牛東會，席紹然，程建豐，張晉清

(中國石化洛陽分公司，河南 洛陽 471012)

近年來，隨著綠色可持續(xù)發(fā)展理念的提出及環(huán)保要求的提高，我國在采取一系列節(jié)能減排舉措的同時，對汽油的質(zhì)量進行規(guī)范化管理，2016年12月，環(huán)境保護部和國家質(zhì)檢總局聯(lián)合發(fā)布《輕型汽車污染物排放限值及測量方法》，并從2019年1月起，在全國范圍內(nèi)執(zhí)行國Ⅵ車用汽油A階段標準，意味著對汽油中芳烴、烯烴及硫的含量進行了嚴格限制[1]。而由異構(gòu)烷烴和烯烴在強酸催化作用下進行烷基化反應(yīng)生成的烷基化油，具有不含芳烴、不含烯烴、低硫、低蒸氣壓、低敏感度且高辛烷值的優(yōu)良性能，被越來越廣泛地應(yīng)用于清潔汽油的調(diào)合中。市場對烷基化油的需求逐年擴大，使得烷基化裝置已成為煉油廠必不可少的重要加工裝置之一[2]。

烷基化反應(yīng)為不可逆放熱反應(yīng)，低溫有利于反應(yīng)進行，因此中國石化洛陽分公司(簡稱洛陽石化)200kt/a烷基化裝置于2019年7月一次性開車成功后，一直在低溫環(huán)境下平穩(wěn)運行。該裝置的主要能耗介質(zhì)為蒸汽、循環(huán)水、除鹽水及電能等，本研究通過對蒸汽、循環(huán)水及除鹽水等主要能耗的設(shè)計值與實際值進行對比，針對實際值高于設(shè)計值及能耗占比較大的情況采取相應(yīng)節(jié)能降耗措施，通過措施的實施為裝置帶來一定經(jīng)濟效益[3]。

1 200 kt/a硫酸法烷基化裝置簡介

洛陽石化200 kt/a烷基化裝置采用SINOALKY硫酸法烷基化工藝技術(shù)，以 MTBE 裝置提供的醚后碳四餾分為原料，以硫酸為催化劑[4-5]，生產(chǎn)高辛烷值汽油調(diào)合組分烷基化油[6]。該裝置主要包含原料預處理單元、烷基化反應(yīng)單元、制冷單元、反應(yīng)產(chǎn)物精制單元及產(chǎn)品分餾單元。從MTBE 裝置來的醚后碳四原料經(jīng)加氫反應(yīng)器和脫輕烴塔脫除丁二烯、輕組分及部分含氧化合物后進入烷基化反應(yīng)單元。預處理后的碳四原料與冷劑異丁烷、循環(huán)異丁烷混合，經(jīng)換熱器和聚結(jié)器進行換熱降溫、脫水后進入烷基化反應(yīng)器，并在硫酸催化下進行反應(yīng)。反應(yīng)后的產(chǎn)物進入自汽化閃蒸罐，閃蒸出的氣相輕烴進入制冷單元，經(jīng)壓縮機壓縮后循環(huán)回反應(yīng)器，提供維持烷基化低溫反應(yīng)所需的異丁烷；罐底酸相經(jīng)泵增壓后返回烷基化反應(yīng)器入口；中部烴相經(jīng)過酸烴聚結(jié)器脫除攜帶的酸類、硫酸酯類等雜質(zhì)后進入流出物分餾單元的脫異丁烷塔。脫異丁烷塔塔頂氣經(jīng)過冷凝后進入脫異丁烷塔回流罐，一部分異丁烷回流至塔內(nèi)，一部分循環(huán)回烷基化反應(yīng)部分以保證反應(yīng)原料的烷烯比適當，多余部分作為異丁烷產(chǎn)品出裝置，脫異丁烷塔塔底產(chǎn)物進入脫正丁烷塔。脫正丁烷塔塔頂氣經(jīng)冷凝后進入脫異正烷塔回流罐，一部分回流至塔內(nèi)，另一部分作為正丁烷產(chǎn)品出裝置，塔底烷基化油經(jīng)換熱器降溫后出裝置[7]。

