氨制冷技術(shù)在輕烴回收工藝中的應(yīng)用

喬愛軍，范傳宏

(中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京100101)

氨制冷技術(shù)在輕烴回收工藝中的應(yīng)用

喬愛軍，范傳宏

(中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京100101)

介紹了神華鄂爾多斯煤制油分公司首次采用液氨為制冷介質(zhì)的輕烴回收工藝，分析了其運(yùn)行情況。結(jié)果表明：采用吸收塔、脫吸塔、穩(wěn)定塔的三塔輕烴回收工藝，吸收塔塔頂溫度控制在18.4 ℃，較之現(xiàn)有成熟的吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的經(jīng)典流程(吸收塔-再吸收塔-脫吸塔-穩(wěn)定塔)節(jié)省了再吸收塔以及相應(yīng)的配套設(shè)備，簡(jiǎn)化了流程配置；產(chǎn)出的干氣中C3+體積分?jǐn)?shù)僅為1.96%，液化氣中C5+體積分?jǐn)?shù)為0.07%，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 1174—1997液化石油氣中C5+體積分?jǐn)?shù)不大于3.0%的要求，并且C3收率為94.0%，比吸收穩(wěn)定系統(tǒng)經(jīng)典流程的C3收率高；原料、制冷的液氨均來(lái)自其它單元，可降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)裝置間資源優(yōu)化和整合。

輕烴回收 液氨 整合 工藝 應(yīng)用

近年來(lái)以C3、C4為原料的低碳化工產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展以及民用液化氣的大量使用，使得輕烴回收在煉油廠的地位與日俱增[1]，再加上高活性裂化催化劑的大量使用，生產(chǎn)的富氣量有所增加。輕烴組成中C4以下組分占80%左右，大多以飽和烴為主，如果不加以回收或者裝置的相應(yīng)改造沒有很好地同步進(jìn)行，不僅會(huì)造成大量資源浪費(fèi)而且會(huì)對(duì)環(huán)境造成破壞[2]。

輕烴回收裝置進(jìn)料中含有大量的飽和烴，飽和烴在一定的溫度、壓力及吸收劑存在下發(fā)生物理吸收過(guò)程。吸收過(guò)程是利用氣體混合物中各組分在液體中的溶解度不同來(lái)分離氣體混合物。由于在裝置操作壓力較低時(shí)，降低溫度是提高收率的唯一途徑，這將對(duì)裝置制冷系統(tǒng)提出更高要求[3]。

吸收是一個(gè)放熱過(guò)程，因而降低溫度有助于提高吸收效果。在一定壓力下，吸收塔的操作溫度越低，其吸收效果越好。夏勇等[4]通過(guò)模擬計(jì)算得出，在1.33 MPa的操作壓力下，吸收塔塔頂貧氣中C3+組分含量隨吸收塔塔頂溫度的降低而降低。并得出C3+組分的含量與塔頂溫度的線性關(guān)系，即Y=0.224 1x+0.229 5，式中：x為吸收塔塔頂操作溫度，℃；Y為干氣中C3+體積分?jǐn)?shù)，%。輕烴裝置主要通過(guò)消耗能量達(dá)到回收液化氣、穩(wěn)定石腦油、降低干氣中C3、C4組分含量的目的，液化氣回收率的高低決定裝置的能耗，液化氣回收率越低，裝置的能耗也就越低。

