賈繼龍，葉昊天，常文暢，董宏光

（大連理工大學(xué) 化工學(xué)院，遼寧 大連 116024）

煉廠干氣主要來自于原油的一次、二次加工過程（如常減壓蒸餾、催化裂化、延遲焦化、催化重整與烷烴脫氫等），富含氫氣與輕烴資源[1]。以前國內(nèi)大部分煉廠的干氣都送去燃料管網(wǎng)或直接排放至火炬燃燒[2]。近些年來，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所針對乙烯濃度較高的催化裂化干氣開發(fā)了干氣制乙苯技術(shù)，以尋求乙烯的優(yōu)化利用[3]。然而，大部分干氣仍未得到充分的回收利用，造成了資源的極大浪費(fèi)。隨著我國“碳達(dá)峰”與“碳中和”目標(biāo)的提出和日益嚴(yán)格的環(huán)保要求，如何對煉廠干氣進(jìn)行有效利用成為了企業(yè)的關(guān)注重點(diǎn)。2010年以來，中國石化北京化工研究院（以下簡稱為北化院）開發(fā)了一系列干氣淺冷油吸收技術(shù)回收干氣中的C2組分，得到的C2提濃氣可作為乙烯裝置的原料[4-9]。2011年，國內(nèi)首套干氣淺冷油吸收裝置在中國石化齊魯石化公司開車成功[10]。但傳統(tǒng)工藝中將干氣吸收與甲烷解吸集成在一個(gè)塔設(shè)備中進(jìn)行，這可能會造成能耗較高的問題。

本工作采用流程模擬軟件Aspen PlusⅤ11.0，熱力學(xué)方法選擇了適用于輕烴體系的Peng-Robinson方程，對干氣淺冷油吸收技術(shù)進(jìn)行了模擬與優(yōu)化；采用將干氣吸收過程與甲烷解吸過程拆分至兩個(gè)獨(dú)立的塔設(shè)備中完成的改進(jìn)工藝，并對甲烷解吸塔壓力進(jìn)行優(yōu)化，以降低裝置能耗。

1 工藝流程簡述

圖1為北化院干氣淺冷油吸收傳統(tǒng)工藝流程。由圖1可知，為了獲得較好的吸收效果，淺冷油吸收工藝適合的吸收壓力為3.5～4.0 MPa（表壓，下同），而上游不同裝置送來的煉廠干氣壓力不同，且均低于吸收壓力，所以需要先對干氣進(jìn)行壓縮。使用7 ℃冷凍水將干氣壓縮機(jī)組出口流股冷卻到15 ℃后再進(jìn)入C4吸收塔，使用以混合丁烷為主的C4吸收劑進(jìn)行吸收，在塔上部設(shè)置一臺中間冷卻器提高吸收效果[11]。C4吸收塔塔頂?shù)玫降奈幢晃盏妮p組分主要為甲烷和H2，還夾帶有少量的C4吸收劑，需要送入汽油吸收塔，使用汽油作為吸收劑回收其中的C4組分。為了控制提濃氣中甲烷的濃度，在C4吸收塔塔釜使用再沸器將甲烷汽提出去[12]。C4吸收塔塔底得到的富C4吸收劑進(jìn)入C4解吸塔，塔頂經(jīng)冷凝后得到合格的C2提濃氣產(chǎn)品，塔底貧C4作為熱源送至C4吸收塔下部的中間再沸器，再經(jīng)冷卻水與7 ℃冷凍水冷卻后循環(huán)回C4吸收塔利用。為防止C5，C6等重組分積累，需抽出一股循環(huán)C4送出裝置，抽出的輕烴可以送去輕烴裂解爐。從汽油吸收塔塔頂?shù)玫降募淄楹虷2混合氣體可作為燃料氣，塔底得到的富汽油送入汽油穩(wěn)定塔，塔頂C4回收利用，塔底貧汽油冷卻后循環(huán)回汽油吸收塔。所有塔釜再沸器均使用低壓蒸汽加熱。北化院傳統(tǒng)工藝中，C4吸收塔同時(shí)具有從干氣中吸收C2組分和脫除塔釜吸收劑夾帶的甲烷兩個(gè)作用，實(shí)際上是將吸收塔疊加在汽提塔上方，物流可通過自壓輸送，這樣固然能夠節(jié)省一部分封頭、裙座、流體輸送設(shè)備的投資和占地，但是也帶來了一些問題：1）從原理上進(jìn)行分析，在干氣中吸收C2組分是一個(gè)物理吸收過程，壓力越高，溫度越低，吸收效果越好，而從塔釜解吸甲烷是一個(gè)依靠加熱的熱解吸過程，壓力越低，溫度越高，解吸效果越好；2）從整體上考慮，將兩個(gè)原理上完全相反的操作單元集成在一個(gè)設(shè)備中進(jìn)行，可能并不合適。經(jīng)過初步估算，C4吸收塔塔釜再沸器消耗的蒸汽約占整個(gè)裝置蒸汽消耗量的40%。這是由于工藝需要保證C2回收率，所以吸收塔在3.5～4.0 MPa的高壓下操作，導(dǎo)致解吸的能耗非常大且塔釜溫度較高，需要使用低壓蒸汽加熱[13]。