2 200 kt/a硫酸法烷基化裝置能耗分析

2.1 裝置用能狀況分析

表1為洛陽石化200 kt/a硫酸法烷基化裝置2020年蒸汽、循環(huán)水及除鹽水等能耗及其占比的實際值與設(shè)計值對比情況。由表1可知，2020年裝置平均綜合能耗為5 992.29 MJ/t，其中，1.0 MPa蒸汽、循環(huán)水、除鹽水及凝結(jié)水能耗較設(shè)計值分別高180.15，72.46，7.26，357.70 MJ/t，3.5 MPa蒸汽和電能較設(shè)計值分別低426.50 MJ/t和35.54 MJ/t，整體較設(shè)計值高215.53 MJ/t。3.5 MPa蒸汽在實際值和設(shè)計值中的能耗占比分別為80%和90%左右，占比較大。裝置凝結(jié)水受全廠生產(chǎn)控制，本裝置單獨對其優(yōu)化的意義不大。在對2020年能耗分析的基礎(chǔ)上，2021年重點對能耗高出設(shè)計值的1.0 MPa蒸汽、循環(huán)水、除鹽水及能耗占比較大的3.5 MPa蒸汽進行分析并采取措施以節(jié)能降耗。

表1 不同介質(zhì)能耗及其占比的實際值與設(shè)計值對比

2.2 裝置能耗大的原因分析

裝置3.5 MPa蒸汽用來驅(qū)動壓縮機制冷以滿足反應(yīng)所需的低溫環(huán)境，其能耗受裝置負荷影響，能耗較大可能是由于裝置在低負荷下運行時未及時對壓縮機轉(zhuǎn)速和出口壓力進行調(diào)整所致。此外，1.0 MPa蒸汽主要用于裝置脫輕烴塔及脫異/正丁烷塔塔底再沸器，能耗高于設(shè)計值主要由以下3個原因造成：一是原料中摻煉重整液化氣，導致輕組分和烷烴含量較高，為保證分離效果，使得3個塔底再沸器熱負荷增大；二是這3個塔的塔底再沸器均采用1.0 MPa蒸汽作為換熱介質(zhì)，未充分利用自產(chǎn)的凝結(jié)水作為換熱介質(zhì)，導致蒸汽耗量增大；三是裝置低溫熱利用率較低，導致蒸汽耗量最大的脫異丁烷塔進料溫度較設(shè)計值低16 ℃，在增加其再沸器熱負荷的同時，加大了蒸汽能耗。

裝置循環(huán)水主要用于采樣器、冷卻器及機泵冷卻，其用量較大。一是采樣器在投用循環(huán)水時，未對投用前后采樣介質(zhì)溫度進行對比，沒有及時停用部分采樣器循環(huán)水，導致大量循環(huán)水浪費；二是未根據(jù)裝置負荷、產(chǎn)品要求及天氣變化而及時對機泵和冷卻器的循環(huán)水用量進行調(diào)整。此外，裝置除鹽水主要用于濕式空氣冷卻器、堿液配置和機泵沖洗，能耗較高。一是受各塔進料量影響，進料量大會增加空氣冷卻器除鹽水用量；二是未嚴格控制酸罐溫度，造成酸霧處理量加大，導致堿液置換次數(shù)及除鹽水用量加大；三是巡檢維修力度不夠，且未根據(jù)實際情況和天氣變化及時停用機泵沖洗所用除鹽水。

3 裝置節(jié)能降耗措施

3.1 蒸汽的節(jié)能降耗措施

通過對烷基化裝置成本核算發(fā)現(xiàn)，蒸汽成本占總成本比例較大，約占50%～70%。因此，要降低生產(chǎn)成本首先要考慮通過裝置流程及參數(shù)優(yōu)化來減少蒸汽用量[8]。

3.1.1 壓縮機轉(zhuǎn)速的優(yōu)化

3.5 MPa蒸汽主要用于裝置驅(qū)動制冷壓縮機，其用量取決于裝置負荷，也就是說由烷基化反應(yīng)放熱量和反應(yīng)溫度決定。烷基化反應(yīng)溫度通過壓縮機轉(zhuǎn)速控制，壓縮機轉(zhuǎn)速影響閃蒸取熱罐內(nèi)異丁烷的汽化量。轉(zhuǎn)速過低，會導致閃蒸罐溫度升高，影響產(chǎn)品質(zhì)量；轉(zhuǎn)速過高，異丁烷汽化量增大，會使閃蒸罐溫度過低，增加裝置能耗。因此，通過降低壓縮機轉(zhuǎn)速來節(jié)約3.5 MPa蒸汽用量的措施需在產(chǎn)品質(zhì)量及工藝條件滿足要求前提下實施[9]。壓縮機轉(zhuǎn)速又與壓縮機出口壓力相對應(yīng)，表2是不同壓縮機轉(zhuǎn)速及出口壓力下閃蒸罐溫度與蒸汽耗量。