制冷工藝的選擇主要考慮原料氣的壓力、組成、液烴回收率等因素[5]。目前輕烴回收制冷主要有循環(huán)水冷卻、冷劑淺冷、膨脹機(jī)制冷、混合制冷技術(shù)。當(dāng)伴生氣處理量小、組成較富時(shí)，為了回收C3+烴類，可采用淺冷回收工藝，制冷方法主要采用冷劑制冷、節(jié)流膨脹制冷；當(dāng)伴生氣處理量較大、組成又比較貧、希望回收較多乙烷時(shí)，應(yīng)采用深冷回收工藝，制冷方法主要采用復(fù)疊式制冷、混合冷劑制冷、膨脹機(jī)制冷、冷劑制冷與膨脹機(jī)制冷相結(jié)合的混合制冷工藝[5]。傳統(tǒng)煉油裝置中的輕烴回收裝置多采用水冷的方法，由于受到循環(huán)水溫度的限制，其吸收溫度一般在40 ℃左右，吸收壓力一般控制在2.0 MPa，C3回收率只有92%[6]。由于采用未經(jīng)軟化處理的深井水做為循環(huán)冷卻水，冷換設(shè)備結(jié)垢速率過(guò)快，使得設(shè)備換熱效果不好，常常處于高溫狀態(tài)下運(yùn)行。除循環(huán)水制冷外，國(guó)內(nèi)冷劑制冷工藝發(fā)展迅速，目前國(guó)內(nèi)成熟和應(yīng)用廣泛的制冷工藝有膨脹機(jī)制冷和混合制冷工藝。為了滿足環(huán)境保護(hù)的要求，目前主要采用丙烷壓縮循環(huán)制冷工藝，制冷溫度為-30～-35 ℃，制冷系數(shù)較大[5]。丙烷冷劑可在輕烴回收裝置中自行生產(chǎn)，無(wú)刺激性氣味，該工藝目前在我國(guó)煉油裝置上廣泛應(yīng)用。采用冷劑制冷工藝的裝置，所需要的冷量由獨(dú)立的外部制冷系統(tǒng)提供，不受原料氣貧富程度的限制，對(duì)原料氣的壓力無(wú)嚴(yán)格要求。

神華鄂爾多斯煤制油分公司輕烴回收裝置(以下簡(jiǎn)稱神華煤制油輕烴回收裝置)由中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司(SEI)設(shè)計(jì)，在流程上采用吸收塔、脫吸塔以及穩(wěn)定塔的三塔輕烴回收工藝，首次采用了液氨作為冷卻介質(zhì)，吸收效果好，液化氣回收率高，同時(shí)，該裝置的原料來(lái)自煤液化裝置、加氫穩(wěn)定裝置、加氫改質(zhì)裝置和變壓吸附(PSA)尾氣，液氨來(lái)自煤制氫裝置，降低了全公司的運(yùn)行成本，是優(yōu)異的組合工藝，為其它裝置的新建和改造提供了整合思路。本文主要介紹神華鄂爾多斯煤制油分公司首次采用液氨為制冷介質(zhì)的輕烴回收工藝，并分析其運(yùn)行情況。

1 輕烴回收工藝流程

神華煤制油輕烴回收裝置以煤液化常壓塔塔頂氣、煤液化膜分離尾氣、加氫穩(wěn)定塔塔頂氣、加氫改質(zhì)分餾塔塔頂含硫氣、脫硫裝置凈化中壓氣的變壓吸附(PSA)尾氣為原料，通過(guò)分離獲得液化氣和干氣。為完成輕烴回收任務(wù)，輕烴回收裝置把來(lái)自加氫穩(wěn)定裝置的石腦油作為液體進(jìn)料，也是氣體吸收過(guò)程的液相載體。神華煤制油輕烴回收裝置首次利用液氨(由煤制氫裝置提供)為制冷介質(zhì)，共采用6臺(tái)氨冷器分別對(duì)吸收塔原料、吸收劑、補(bǔ)充吸收劑及3個(gè)中段回流進(jìn)行冷卻。

氣體進(jìn)料經(jīng)氣壓機(jī)壓縮升壓后進(jìn)入吸收穩(wěn)定系統(tǒng)，其中的C3及C3以上組分被石腦油吸收到液相中，同時(shí)液相中的C2及C2以下組分被解吸到解吸氣中，作為干氣送到脫硫裝置。具體流程示意見圖1。

