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(lián)合開發(fā)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(chǎn)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(zhì)為3.5 MPa蒸汽、1.0 MPa蒸汽、電、循環(huán)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(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(shù)據(jù)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(huán)水、除鹽水、凝結(jié)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(jié)水熱輸出單耗為煉油廠全流程平衡數(shù)據(jù)，裝置無法控制，除此之外，裝置用能優(yōu)化方向應集中于降低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(chǎn)，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(zhì)[1]有關，主要表現(xiàn)在以下3個方面：一是原料中有效烯烴總體積分數(shù)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(shù)與有效烯烴體積分數(shù)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(shù)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(huán)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(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)品攜帶的低溫熱沒有被合理利用，需要大量的循環(huán)水來冷卻降溫達到后續(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(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(zhì)和生產(chǎn)現(xiàn)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(jié)果表明在滿足生產(chǎn)需要的同時達到了降低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，經(jīng)過優(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 停用反應產(chǎn)物酸堿水洗流程

反應流出物經(jīng)酸烴分離罐和兩級臥式酸烴精細聚結(jié)器后，反應流出物中的總硫質(zhì)量分數(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，嘗試將反應流出物酸堿水洗流程全部停用，反應流出物經(jīng)過聚結(jié)分離后直接進入分餾單元進行產(chǎn)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(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，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(lián)式帶中間迷宮密封的干氣密封系統(tǒng)，動力介質(zhì)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(chǎn)時機組能力僅利用80%左右，為確保機組工況穩(wěn)定，仍需要利用防喘振來補充入口流量，既不節(jié)能也不經(jīng)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(zhuǎn)速。

經(jīng)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(diào)節(jié)閥關閉前后相關參數(shù)變化如表3所示。由表3可知，防喘振調(diào)節(jié)閥關閉后，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)閥關閉前后參數(shù)對比

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)實時調(diào)節(jié)循環(huán)用量；②根據(jù)裝置實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實現(xiàn)精細卡邊操作，各產(chǎn)品出裝置溫度按照工藝卡片上限進行控制。綜合下來循環(huán)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(yōu)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(yōu)化意義不大。

3 下一步優(yōu)化建議

3.1 工藝介質(zhì)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(jié)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(xù)加氫產(chǎn)物冷卻器來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(chǎn)物冷卻器的循環(huán)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(jīng)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(chǎn)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(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(diào)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(wěn)運行需要，冷劑循環(huán)泵、酸烴聚結(jié)器罐底泵等機泵被迫增加最小流量線，依靠大量的內(nèi)循環(huán)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(diào)節(jié)降低機泵負荷，停用內(nèi)循環(huán)流程，進一步降低裝置電耗。

4 結(jié) 論

針對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(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(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。

以上為單因素測算，幾項措施合計降低裝置能耗1 776.5 MJ/t，統(tǒng)籌考慮裝置的烷基化油收率波動、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技術改造，實現(xiàn)工藝介質(zhì)低溫熱和凝結(jié)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。