表2 不同壓縮機轉(zhuǎn)速與出口壓力下閃蒸罐溫度與蒸汽耗量

由表2可知，當壓縮機轉(zhuǎn)速由5 723 r/min逐漸降至4 609 r/min、出口壓力由0.43 MPa降至0.29 MPa時，3.5 MPa蒸汽用量降低11.75 t/h，在能耗降低2 396.86 MJ/t的同時，可節(jié)省蒸汽費用2 368.93萬元/a。對產(chǎn)品質(zhì)量進行檢測，結(jié)果符合要求。

3.1.2 脫異丁烷塔操作參數(shù)的優(yōu)化

脫異丁烷塔是主要產(chǎn)品分餾設(shè)備。產(chǎn)品經(jīng)換熱器換熱后進入脫異丁烷塔；塔頂氣相冷卻后進入脫異丁烷塔回流罐，回流罐中異丁烷一部分回流至脫異丁烷塔以保持塔頂組分分餾精度；同時塔底設(shè)有再沸器提供塔釜組分汽化所需熱量，保持塔釜組分分餾精度。塔底再沸器由1.0 MPa蒸汽供給熱量，因此，塔底再沸器成為1.0 MPa蒸汽的主要能耗場所。脫異丁烷塔回流量增大會導致塔內(nèi)過量異丁烷組分下移，相應(yīng)再沸器的熱負荷和蒸汽用量將增大。因此，在保證脫異丁烷塔分餾精度滿足循環(huán)異丁烷純度要求的情況下，可通過降低塔內(nèi)回流量來減少1.0 MPa蒸汽用量[10-11]。脫異丁烷塔塔壓的降低能夠增大異丁烷與正丁烷間的分離度，適當降低塔壓能夠降低分餾所需回流量。逐步對脫異丁烷塔回流量與塔頂壓力進行優(yōu)化，調(diào)整前后操作參數(shù)與蒸汽耗量見表3。

表3 脫異丁烷塔回流量及塔頂壓力調(diào)整前后操作參數(shù)與蒸汽耗量

由表3可知，當脫異丁烷塔塔壓由0.52 MPa降至0.45 MPa、回流量由105 t/h降至85 t/h時，塔底再沸器1.0 MPa蒸汽用量減少3.34 t/h，裝置累計降低的能耗和蒸汽費用分別為588.41 MJ/t和631.4萬元/a?；亓髁康慕档蜁档退敭惗⊥榧兌?，但仍滿足循環(huán)異丁烷純度要求。

3.1.3 脫正丁烷塔操作參數(shù)的優(yōu)化

脫異丁烷塔塔底餾分進入脫正丁烷塔，由于脫正丁烷塔中重組分烷基化油和輕組分正丁烷的相對揮發(fā)度相差較大，分餾相對容易。此外由于產(chǎn)出的烷基化油蒸氣壓較低，為保證烷基化油雷德蒸氣壓在合適范圍內(nèi)，在生產(chǎn)中允許產(chǎn)品攜帶少量正丁烷。因此，對于脫正丁烷塔輕、重組分的分餾，采用較小回流比既可通過減小正丁烷的脫除率來提高烷基化油蒸氣壓，又可提高烷基化油收率，同時還可減少塔底再沸器1.0 MPa蒸汽用量[12]。綜上所述，在實際生產(chǎn)中常采用降低塔頂回流量來降低塔底再沸器1.0 MPa蒸汽能耗。同樣地，適當降低塔壓能夠降低分餾所需回流量。脫正丁烷塔回流量及塔頂壓力調(diào)整前后操作參數(shù)與蒸汽耗量見表4。

