壓縮量，降低壓縮功率。

制冷壓縮機(jī)在生產(chǎn)運(yùn)行中，首要關(guān)注節(jié)能罐是否投用，節(jié)能罐的投用會增加操作復(fù)雜度，但對于裝置節(jié)能非常有好處。另需要關(guān)注反喘振閥操作。鎮(zhèn)海某廠烷基化裝置設(shè)置兩級反喘振，一級反喘振一級壓縮機(jī)出口返回至壓縮機(jī)入口，二級反喘振閥由壓縮機(jī)出口返回至一級壓縮機(jī)出口。設(shè)置兩級反喘振考慮了能力梯級使用，日常控制過程中反喘振閥位控制盡量小甚至全關(guān)，使操作點接近反喘振曲線卡邊控制，減少氣體循環(huán)量，從而減少能耗浪費(fèi)。該廠壓縮機(jī)開工后一級防喘振閥開度約19%，具有較大節(jié)能空間，其運(yùn)行點離反喘振曲線控制線有較大余地，經(jīng)逐步關(guān)閉反喘振閥門開度至8%，落實節(jié)能方案。實施后減少9 t/h蒸汽用量，節(jié)能量2.95千克標(biāo)油/噸。

制冷壓縮機(jī)的冷卻量一般通過控制氣相中丙烷含量實現(xiàn)，丙烷含量越高，壓縮機(jī)所需能耗越高。反應(yīng)溫度通過循環(huán)冷劑量控制，也就是由制冷壓縮機(jī)冷卻量控制，在反應(yīng)溫度有余地情況下，盡量減少氣體中丙烷含量，有利于壓縮機(jī)節(jié)能。表4是某石化烷基化裝置的制冷壓縮機(jī)實際運(yùn)行參加與設(shè)計參數(shù)對比數(shù)據(jù)，從表中可以看出，丙烷含量設(shè)計值20%，而實際運(yùn)行值為12%，在制冷量要求不變的情況下，采用適當(dāng)外甩循環(huán)冷劑中丙烷組分的方法降低壓縮機(jī)出口操作壓力。壓縮機(jī)出口壓力設(shè)計值由0.72 MPa逐步降低至0.34 MPa，壓縮機(jī)軸功率由1 883 kW降低至1 000 kW，裝置能耗較設(shè)計值低8.53千克標(biāo)油/噸[2]。

表4 壓縮氣體丙烷含量不同對能耗影響

2.2 各分餾塔操作優(yōu)化

烷基化裝置共有三個分餾塔，分別是預(yù)加氫單元的脫輕烴塔、產(chǎn)品分餾單元的脫異丁烷塔和脫正丁烷塔，其塔底熱源一般使用1.0 MPa蒸汽，該用量為32.2 t/h，占總能耗71.5%，若可降低蒸汽使用量，烷基化能耗將大幅度下降。各塔1.0 MPa蒸汽具體使用量見下表5，脫異丁烷塔蒸汽用量最大，其次是脫輕烴塔，最少的是脫正丁烷塔。

表5 各分餾塔1.0 MPa蒸汽使用量

脫異丁烷塔著重控制異丁烷純度，純度越高回流量越大，蒸汽消耗量越大，正常情況下一般控制在85%以上即可。脫正丁烷塔是為了控制正丁烷純度及烷基化油蒸汽壓，與脫異丁烷塔控制類似，正丁烷純度越高回流量越大，蒸汽消耗量將越大。正丁烷作為產(chǎn)品外賣，一般需要純度在99.9%以上，蒸汽耗量大而且不容易達(dá)到。正丁烷作為該廠溶劑脫瀝青溶劑或乙烯裂解原料，純度要求不高控制在95%以上。裝置開工運(yùn)行平穩(wěn)后，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)以及流程模擬軟件核算進(jìn)行優(yōu)化見表6，節(jié)能優(yōu)化前后脫異丁烷塔、脫正丁烷塔蒸汽減少了6 t/h，能耗降低19.15千克標(biāo)油/噸。

表6 各分餾塔1.0 MPa蒸汽使用量優(yōu)化情況

脫輕烴塔主要脫除輕烴及預(yù)加氫過剩氫氣，也可通過降低塔壓、回流及塔底溫度優(yōu)化節(jié)約部分1.0 MPa蒸汽。脫輕烴塔另一個目的是脫除二甲醚、絕大部分的甲醇和飽和水（烷基化原料為醚后C4，雜質(zhì)主要來源于上游MTBE），降低塔壓會導(dǎo)致易溶于水的醚類、醇類物質(zhì)難以分離，容易隨C4帶入烷基化反應(yīng)系統(tǒng)致硫酸消耗增加。因此優(yōu)化調(diào)整脫輕烴塔操作的同時還需跟蹤烷基化反應(yīng)單元操作工況變化如C4原料雜質(zhì)含量、反應(yīng)酸濃度、酸耗等，綜合考慮從而做到裝置效益最大化。

