席麗青，段志剛

（奧福科技有限公司江西分公司，江西南昌 330001）

柴油作為一種石油煉制品，具有良好的燃燒性（燃燒性能明顯優(yōu)于0號(hào)柴油），在人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中廣泛用于工業(yè)產(chǎn)業(yè)充當(dāng)動(dòng)力燃料。我國是能源消耗大國，近年來產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，能源短缺與環(huán)境惡化的矛盾日益突出，保護(hù)人類賴以生存的自然環(huán)境的行動(dòng)刻不容緩，因此從資源挖掘和環(huán)境保護(hù)的角度探索尋求可再生能源替代不可再生資源。生物柴油，也叫脂肪酸甲酯，被認(rèn)定為清潔型柴油燃料，其產(chǎn)業(yè)在我國具有相當(dāng)大的發(fā)展空間。同時(shí)作為對(duì)環(huán)境友好的綠色燃料，其能創(chuàng)造較為深遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益，生物柴油的提煉涉及高溫高壓反應(yīng)、強(qiáng)腐蝕性等操作環(huán)境，副產(chǎn)品種類多，產(chǎn)量巨大而工藝繁瑣，因此對(duì)生物柴油的提煉工藝進(jìn)行自控優(yōu)化設(shè)計(jì)尤為重要[1]。

目前，發(fā)展生物柴油產(chǎn)業(yè)的主要障礙是生產(chǎn)成本高。一方面，發(fā)展生物柴油產(chǎn)業(yè)的前提是擁有充足、成本低廉和高質(zhì)量地原料來源；另一方面，對(duì)生物柴油生產(chǎn)工藝進(jìn)行改進(jìn)，提高生物柴油生產(chǎn)過程的轉(zhuǎn)化率，采用更加自動(dòng)化控制進(jìn)行大批量的生產(chǎn)，從而降低生產(chǎn)成本。

1 當(dāng)前問題

1.1 當(dāng)前社會(huì)問題

目前生物柴油以三種油品——廢動(dòng)植物油（預(yù)處理后的地溝油）、酒店（餐飲）煎炸廢油、植物油為原料，主要流程為先酸催化預(yù)酯化，再堿催化轉(zhuǎn)酯化制取脂肪酸甲酯（生物柴油）和副產(chǎn)甘油。高酸值原料油（廢動(dòng)植物油酸值70~130）用硫酸催化預(yù)酯化；植物油原料（酸值0.63）可直接用堿催化轉(zhuǎn)酯化制取脂肪酸甲酯和甘油；預(yù)酯化和轉(zhuǎn)酯化都使用過量甲醇，產(chǎn)物分離后分別脫除甲醇，制得副產(chǎn)物粗甘油及粗品生物柴油，生物柴油經(jīng)進(jìn)一步精制得到符合國際標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。脫除的甲醇精餾提純后回收套用。副產(chǎn)物粗甘油經(jīng)過脫醇后出售。

廢動(dòng)植物油（預(yù)處理后的地溝油）生產(chǎn)工藝，包括機(jī)械過濾等預(yù)處理、預(yù)酯化、離心分離、轉(zhuǎn)酯化、離心分離、甲酯脫醇、甘油脫醇、甲酯粗品脫色、干洗、甲醇精餾回收等工段。

酒店煎炸廢油生產(chǎn)工藝包括機(jī)械過濾預(yù)處理、酯化、轉(zhuǎn)酯化、離心分離、甲酯脫醇、甘油脫醇、甲酯粗品干洗、甲醇精餾回收等工段。

植物油生產(chǎn)工藝包括脫水、預(yù)酯化、酯化及氧化、水洗脫水、精餾等工段。

目前工廠產(chǎn)量輸出較大的主要為采用植物油為原材料進(jìn)行生物柴油的生產(chǎn)，其中重要而危險(xiǎn)度高的工序包括脫水、預(yù)酯化、酯化及氧化、水洗脫水、精餾等工段。

1.2 當(dāng)前技術(shù)