表4 脫正丁烷塔回流量及塔頂壓力調(diào)整前后操作參數(shù)與蒸汽耗量

由于脫正丁烷塔在回流比較低的情況下即可滿足生產(chǎn)要求，初始回流比相對較低，因此回流比整體調(diào)整幅度不大。但在相同處理量下，當脫正烷塔回流量由14 t/h降至10 t/h時，塔底再沸器1.0 MPa蒸汽用量由3.53 t/h降至1.75 t/h，可降低能耗313.59 MJ/t，在為企業(yè)創(chuàng)造336.49萬元/a效益的同時，可得到質(zhì)量和收率均較理想的烷基化油。

3.1.4 原料預處理系統(tǒng)的優(yōu)化

洛陽石化烷基化裝置醚后碳四原料中丁二烯含量偏低，考慮停用加氫反應(yīng)器，使醚后碳四原料走跨線直接進入脫輕烴塔，同時提高脫輕烴塔進料溫度來降低塔底再沸器熱負荷，進而減少1.0 MPa蒸汽用量。脫輕烴塔進料預處理系統(tǒng)優(yōu)化前后工藝流程示意見圖1。

圖1 脫輕烴塔進料預處理系統(tǒng)優(yōu)化前后工藝流程示意

通過進料工藝流程優(yōu)化，可使脫輕烴塔進料溫度由55 ℃升至70 ℃，塔底再沸器1.0 MPa蒸汽用量相應(yīng)減少0.2 t/h，降低能耗35.23 MJ/t，節(jié)約成本37.81萬元/a。對優(yōu)化后烷基化油質(zhì)量進行檢測，產(chǎn)品質(zhì)量符合要求。

綜上所述，通過以上蒸汽節(jié)能降耗措施的實施，3.5 MPa蒸汽用量可降低11.75 t/h，能耗降低2 396.86 MJ/t，1.0 MPa蒸汽用量降低5.32 t/h，能耗降低 937.23 MJ/t，兩者累計為企業(yè)創(chuàng)效3 374.63萬元/a。

3.2 循環(huán)水節(jié)能降耗措施

200 kt/a烷基化裝置2020年平均循環(huán)水能耗為155.64 MJ/t，接近設(shè)計值的2倍。裝置循環(huán)水主要用于9臺冷卻采樣器、26臺冷卻器及40臺機泵，其用點多、使用面廣且受外界環(huán)境影響大，為循環(huán)水節(jié)能降耗提供了較大的優(yōu)化空間。

裝置采樣器投用循環(huán)水主要是給介質(zhì)降溫以滿足樣品采出溫度要求，通過對裝置9臺采樣器切除循環(huán)水前后的采樣介質(zhì)溫度進行對比分析得知，可切除燃料氣采樣器、液化氣采樣器、冷劑采樣器、壓縮機出口工藝氣采樣器及凝結(jié)水采樣器5臺采樣器的循環(huán)水供應(yīng)。其次，裝置冷卻器所用循環(huán)水主要是給流經(jīng)介質(zhì)降溫以滿足生產(chǎn)工藝要求，經(jīng)試驗得知，在滿足工藝要求前提下，可停用凝結(jié)水冷卻器、冷劑冷卻器、液化氣產(chǎn)品冷卻器及脫異丁烷塔塔頂后冷卻器4臺對生產(chǎn)影響較小的冷卻器。此外，冷卻器及機泵等相關(guān)設(shè)備負荷受進料量和外界溫度影響較大，應(yīng)根據(jù)進料量、晝夜溫差和季節(jié)變化改變而及時調(diào)整/關(guān)閉循環(huán)水流量、跨線和外排點：利用夏季晝夜溫差較大的特點在優(yōu)化循環(huán)水時，及時在夏季夜間溫度降低后的6 h內(nèi)降低循環(huán)水用量(優(yōu)化時夏季時長按100 d計)；并在冬季氣溫回升的5 h內(nèi)及時關(guān)閉所有機泵循環(huán)水副線和循環(huán)水外排點(優(yōu)化時冬季時長按120 d計)。不同措施下循環(huán)水用量及能耗降低情況見表5。

表5 不同節(jié)能措施下循環(huán)水用量及能耗降低情況

綜上所述，通過以上循環(huán)水節(jié)能措施的實施，且根據(jù)不同措施相對應(yīng)的優(yōu)化時長計算得知，裝置2021年全年平均減少循環(huán)水用量119.55 t/h，降低能耗16.63 MJ/t，為企業(yè)帶來23.04萬元/a效益。

