SINOALKY硫酸法烷基化裝置用能分析及優(yōu)化

劉 健，楊躍進(jìn)，黃永芳，宋曉峰

(1.中國(guó)石化洛陽(yáng)分公司，河南 洛陽(yáng)471012；2.洛陽(yáng)石化工程設(shè)計(jì)有限公司)

中國(guó)石化洛陽(yáng)分公司0.20 Mt/a硫酸法烷基化裝置采用中國(guó)石化石油化工科學(xué)研究院、洛陽(yáng)工程公司、石家莊煉化分公司和華東理工大學(xué)等單位聯(lián)合開(kāi)發(fā)的易維護(hù)低溫硫酸烷基化(SINOALKY)工藝技術(shù)[1-4]，工藝流程由原料預(yù)處理、烷基化反應(yīng)、反應(yīng)-流出物精制、產(chǎn)品分餾及化學(xué)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(kāi)工建設(shè)，2019年3月建成中交，2019年7月23日投料一次開(kāi)車成功。裝置的主要能耗介質(zhì)為3.5 MPa蒸汽、1.0 MPa蒸汽、電、循環(huán)水和除鹽水等，設(shè)計(jì)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(yōu)化措施，并提出下一步節(jié)能措施。

1 用能現(xiàn)狀和原因分析

1.1 用能現(xiàn)狀

表1為0.20 Mt/a硫酸法烷基化裝置實(shí)際能耗與設(shè)計(jì)值的比較。由表1可見(jiàn)，與同類裝置相比，0.20 Mt/a硫酸法烷基化裝置原始設(shè)計(jì)能耗偏高，能耗主要集中在制冷壓縮機(jī)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(kāi)工后第一個(gè)月(2019年8月)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，裝置綜合能耗為6 064.762 MJ/t，較設(shè)計(jì)值高288.002 MJ/t，其中循環(huán)水、除鹽水、凝結(jié)水和1.0 MPa蒸汽的單耗較設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)值分別偏低647.064 MJ/t和160.93 MJ/t。

表1 能耗實(shí)際值與設(shè)計(jì)值的比較 MJ/t

凝結(jié)水熱輸出單耗為煉油廠全流程平衡數(shù)據(jù)，裝置無(wú)法控制，除此之外，裝置用能優(yōu)化方向應(yīng)集中于降低1.0 MPa蒸汽、循環(huán)水和除鹽水消耗。其中循環(huán)水設(shè)計(jì)耗量為786.8 t/h，實(shí)際耗量為1 240 t/h，主要用點(diǎn)為全裝置15臺(tái)冷換設(shè)備；除鹽水設(shè)計(jì)耗量為9.36 t/h，實(shí)際耗量為13.49 t/h，主要用點(diǎn)為全裝置4組復(fù)合空氣冷卻器；1.0 MPa蒸汽為裝置制冷壓縮機(jī)背壓自產(chǎn)，設(shè)計(jì)耗量為-1.4 t/h，實(shí)際耗量為2.85 t/h，主要用點(diǎn)為裝置3個(gè)分餾塔塔底的4臺(tái)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(zhì)[1]有關(guān)，主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：一是原料中有效烯烴總體積分?jǐn)?shù)為29.67%，比設(shè)計(jì)值低7.05百分點(diǎn)，原料烷烯摩爾比(異丁烷體積分?jǐn)?shù)與有效烯烴體積分?jǐn)?shù)之比)達(dá)到1.47，造成異丁烷過(guò)剩，脫異丁烷塔負(fù)荷較設(shè)計(jì)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?jǐn)?shù)為23.96%，較設(shè)計(jì)值高6.27百分點(diǎn)，造成脫正丁烷塔負(fù)荷較設(shè)計(jì)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(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值，為了確保丙烷和含氧化合物的徹底脫除，脫輕烴塔負(fù)荷遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值，塔底重沸器的蒸汽耗量增大。

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

2 節(jié)能措施

2.1 分餾塔降溫降壓操作

裝置3臺(tái)分餾塔分別是脫輕烴塔、脫異丁烷塔和脫正丁烷塔，對(duì)應(yīng)的塔底重沸器分別是E103，E303AB，E305，基于裝置原料性質(zhì)和生產(chǎn)現(xiàn)狀，為了進(jìn)一步降低1.0 MPa蒸汽耗量，裝置歷時(shí)3個(gè)月嘗試逐步對(duì)3個(gè)分餾塔進(jìn)行降溫降壓操作。結(jié)果表明在滿足生產(chǎn)需要的同時(shí)達(dá)到了降低1.0 MPa蒸汽耗量的目的。表2為調(diào)整前后各分餾塔操作參數(shù)比較。由表2可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化調(diào)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(jì)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(zhì)脫除徹底，異丁烷、正丁烷、烷基化油的產(chǎn)品質(zhì)量均合格。