生物柴油的技術(shù)主要采用植物油為原材料進(jìn)行生物柴油的生產(chǎn)，目前該項(xiàng)目生物柴油生產(chǎn)工藝裝置采用了國內(nèi)較成熟的工藝，同國內(nèi)遼寧超維特生物能源有限公司30萬t/a 生物柴油項(xiàng)目、寧波杰森綠色能源科技有限公司年新增2萬t 生物柴油及5 000 t 工業(yè)級(jí)混合油生產(chǎn)技術(shù)改造項(xiàng)目、嘉善盈豐生物能源有限公司年產(chǎn)1萬t 生物柴油項(xiàng)目相同的原輔材料和生產(chǎn)工藝路線進(jìn)行生產(chǎn)，以上產(chǎn)品相關(guān)技術(shù)已經(jīng)成熟可靠，工藝廣泛采用并成熟運(yùn)用。

目前，野生動(dòng)物棲息地的保護(hù)已經(jīng)成為一項(xiàng)非常重要的任務(wù)，為了讓各類野生動(dòng)物有一個(gè)美好的家園，人們應(yīng)該正確樹立保護(hù)野生動(dòng)物的思想意識(shí)，不亂砍亂伐，不肆意殺戮，確保野生動(dòng)物的生存與繁衍。同時(shí)，國家應(yīng)該加大對(duì)野生動(dòng)物棲息地的保護(hù)力度，安排相關(guān)人員在野生動(dòng)物保護(hù)區(qū)堅(jiān)守崗地，在未經(jīng)允許的情況下，禁止任何人進(jìn)入野生動(dòng)物保護(hù)區(qū)，并且倡導(dǎo)周邊的人民群眾一起做好保護(hù)野生動(dòng)物的工作。

1.3 優(yōu)化分析

對(duì)生物柴油生產(chǎn)裝置優(yōu)化屬于安全提升改造工程，從而提高其生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，其中主要對(duì)舊設(shè)備進(jìn)行更換、啟用部分設(shè)備、增加安全系統(tǒng)，同時(shí)縮小產(chǎn)能，生產(chǎn)工藝成熟可靠。

通過對(duì)生物柴油工藝設(shè)備生產(chǎn)線優(yōu)化，可有效發(fā)揮配套綜合優(yōu)勢、增加市場競爭力。優(yōu)化項(xiàng)目將使原有的資源得到更充分的利用，形成資源的循環(huán)利用。優(yōu)化后，有以下特點(diǎn)。

（1）生產(chǎn)工藝、設(shè)備選擇充分考慮了各工序間的銜接，根據(jù)物料量合理搭配，減少各工序中可能發(fā)生的跑、冒、滴、漏。

（2）根據(jù)物料性質(zhì)，本項(xiàng)目的反應(yīng)釜、中間罐等采用搪玻璃、316材料、304或非金屬防腐蝕材料，進(jìn)一步降低反應(yīng)物料對(duì)設(shè)備的腐蝕，保證生產(chǎn)安全性。

（3）原料配制以及生產(chǎn)處于密閉系統(tǒng)，原料通過輸送管道計(jì)量進(jìn)行自動(dòng)控制，操作工人減少了與物料直接接觸的機(jī)會(huì)，能有效降低操作工人的風(fēng)險(xiǎn)。

（4）采用自動(dòng)化控制系統(tǒng)，極大限度減少人與設(shè)備設(shè)施接觸，能有效保障操作的精準(zhǔn)和人員的安全。

本項(xiàng)目生物柴油采用化學(xué)法技術(shù)和工藝，生產(chǎn)的生物柴油采取與0#柴油調(diào)和使用，作為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料。

1.4 當(dāng)前的工藝問題

圖1 工藝流程圖

（1）脫水：植物油脂打入脫水釜，開啟真空泵，通入蒸汽加熱，脫水釜內(nèi)的油脂升溫進(jìn)行脫水。

（2）預(yù)酯化：將甲醇、濃硫酸分別加入預(yù)酯化釜中，將脫水釜內(nèi)脫水后的植物油脂打入到預(yù)酯化釜中，在常壓下通入蒸汽加熱。使植物油脂在濃硫酸的催化作用下進(jìn)行預(yù)酯化反應(yīng)。