圖1 煤制油輕烴回收工藝流程示意

從圖1可以看出，各原料氣與吸收塔塔底油一起冷卻后進(jìn)入氣液平衡罐，從氣液平衡罐出來(lái)的富氣進(jìn)入吸收塔的下部，自加氫穩(wěn)定系統(tǒng)來(lái)的輕油和穩(wěn)定塔循環(huán)回來(lái)的穩(wěn)定塔塔底油分別作為吸收劑和補(bǔ)充吸收劑進(jìn)入吸收塔的頂部并與進(jìn)入塔底的富氣在塔內(nèi)逆流接觸進(jìn)行吸收，吸收塔中部設(shè)有3個(gè)中段回流取走吸收過(guò)程中放出來(lái)的熱量，將吸收塔塔頂?shù)玫降母蓺馑椭撩摿蜓b置。氣液平衡罐出來(lái)的飽和吸收油分冷、熱兩路進(jìn)入脫吸塔，從脫吸塔中將飽和吸收油中的C2解吸出來(lái)，由于相平衡關(guān)系，一定量的C3、C4也被同時(shí)解吸出來(lái)，因此解吸氣被送到氣液平衡罐中，再進(jìn)入吸收塔回收。將脫吸塔塔底油送入穩(wěn)定塔進(jìn)行液化氣與石腦油的分離，塔頂餾出的氣相經(jīng)冷凝冷卻后變成液化氣，一部分作為塔頂回流返回塔內(nèi)，另一部分經(jīng)泵送到脫硫裝置，塔底液相是密度比液化氣大的穩(wěn)定石腦油，穩(wěn)定石腦油一部分作為改質(zhì)原料自壓到加氫改質(zhì)裝置，另一部分作為補(bǔ)充吸收劑進(jìn)入吸收塔。

2 氨制冷技術(shù)簡(jiǎn)介

考慮到原料氣的特殊性，以及為降低運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)資源整合，煤液化項(xiàng)目輕烴回收裝置采用裝置間的組合工藝。輕烴吸收系統(tǒng)采用煤制氫裝置提供的液氨進(jìn)行冷卻，可循環(huán)使用，通過(guò)各個(gè)氨冷器的液位及氣氨返回壓力來(lái)調(diào)節(jié)氨冷器的冷卻溫度，可以將吸收塔的吸收溫度降至較低溫度而不受循環(huán)水溫度的限制。該工藝比循環(huán)水冷卻工藝水耗少、不需對(duì)污水處理、設(shè)備使用周期長(zhǎng)、不易結(jié)垢、裝置規(guī)模小。另外，由于此工藝為組合工藝，相比單一的液氨深冷技術(shù)，其能耗較低。

3 工業(yè)應(yīng)用

3.1 吸收塔操作條件

吸收塔的設(shè)計(jì)溫度和操作溫度見表1。從表1可見，吸收氣體進(jìn)料溫度、吸收劑進(jìn)料溫度、補(bǔ)充吸收劑進(jìn)料溫度分別為12.6，11.6，12.2 ℃，塔頂溫度為18.4 ℃，塔底溫度為18.2 ℃，操作溫度在設(shè)計(jì)溫度誤差范圍內(nèi)。吸收溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常規(guī)水冷的吸收塔溫度，而吸收塔的操作溫度越低其吸收效果越好。

表1 吸收塔主要控制指標(biāo) ℃

3.2 原料組成

輕烴回收裝置的原料(混合氣)的組成見表2。從表2可以看出，煤液化項(xiàng)目輕烴回收原料氣中氫氣體積分?jǐn)?shù)較高，為45.9%，C3+組分體積分?jǐn)?shù)為12.73%，相比常規(guī)的煉油廠輕烴，可回收的C3+組分較少，輕烴回收的難度大。

表2 混合氣的組成 φ，%

3.3 產(chǎn)品組成

干氣產(chǎn)品組成及液化氣產(chǎn)品組成分別見表3和表4。由表3可見，輕烴回收裝置采用吸收塔、脫吸塔以及穩(wěn)定塔的三塔輕烴回收工藝產(chǎn)出的干氣中C3+組分體積分?jǐn)?shù)為1.96%。在氨為制冷介質(zhì)的吸收塔的吸收效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的經(jīng)典流程(吸收塔-再吸收塔-脫吸塔-穩(wěn)定塔)，干氣中C3、C4含量低，高價(jià)值的液化氣組分得到了有效回收。