表2 調(diào)整前后各分餾塔操作參數(shù)比較

2.2 停用反應(yīng)產(chǎn)物酸堿水洗流程

反應(yīng)流出物經(jīng)酸烴分離罐和兩級(jí)臥式酸烴精細(xì)聚結(jié)器后，反應(yīng)流出物中的總硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)能穩(wěn)定控制在10 μg/g以下，基于此，從工藝防腐和節(jié)能降耗兩方面考慮，嘗試將反應(yīng)流出物酸堿水洗流程全部停用，反應(yīng)流出物經(jīng)過(guò)聚結(jié)分離后直接進(jìn)入分餾單元進(jìn)行產(chǎn)品分離。反應(yīng)流出物酸堿水洗流程停用后相關(guān)的9臺(tái)機(jī)泵即可停用，可節(jié)電102.95 kW·h，另外可節(jié)約除鹽水7 t/h，裝置能耗可降低69.806 MJ/t，同時(shí)，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(jī)防喘振流量

烷基化壓縮機(jī)是由沈陽(yáng)透平機(jī)械股份有限公司制造的2MCL605兩段壓縮機(jī)和杭州汽輪機(jī)股份有限公司制造的NG32/25型背壓式汽輪機(jī)組成，壓縮機(jī)軸封選用迷宮密封+串聯(lián)式帶中間迷宮密封的干氣密封系統(tǒng)，動(dòng)力介質(zhì)為3.5 MPa蒸汽。壓縮機(jī)出口有兩級(jí)防喘振流程，一級(jí)加氣至壓縮機(jī)入口，二級(jí)加氣至壓縮機(jī)二段入口，用來(lái)防止壓縮機(jī)喘振。但機(jī)組原始設(shè)計(jì)余量較大，滿負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)機(jī)組能力僅利用80%左右，為確保機(jī)組工況穩(wěn)定，仍需要利用防喘振來(lái)補(bǔ)充入口流量，既不節(jié)能也不經(jīng)濟(jì)。為此，從工藝和設(shè)備兩方面進(jìn)行探索，工藝上嘗試降低壓縮機(jī)出口冷劑罐罐頂壓力，從工藝上改善機(jī)組運(yùn)行工況；設(shè)備上與壓縮機(jī)和汽輪機(jī)廠家溝通，適當(dāng)修改壓縮機(jī)防喘振線，并在保證壓縮機(jī)和汽輪機(jī)安全運(yùn)行的條件下，適當(dāng)降低壓縮機(jī)允許最低轉(zhuǎn)速。

經(jīng)過(guò)近一個(gè)月的嘗試，在維持反應(yīng)溫度0 ℃不變的前提下，壓縮機(jī)出口壓力降低了0.08 MPa，壓縮機(jī)的兩級(jí)防喘振流量閥可以自控關(guān)閉，調(diào)節(jié)閥關(guān)閉前后相關(guān)參數(shù)變化如表3所示。由表3可知，防喘振調(diào)節(jié)閥關(guān)閉后，可節(jié)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(diào)節(jié)閥關(guān)閉前后參數(shù)對(duì)比

2.4 優(yōu)化節(jié)水

循環(huán)水節(jié)水措施有如下3方面：①根據(jù)氣溫變化和循環(huán)水品質(zhì)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)循環(huán)用量；②根據(jù)裝置實(shí)際情況停用烷基化油產(chǎn)品冷卻器和液化氣產(chǎn)品冷卻器；③實(shí)現(xiàn)精細(xì)卡邊操作，各產(chǎn)品出裝置溫度按照工藝卡片上限進(jìn)行控制。綜合下來(lái)循環(huán)水用量由開(kāi)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(fù)合空氣冷卻器的除鹽水消耗量?jī)?yōu)化空間很小，而且降低除鹽水消耗就意味著需要多開(kāi)空氣冷卻風(fēng)機(jī)，電耗將增加，優(yōu)化意義不大。