圖1 干氣淺冷油吸收傳統(tǒng)工藝流程Fig.1 Dry gas shallow-cool oil-absorption traditional process.

天津大學(xué)李鑫鋼等[14]為獲得高純度乙烯，參考吸收-穩(wěn)定工藝，對油吸收法進(jìn)行了改進(jìn)，在工藝流程中單獨(dú)設(shè)置了一個(gè)解吸塔，但解吸塔壓力依然比吸收塔高，塔釜還要使用蒸汽加熱，主要研究了在新的產(chǎn)品要求下不同操作參數(shù)對能耗的影響，但并沒有從根本上解決問題。北化院對工藝流程進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)置了一個(gè)單獨(dú)的低壓甲烷解吸塔來脫除甲烷，操作壓力在1.5 MPa左右，塔釜溫度約為70 ℃，使用C4解吸塔塔底的貧C4吸收劑作為再沸器熱源，不需額外投入熱公用工程[15]。北化院改進(jìn)工藝中限制了甲烷解吸塔只使用裝置內(nèi)工藝物流加熱，不需投入公用工程，但未對甲烷解吸塔壓力對工藝總能耗的影響做詳細(xì)分析。

本工作將甲烷解吸塔壓力作為自由端，設(shè)定可使用公用工程進(jìn)行加熱，根據(jù)不同溫度選擇對應(yīng)等級的蒸汽或煉廠低溫余熱為熱源，對北化院改進(jìn)工藝流程進(jìn)行模擬與優(yōu)化，通過靈敏度分析找出最優(yōu)的甲烷解吸塔壓力[14]。圖2為改進(jìn)的工藝流程。由圖2可知，C4吸收塔不設(shè)置再沸器，在3.5～4.0 MPa的壓力下完成吸收過程，塔底得到的富C4先進(jìn)入甲烷解吸塔把甲烷解吸出去。甲烷解吸塔為只有再沸器的汽提塔，塔壓比C4吸收塔低，塔釜溫度低于100 ℃，使用煉廠低溫余熱加熱。此時(shí)北化院工藝將C4解吸塔塔底貧C4作為熱源直接送至甲烷解吸塔再沸器的換熱方案不再適用。甲烷解吸塔壓力降低后，C4解吸塔進(jìn)料（甲烷解吸塔釜液）溫度下降，導(dǎo)致C4解吸塔再沸器蒸汽消耗量增加，所以應(yīng)當(dāng)先使用C4解吸塔塔底貧C4對其進(jìn)料預(yù)熱，盡量節(jié)省蒸汽，然后再給甲烷解吸塔中間再沸器供熱，節(jié)省低溫余熱。甲烷解吸塔塔頂出來的循環(huán)干氣中還有一部分C2，由于壓力比C4吸收塔低，所以需要通過循環(huán)干氣壓縮機(jī)加壓后送回C4吸收塔再吸收，其余部分與北化院傳統(tǒng)工藝相同。

圖2 干氣淺冷油吸收改進(jìn)工藝流程Fig.2 Improved process for dry gas shallow-cool oil-absorption.