2.3 低溫?zé)岬睦?/h3>

由于面臨著熱值低、找熱阱難等困難，盡管出現(xiàn)熱泵、低溫?zé)岚l(fā)電等諸多新技術(shù)，煉廠低溫?zé)岬幕厥张c利用進(jìn)展依舊難度較大。但低溫?zé)嵊捎谄淇偭靠捎^，其回收與利用必將成為煉廠降低能耗的主要努力方向。

低溫?zé)峄厥找环矫媸请p倍節(jié)能，另一方面可節(jié)約大量冷卻設(shè)備投資。更重要的是可在能級合理使用上獲得重大效益，節(jié)約燃料油、蒸汽等高品位能量[3]。

2.3.1 凝結(jié)水的低溫?zé)崂?/p>

該烷基化裝置各分餾塔塔底1.0 MPa蒸汽產(chǎn)生的凝結(jié)水溫度在140 ℃左右，該部分凝結(jié)水至凝結(jié)水回收裝置溫度應(yīng)低于90 ℃，需要增設(shè)冷卻設(shè)施。目前凝結(jié)水的余熱進(jìn)行了充分利用，作為脫異丁烷塔的中間重沸器具體流程見下圖1，溫度由143 ℃下降至81 ℃，減少了塔底重沸器能耗，1.0 MPa蒸汽用量由23.5 t/h下降至19.7 t/h，裝置能耗下降8.1千克標(biāo)油/噸，同時冷卻后冷凝水可直接至凝結(jié)水回收裝置。該措施做到了雙倍節(jié)能，一方面減少冷卻凝結(jié)水的循環(huán)水用量，另一方面降低了脫異丁烷塔的塔底熱源。

2.3.2 脫輕烴塔與其他裝置熱聯(lián)合

脫輕烴塔正常操作時，塔底溫度在98～108 ℃，其塔底重沸器熱源一般溫位在140 ℃以上即可，可選擇熱源有0.4 MPa飽和蒸汽（近距離可以使用，遠(yuǎn)距離輸送過程中由于飽和蒸汽部分冷凝成液態(tài)水容易水擊）、高溫凝結(jié)水、催化裝置及S-zorb裝置穩(wěn)定塔穩(wěn)定汽油等物料，做到裝置之間低溫?zé)崧?lián)合，見圖1。

圖1 脫異丁烷使用凝結(jié)水中間重沸器流程

2.4 其他操作優(yōu)化

烷基化反應(yīng)烷烯比、反應(yīng)溫度、硫酸濃度等對烷基化油的產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要。一般烷烯比越高，烷基化油產(chǎn)品質(zhì)量越高；但過高的烷烯比會導(dǎo)致異丁烷循環(huán)量增加，能耗存在較大浪費(fèi)。因此在烷基化油產(chǎn)品合格的情況下一般烷烯比控制在9∶1，低于該控制指標(biāo)，烷基化油辛烷值及干點指標(biāo)變差較明顯。反應(yīng)溫度越低，烷基化油產(chǎn)品質(zhì)量越高；但過低反應(yīng)溫度一方面增加制冷壓縮機(jī)負(fù)荷，同時反應(yīng)器攪拌電機(jī)功率也會增加，能耗增加，酸烴分離也會變得困難，建議反應(yīng)溫度控制在7 ℃左右。

烷基化丙烷精制單元可根據(jù)其他煉廠烷基化運(yùn)行情況，并結(jié)合本煉廠實際需要，考慮停用該單元，減少裝置能耗。流出物精制單元也可在保證質(zhì)量及系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定基礎(chǔ)上，逐漸調(diào)整堿水洗滌和水洗量，節(jié)省堿液和除鹽水用量，減少堿液加熱蒸汽用量。

烷基化裝置主要是機(jī)泵和濕式空冷用電。機(jī)泵需要根據(jù)實際運(yùn)行情況與設(shè)計工況對比考察流量及揚(yáng)程是否相符并進(jìn)行優(yōu)化節(jié)能；濕式空冷視運(yùn)行負(fù)荷、環(huán)境溫度等情況優(yōu)化空冷器運(yùn)行臺數(shù)減少裝置用電量。

3 結(jié)論

某廠30萬噸/年烷基化裝置制冷壓縮機(jī)使用背壓式蒸汽驅(qū)動能耗較電力驅(qū)動低8.3千克標(biāo)油/噸；通過優(yōu)化反喘振閥，運(yùn)行點卡邊操作，反喘振開度由19%下降至8%，能耗下降2.95千克標(biāo)油/噸；通過凝結(jié)水低溫?zé)崂茫粌H節(jié)約了凝結(jié)水冷卻所需能量，同時把該部分熱量用于分離塔的重沸熱源，節(jié)約能耗8.1千克標(biāo)油/噸；同時通過各分離塔操作優(yōu)化，至少可降低能耗10千克標(biāo)油/噸以上。通過上述幾項優(yōu)化，裝置能耗至少可降低30千克標(biāo)油/噸；裝置高負(fù)荷運(yùn)行情況下能耗可保持在95千克標(biāo)油/噸以下，節(jié)能效果顯著。