3 下一步優(yōu)化建議

3.1 工藝介質(zhì)低溫?zé)峄厥绽?/h3>

針對(duì)烷基化裝置的低溫?zé)崂茫紫刃枰獙で蠛线m的熱阱與其匹配[5]。模擬計(jì)算結(jié)果表明，脫輕烴塔塔底物料所攜帶的低溫?zé)崂寐屎艿停蟛糠譄崃啃枰罄m(xù)加氫產(chǎn)物冷卻器來(lái)降溫至工藝需要的溫度，循環(huán)水耗量較大。建議增加脫輕烴塔塔底物料與脫異丁烷塔進(jìn)料換熱流程，適當(dāng)提高脫異丁烷塔進(jìn)料溫度，降低塔底重沸器蒸汽消耗。脫異丁烷塔進(jìn)料通過(guò)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(jìn)料溫度約為49 ℃，比設(shè)計(jì)值低16 ℃，如果增加脫輕烴塔塔底物料與脫異丁烷塔進(jìn)料換熱流程則可提高脫異丁烷塔進(jìn)料溫度至65 ℃，可減少1.0 MPa蒸汽消耗2.0 t/h，同時(shí)可以降低加氫產(chǎn)物冷卻器的循環(huán)水耗量。

3.2 低溫?zé)崴厥绽?/h3>

烷基化裝置處理量為33 t/h，原料進(jìn)裝置溫度為33.3 ℃，原料經(jīng)過(guò)與脫輕烴塔塔底出料換熱至44.9 ℃進(jìn)加氫反應(yīng)器，46.5 ℃的加氫產(chǎn)物進(jìn)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(chǎn)179 ℃凝結(jié)水30 t/h，硫磺回收裝置產(chǎn)90 ℃凝結(jié)水60 t/h，這部分凝結(jié)水目前沒(méi)有合適的利用途徑，所攜帶的低溫?zé)岽蟛糠直焕速M(fèi)。建議增加1臺(tái)脫輕烴塔塔底重沸器，新增低溫?zé)崴赜昧鞒?，采用低溫?zé)崴鳠嵩矗瓤捎行Щ厥者@部分低溫?zé)崃?，也可大幅降?.0 MPa蒸汽耗量。

3.3 部分機(jī)泵增設(shè)低壓變頻器

烷基化裝置的機(jī)泵大部分為屏蔽泵，該類型泵的特性決定負(fù)荷范圍為70%～100%，可調(diào)范圍小，加上部分機(jī)泵原始設(shè)計(jì)流量嚴(yán)重偏大，存在“大馬拉小車”的問(wèn)題，操作難度大。為了滿足設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行需要，冷劑循環(huán)泵、酸烴聚結(jié)器罐底泵等機(jī)泵被迫增加最小流量線，依靠大量的內(nèi)循環(huán)來(lái)維持機(jī)泵運(yùn)行。建議對(duì)存在上述問(wèn)題的機(jī)泵增設(shè)低壓變頻器，通過(guò)變頻調(diào)節(jié)降低機(jī)泵負(fù)荷，停用內(nèi)循環(huán)流程，進(jìn)一步降低裝置電耗。

4 結(jié) 論

針對(duì)SINOALKY硫酸法烷基化裝置能耗偏高的現(xiàn)狀，深入分析了1.0 MPa蒸汽、循環(huán)水和除鹽水耗量高的原因，采取了4方面的節(jié)能措施，取得了良好效果：3個(gè)分餾塔進(jìn)行降溫降壓操作后，累計(jì)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(yīng)流出物酸堿水洗流程后，可節(jié)約用電102.95 kW·h，節(jié)約除鹽水7 t/h，裝置能耗可降低69.806 MJ/t，同時(shí)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(jī)防喘振流量后，可節(jié)約3.5 MPa蒸汽3.0 t/h，裝置能耗降低463.98 MJ/t；采取節(jié)水措施后，裝置能耗降低41.8 MJ/t。

以上為單因素測(cè)算，幾項(xiàng)措施合計(jì)降低裝置能耗1 776.5 MJ/t，統(tǒng)籌考慮裝置的烷基化油收率波動(dòng)、主要用能介質(zhì)的品質(zhì)變化和操作平穩(wěn)率變化的影響后，截至2019年12月烷基化裝置能耗已由開(kāi)工初期的6 064.762 MJ/t降至2019年12月的4 598 MJ/t以下，節(jié)能降耗成效顯著。下一步裝置如果能通過(guò)技術(shù)改造，實(shí)現(xiàn)工藝介質(zhì)低溫?zé)岷湍Y(jié)水低溫?zé)岬幕厥绽?，部分機(jī)泵增設(shè)變頻器，裝置能耗將進(jìn)一步降低。