2 參數(shù)選取與流程模擬

2.1 參數(shù)選取

采用三段式壓縮機(jī)增壓，以多股煉廠干氣為原料，干氣的組成見表1?；旌螩4為吸收劑（參考中國石化齊魯石化公司已經(jīng)工業(yè)化的裝置）[16]。用于回收燃料氣中夾帶C4的汽油吸收塔和汽油穩(wěn)定塔負(fù)荷不大，能耗較低，因此在后續(xù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中均忽略。工藝的控制指標(biāo)為：C2回收率不低于90%，C2提濃氣中甲烷含量不高于5%（x），C4及以上組分含量不高于4%（x）。

2.2 原工藝模擬

使用表1中的干氣原料，按照圖1描述的北化院傳統(tǒng)工藝進(jìn)行模擬，在保證工藝控制指標(biāo)合格的情況下對各工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得到了基礎(chǔ)工況。主要設(shè)備的模擬結(jié)果和工藝參數(shù)見表2。主要物流的組成見表3。

表1 干氣組成Table 1 Dry gas composition

表2 主要設(shè)備的模擬結(jié)果和工藝參數(shù)Table 2 Simulation results and process parameters of main equipment

表3 主要物流的組成Table 3 Composition of the main streams

2.3 改進(jìn)工藝模擬

固定基礎(chǔ)工況與其他參數(shù)不變，保留C4吸收塔干氣進(jìn)料塔板上方的第25塊塔板作為改進(jìn)工藝的C4吸收塔，進(jìn)料塔板下方的塔板及再沸器單獨(dú)設(shè)置為甲烷解吸塔，用來脫除吸收劑夾帶的過量甲烷。在

此基礎(chǔ)上，按照圖2描述的改進(jìn)工藝流程，分別對甲烷解吸塔壓力與塔釜溫度、解吸再生能耗、解吸效果、循環(huán)干氣壓縮機(jī)負(fù)荷等變量進(jìn)行靈敏度分析，找出綜合能耗最低時(shí)的甲烷解吸塔壓力最優(yōu)值。

2.3.1 甲烷解吸塔壓力對塔釜溫度和壓縮機(jī)負(fù)荷的影響

甲烷解吸塔壓力降低后，可降低塔釜再沸器負(fù)荷和塔釜溫度，節(jié)省操作費(fèi)用，但是需要消耗壓縮機(jī)的電功將解吸出的循環(huán)干氣送回C4吸收塔。壓力越低，塔釜再沸器所用的公用工程等級越低，但壓縮機(jī)的操作費(fèi)用越高。固定其他參數(shù)與基礎(chǔ)工況不變，對甲烷解吸塔壓力與甲烷解吸塔塔釜溫度和循環(huán)干氣壓縮機(jī)負(fù)荷進(jìn)行靈敏度分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 甲烷解吸塔壓力對塔釜溫度和壓縮機(jī)負(fù)荷的影響Fig.3 Influence of methane desorption tower pressure on column kettle temperature and compressor duty.

由圖3可知，隨著甲烷解吸塔壓力降低，循環(huán)干氣壓縮機(jī)負(fù)荷逐漸上升，甲烷解吸塔塔釜溫度逐漸下降。當(dāng)甲烷解吸塔壓力低于2.8 MPa時(shí)，塔釜溫度低于100 ℃，能夠使用煉廠低溫余熱，而循環(huán)干氣壓縮機(jī)的負(fù)荷不低于70 kW，負(fù)荷并不大，這是因?yàn)榻馕龅难h(huán)干氣溫度在20 ℃左右，溫度較低，體積流量也小。因此，適宜的甲烷解吸塔壓力應(yīng)低于2.8 MPa。