（3）酯化及氧化：將預(yù)酯化內(nèi)的溶液打入到酯化釜，分別加入甲醇、濃硫酸、乙酸溶液，在常壓下蒸汽加熱進(jìn)行酯化反應(yīng)，蒸發(fā)出來的氣體去蒸餾系統(tǒng)，分離得到的部分粗甘油、粗乙酸和水的混合液打入氧化反應(yīng)釜中，再向氧化釜內(nèi)一次性加入固體高錳酸鉀，氧化掉混合液中的少量甘油，得到粗乙酸和水混合溶液，混合溶液去蒸餾塔蒸餾后得到副產(chǎn)粗乙酸。酯化釜內(nèi)剩余的溶液進(jìn)行下一步的水洗脫水和精餾。

（4）水洗脫水：酯化釜加入氫氧化鈉水溶液進(jìn)行水洗，直到pH 為7，再進(jìn)行加熱真空脫水。

（5）精餾：將酯化釜的粗生物柴油輸送至精餾一塔，導(dǎo)熱油加熱再沸器，將精餾一塔常壓蒸餾，塔頂采出含有以醋酸甲酯、甲醇等為主的輕組分雜質(zhì)，塔釜采出物輸送至精餾二塔。精餾二塔加壓蒸餾，塔釜采出含有少量生物柴油、甲醇的廢水；在塔頂?shù)玫缴锊裼秃退?、生物柴油和甲醇等共沸物，輸送至精餾三塔進(jìn)料。塔側(cè)線采出氣相甘油副產(chǎn)品。

精餾三塔常壓蒸餾，塔頂?shù)玫缴锊裼秃退?、生物柴油和甲醇等共沸物，輸送至精餾四塔；精餾三塔側(cè)線采出氣相生物柴油產(chǎn)品，塔釜采出高沸點(diǎn)重組分雜質(zhì)——即副產(chǎn)品植物瀝青。

精餾四塔壓力為常壓蒸汽加熱蒸餾，在塔頂分離出含有少量生物柴油、水的廢甲醇以及其他輕組分雜質(zhì)。塔釜物料含有大量的生物柴油，通過泵送至精餾二塔，回收其中的生物柴油產(chǎn)品。

2 控制系統(tǒng)優(yōu)化方案

2.1 危險(xiǎn)度分析

生物柴油提煉工藝過程中涉及的氧化反應(yīng)屬于重點(diǎn)監(jiān)管危險(xiǎn)化工工藝，且氧化反應(yīng)工藝操作方式為半間歇式工藝，根據(jù)相關(guān)規(guī)定，項(xiàng)目需進(jìn)行反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，評(píng)估內(nèi)容根據(jù)氧化反應(yīng)的工況進(jìn)行，得出安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果。

根據(jù)反應(yīng)工藝危險(xiǎn)度等級(jí)，明確安全操作條件，在設(shè)計(jì)過程中指導(dǎo)工藝管道、自動(dòng)儀表控制系統(tǒng)、自動(dòng)報(bào)警與安全儀表系統(tǒng)、物料釋放后的收集與保護(hù)，同時(shí)可為廠區(qū)和周邊區(qū)域制定應(yīng)急預(yù)案等方面提供參考方案、提出安全風(fēng)險(xiǎn)防控建議。

針對(duì)氧化反應(yīng)的安全風(fēng)險(xiǎn)措施優(yōu)化改進(jìn)如下。

通過具有相關(guān)資質(zhì)研究院進(jìn)行反應(yīng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，結(jié)果得出實(shí)際加料速度下氧化反應(yīng)的工藝危險(xiǎn)度評(píng)估為1級(jí)通過反應(yīng)熱分析。