表3 干氣產(chǎn)品的組成 φ，%

表4 液化氣產(chǎn)品的組成 φ，%

從表4可以看出，液化氣中C5+體積分?jǐn)?shù)為0.07%，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 1174—1997液化石油氣中C5+體積分?jǐn)?shù)不大于3.0%的要求。

3.4 液化氣回收率

液化氣回收率利用CH4物料平衡法計(jì)算[7]，見式(1)、式(2)，將表2、表3數(shù)據(jù)代入式(1)、式(2)，經(jīng)計(jì)算得到C3收率為94.0%，比吸收-穩(wěn)定系統(tǒng)經(jīng)典流程的C3收率高。

(V1-V2)/V3=V4/V5

(1)

X=V2/V1×100%

(2)

式中：V1為原料氣中C3體積分?jǐn)?shù)，%；V2為原料氣在回收過(guò)程中損失的C3體積分?jǐn)?shù)，%；V3為原料氣中C1體積分?jǐn)?shù)，%；V4為干氣中C3體積分?jǐn)?shù)，%；V5為干氣中C1體積分?jǐn)?shù)，%；X為C3收率，%。

4 結(jié) 論

(1)神華煤制油輕烴回收裝置首次采用液氨為制冷介質(zhì)回收氣體中C3及C3以上組分，產(chǎn)出的干氣中C3+體積分?jǐn)?shù)僅為1.96%，液化氣中C5+體積分?jǐn)?shù)為0.07%，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 1174—1997液化氣中C5+體積分?jǐn)?shù)不大于3.0%的要求，并且C3收率為94.0%，比吸收-穩(wěn)定系統(tǒng)經(jīng)典流程的C3收率高。生產(chǎn)實(shí)踐證明，在只設(shè)一個(gè)吸收塔的工藝條件下采用較低的吸收溫度能夠得到較好的吸收效果，產(chǎn)品質(zhì)量較高，有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

(2)神華煤制油輕烴回收裝置采用的工藝流程與傳統(tǒng)的經(jīng)典工藝流程相似，但與常規(guī)的水冷式的吸收塔相比，其塔徑變小，同時(shí)減少了一個(gè)再吸收塔的設(shè)置，節(jié)省了再吸收塔及相應(yīng)的配套設(shè)備，簡(jiǎn)化了流程配置，是較優(yōu)化的輕烴回收工藝。

(3)神華煤制油輕烴回收裝置的原料來(lái)自3套加氫裝置的分餾塔塔頂氣和煤液化裝置膜分離尾氣及PSA解析氣，集合了分公司各裝置可回收氣體，制冷劑介質(zhì)借助于外部系統(tǒng)提供，有效降低了氨冷的成本，為輕烴回收工藝改進(jìn)及煉油裝置之間的資源優(yōu)化和整合提供了有意義的啟示。

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LIGHT HYDROCARBON RECOVERY BY AMMONIA REFRIGERATION TECHNOLOGY

Qiao Aijun，F(xiàn)an Chuanhong

(SINOPECEngineeringIncorporation，Beijing100101)

The light hydrocarbon recovery process by the use of ammonia refrigeration technology in Shenhua Erdos CTL Branch Co.was introduced.The operation practices indicate that the re-adsorption tower and ancillary facilities can be omitted from the original classical recovery process consisting of adsorption tower，re-adsorption tower，desorption tower and stabilizer when the ammonia technology is used and the temperature at the top of adsorption tower is controlled at 18.4 ℃.The C3+volume fraction in dry gas is only 1.96%，while C5+volume fraction in LPG is 0.07%，which meets the national standard of not more than 3.0%.The C3yield reaches 94.0%，higher than the classical light hydrocarbon recovery process.In addition，raw material and liquid ammonia are from other units which can reduce the production cost and is good for resource optimization and integration between units.

light hydrocarbon recovery； liquid ammonia； integration； process； application

2014-04-04； 修改稿收到日期： 2014-07-21。

喬愛軍，2001年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(北京)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事加氫方面的設(shè)計(jì)與研究工作。

喬愛軍，E-mail：qiaoaijun@sei.com.cn。