2.3.2 甲烷解吸塔壓力對解吸再生能耗的影響

干氣淺冷油吸收工藝解吸再生過程能耗由兩部分組成，一部分是甲烷解吸塔塔釜再沸器負(fù)荷，另一部分是C4解吸塔塔釜再沸器負(fù)荷。固定其他參數(shù)與基礎(chǔ)工況不變，對甲烷解吸塔壓力與甲烷解吸塔和C4解吸塔塔釜再沸器負(fù)荷進(jìn)行靈敏度分析，為了便于比較，以下數(shù)據(jù)是在不設(shè)置中間再沸器條件下模擬得到的，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，隨著壓力的降低，甲烷解吸塔塔釜再沸器負(fù)荷呈現(xiàn)線性下降的趨勢，但C4解吸塔塔釜再沸器負(fù)荷卻快速上升。這是因?yàn)榧淄榻馕毫档秃?，不只降低塔釜再沸器?fù)荷，同時(shí)也降低了塔釜溫度，而甲烷解吸塔塔釜出料是C4解吸塔進(jìn)料，實(shí)際上是降低了C4解吸塔進(jìn)料溫度，導(dǎo)致C4解吸塔塔釜再沸器負(fù)荷上升。因此，甲烷解吸塔壓力的選取必須綜合考慮對C4解吸塔的影響。

圖4 甲烷解吸塔壓力對解吸再生能耗的影響Fig.4 Influence of methane desorption tower pressure on energy consumption of desorption regeneration.

2.3.3 甲烷解吸塔壓力對解吸效果的影響

由于甲烷解吸塔是汽提塔，塔壓將會直接影響解吸分離的效果，固定其他參數(shù)與基礎(chǔ)工況不變，對甲烷解吸塔壓力與塔釜采出物流中甲烷量和C2量進(jìn)行靈敏度分析，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，隨著甲烷解吸塔壓力降低，塔釜采出物流中甲烷量逐漸上升，由296 kg/h升至500 kg/h，而C2量從9 266 kg/h降至9 147 kg/h，解吸效果隨塔壓降低變差，后續(xù)會導(dǎo)致C2回收率與提濃氣中甲烷含量不達(dá)標(biāo)。這是因?yàn)?，雖然低壓有利于解吸，但是甲烷解吸塔降壓過程中塔內(nèi)溫度也隨之降低，低溫對于解吸過程是不利因素，最終在降壓和降溫的綜合作用下，甲烷解吸塔表現(xiàn)出解吸效果隨塔壓降低而變差的現(xiàn)象。為了抵消這部分負(fù)面影響，需要增加少量的C4吸收劑以保證工藝控制指標(biāo)達(dá)到要求。然而，增加C4吸收劑會導(dǎo)致制冷、塔釜再沸器蒸汽等消耗量增加，所以降低甲烷解吸塔壓力時(shí)必須綜合考慮增加C4吸收劑量所帶來的影響。

圖5 甲烷解吸塔壓力對解吸效果的影響Fig.5 Influence of methane desorption tower pressure on desorption.

2.3.4 甲烷解吸塔壓力對綜合能耗的影響

基于以上三點(diǎn)的分析，初步確定了甲烷解吸塔壓力應(yīng)當(dāng)?shù)陀?.8 MPa，塔釜溫度低于100 ℃，使用煉廠低溫余熱加熱。在增加一定C4吸收劑量來滿足工藝控制指標(biāo)的情況下，分析了甲烷解吸塔壓力對綜合能耗的影響，為了方便對比，折算為標(biāo)準(zhǔn)油計(jì)算[17]，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，工藝綜合能耗隨著甲烷解吸塔壓力降低先快速下降，在2.7 MPa處達(dá)到最小值為2 148.32 kg/h（標(biāo)準(zhǔn)油），然后緩慢上升。這是因?yàn)樵谳^高壓力區(qū)間2.7～3.6 MPa內(nèi)，壓力降低一方面可節(jié)省公用工程消耗量，另一方面能降低公用工程的等級，使得能耗水平大幅下降。當(dāng)壓力低于2.7 MPa時(shí)，壓力降低只能節(jié)省一部分低溫余熱消耗量，而循環(huán)干氣壓縮機(jī)電功的上升與整體C4吸收劑增加所帶來的能耗增加占據(jù)主導(dǎo)，所以綜合能耗有所上升。因此，甲烷解吸塔壓力最優(yōu)值為2.7 MPa，此時(shí)工藝綜合能耗水平最低，相當(dāng)于每小時(shí)消耗2 148.32 kg（標(biāo)準(zhǔn)油）。

圖6 甲烷解吸塔壓力對綜合能耗的影響Fig.6 Influence of methane desorption tower pressure on total energy consumption.