3.3 除鹽水節(jié)能降耗措施

200 kt/a烷基化裝置2020年平均除鹽水能耗較設(shè)計值高7.26 MJ/t，采取相應(yīng)節(jié)能措施來降低除鹽水單耗成為裝置節(jié)能降耗的重點任務(wù)之一。裝置除鹽水用點多、用面廣，使除鹽水工藝調(diào)整及操作具有較大優(yōu)化空間。

烷基化裝置濕式空氣冷卻器通過對風冷后的物料管路噴淋除鹽水來對物料進行再次降溫，物料經(jīng)風冷及空冷雙重冷卻后可達到較好的降溫效果。目前裝置投用的濕式空氣冷卻器共9臺，這些空氣冷卻器因長期高負荷運行會出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，若加強巡檢維修力度，可節(jié)省除鹽水0.1 t/d，降低能耗0.01 MJ/t。其次，應(yīng)根據(jù)晝夜溫差及時調(diào)整除鹽水用量：利用夏季晝夜溫差較大的特點，及時在夏季夜間溫度降低后的6 h內(nèi)降低空氣冷卻器除鹽水用量(優(yōu)化時夏季時長按100 d計)；并在冬季氣溫較低且符合切除條件的19 h內(nèi)切除空氣冷卻器的使用(優(yōu)化時冬季時長按120 d計)，累計降低除鹽水能耗3.14 MJ/t，節(jié)約成本10.1萬元/a。

此外，在對裝置配堿所需除鹽水量進行優(yōu)化時，一方面通過嚴格控制排酸罐和3個酸罐溫度，另一方面通過加強酸堿漏點巡檢及維修力度，在降低酸霧產(chǎn)生量的同時，將含酸氣堿洗塔及酸霧堿洗分液罐內(nèi)堿液置換次數(shù)由每隔3天1次延長至每隔4天1次，一年約減少30次配置，節(jié)省除鹽水2.3 t/h，由于配堿時長為3 h/次，則降低的能耗和成本分別為0.05 MJ/t和0.18萬元/a。另外，裝置上用除鹽水沖洗的機泵分別為2臺中和池連續(xù)排水泵和2臺非連續(xù)泵，針對連續(xù)泵，通過時刻觀察沖洗水壓力與視窗內(nèi)浮球來嚴格控制沖洗水用量，而對非連續(xù)泵，則根據(jù)泵停運狀態(tài)和天氣變化及時切除除鹽水的沖洗，平均節(jié)省除鹽水0.2 t/h，降低能耗0.46 MJ/t，為企業(yè)帶來1.49萬元/a效益。不同措施下除鹽水用量及能耗節(jié)省情況見表6。

表6 不同節(jié)能措施下除鹽水用量及能耗節(jié)省情況

綜上所述，通過以上除鹽水用點及優(yōu)化調(diào)整措施的實施，且根據(jù)不同措施相對應(yīng)的優(yōu)化時長計算得知，裝置2021年全年平均減少循環(huán)水用量1.58 t/h，在能耗降低3.66 MJ/t的同時，為企業(yè)帶來11.8萬元/a效益。

4 結(jié) 論

針對洛陽石化200 kt/a硫酸法烷基化裝置2020年1.0 MPa蒸汽、循環(huán)水及除鹽水實際能耗高于設(shè)計值和3.5 MPa蒸汽能耗占比較大的情況，通過能耗偏高原因的分析與一系列節(jié)能降耗措施的實施，2021年歷時一年的優(yōu)化調(diào)整，3.5 MPa蒸汽、1.0 MPa蒸汽、循環(huán)水及除鹽水能耗分別降低2 396.86，937.23，16.63，3.66 MJ/t，分別創(chuàng)效2 368.93，1 005.70，23.04，11.80萬元/a，累計降低能耗3 354.38 MJ/t，綜合創(chuàng)效3 409.47萬元/a，節(jié)能降耗效果顯著。在優(yōu)化基礎(chǔ)上，希望通過生產(chǎn)技術(shù)路線或主生產(chǎn)設(shè)備改造，提高裝置用能介質(zhì)及其熱量的循環(huán)利用率，進一步實現(xiàn)裝置電能、蒸汽、循環(huán)水及除鹽水等能耗的降低。