3 結(jié)果與討論

采用流程模擬軟件確定干氣淺冷油吸收傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)工況。然后為甲烷解吸過程單獨(dú)設(shè)置一座低壓甲烷解吸塔，模擬干氣淺冷油吸收改進(jìn)工藝，并對塔壓進(jìn)行優(yōu)化，確定了最優(yōu)值為2.7 MPa，而原料干氣中也有一股對應(yīng)壓力等級的干氣，因此可將甲烷解吸塔解吸出的循環(huán)干氣與此干氣混合送入干氣壓縮機(jī)組，無需再設(shè)置循環(huán)干氣壓縮機(jī)，得到最終優(yōu)化后的工況。表4為兩個(gè)工況的主要物流組成。由表4可知，兩個(gè)工況的C2提濃氣產(chǎn)品流量和組成幾乎相同，均可達(dá)到工藝要求，其中改進(jìn)工藝的C4吸收劑使用量稍有增加，比基礎(chǔ)工況多了1.02 t/h。

表4 兩個(gè)工況的主要物流組成Table 4 The main streams composition for two operation conditions

表5為兩個(gè)工況的公用工程消耗量與能耗。由表5可知，改進(jìn)后工況比基礎(chǔ)工況增加了一座汽提塔，低壓蒸汽負(fù)荷減少了3 645.38 kW，節(jié)省了40.25%的蒸汽，電耗和冷劑消耗量稍有增加，循環(huán)冷卻水用量略有減少。將替換低壓蒸汽的煉廠余熱折算為標(biāo)準(zhǔn)油計(jì)算在內(nèi)后，整體上改進(jìn)后工況的綜合能耗比基礎(chǔ)工況降低了338.83 kg/h（標(biāo)準(zhǔn)油），能夠使綜合能耗降低13.62%。由于最終優(yōu)化結(jié)果顯示無需增設(shè)壓縮機(jī)，所以改進(jìn)后工況在設(shè)備上與基礎(chǔ)工況相比，只增加了一座汽提塔用以解吸甲烷，且甲烷解吸塔只是壓力降低，總理論塔板數(shù)不變，與基礎(chǔ)工況的C4吸收塔相比較，再沸器數(shù)量與塔高并沒有增加。

表5 兩個(gè)工況的公用工程消耗量與能耗Table 5 Utilities and energy consumption for two casesoperation conditions

4 結(jié)論

1）對干氣淺冷油吸收傳統(tǒng)工藝與改進(jìn)工藝進(jìn)行了模擬與分析，認(rèn)為改進(jìn)工藝中將C4吸收塔下部的甲烷解吸過程單獨(dú)設(shè)置一座低壓甲烷解吸塔更合理，在降低塔釜再沸器負(fù)荷的同時(shí)還能降低塔釜溫度，當(dāng)壓力低于2.8 MPa時(shí)，塔釜溫度低于100 ℃，可以使用煉廠低溫余熱替代蒸汽。

2）隨著甲烷解吸塔壓力的降低，塔釜溫度逐漸下降，壓縮機(jī)整體負(fù)荷增加不明顯，而C2提濃氣產(chǎn)品中甲烷含量越來越高，需要增加少量的C4吸收劑以保證工藝控制指標(biāo)達(dá)到要求。

3）通過Aspen Plus模擬軟件對甲烷解吸塔壓力進(jìn)行了優(yōu)化，確定了塔壓在2.7 MPa時(shí)工藝綜合能耗最低，改進(jìn)工藝與傳統(tǒng)工藝相比，增加了一座汽提塔，節(jié)省了40.25%的蒸汽，能夠使綜合能耗降低13.62%，具有十分顯著的效益。