對(duì)于反應(yīng)工藝危險(xiǎn)度分級(jí)為1級(jí)的工藝過程，采用DCS 或 PLC 自動(dòng)控制系統(tǒng)，集中監(jiān)控及自動(dòng)調(diào)節(jié)主要的反應(yīng)參數(shù)。若發(fā)生一次性投料且冷卻失效，反應(yīng)工藝危險(xiǎn)度等級(jí)會(huì)升高，具有潛在熱失控風(fēng)險(xiǎn)。因此，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)設(shè)置DCS 或 PLC 自動(dòng)控制系統(tǒng)，集中監(jiān)控及自動(dòng)調(diào)節(jié)主要的反應(yīng)參數(shù)，對(duì)加料實(shí)施自動(dòng)控制，增設(shè)進(jìn)料限流裝置，設(shè)置偏離正常值的報(bào)警和聯(lián)鎖控制，設(shè)置緊急切斷閥，杜絕可能出現(xiàn)的一次性投料。在非正常工況下有超壓風(fēng)險(xiǎn)的反應(yīng)系統(tǒng)，設(shè)置安全閥、爆破片等緊急泄放的安全設(shè)施。

2.2 工藝優(yōu)化方案

根據(jù)氧化工藝反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)安全評(píng)估結(jié)果以及相關(guān)規(guī)定的要求，為了提升生產(chǎn)全過程中的本質(zhì)安全，項(xiàng)目優(yōu)化設(shè)置DCS 控制系統(tǒng)和SIS 獨(dú)立的安全儀表系統(tǒng)，要求獨(dú)立設(shè)置參數(shù)測量儀表、控制閥、邏輯控制器。在正常工況下，對(duì)生產(chǎn)過程的溫度、壓力、流量、液位等參數(shù)在控制室監(jiān)控畫面顯示，并按照工藝的要求在控制室進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測、記錄、報(bào)警、控制。

反應(yīng)工段的脫水釜、預(yù)酯化反應(yīng)釜、酯化反應(yīng)釜、脫水釜設(shè)置有壓力指示；溫度遠(yuǎn)傳指示、高低報(bào)警，自動(dòng)調(diào)節(jié)蒸汽流量以控制反應(yīng)溫度。氧化反應(yīng)釜設(shè)置DCS系統(tǒng)儀表和SIS系統(tǒng)儀表。有溫度遠(yuǎn)傳指示、報(bào)警，自動(dòng)調(diào)節(jié)蒸汽流量控制氧化反應(yīng)釜的溫度，聯(lián)鎖控制進(jìn)料。溫度與進(jìn)料管線上的切斷閥連鎖，當(dāng)達(dá)到DCS 系統(tǒng)的高、低限定值時(shí)報(bào)警，當(dāng)達(dá)到DCS 系統(tǒng)的高高定值時(shí)連鎖關(guān)閉進(jìn)料管線上的切斷閥；當(dāng)達(dá)到SIS 系統(tǒng)的高限定值時(shí)連鎖關(guān)閉進(jìn)料管線上的切斷閥。

精餾工段根據(jù)相關(guān)規(guī)定對(duì)精餾塔進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)置DCS 系統(tǒng)儀表，精餾塔設(shè)進(jìn)料流量自動(dòng)控制閥，設(shè)置液位自動(dòng)控制以達(dá)到連續(xù)進(jìn)料和出料，通過調(diào)節(jié)塔釜內(nèi)的進(jìn)料或釜液抽出量調(diào)節(jié)液位；精餾塔應(yīng)設(shè)塔釜和回流罐液位設(shè)置就地和遠(yuǎn)傳指示并設(shè)高低液位報(bào)警；設(shè)置塔釜溫度遠(yuǎn)傳指示、超限報(bào)警，塔釜溫度高高聯(lián)鎖切斷熱媒；塔頂冷凝器設(shè)置冷媒流量控制閥，用物料出口溫度控制冷卻水控制閥的開度。再沸器的加熱熱媒管道上設(shè)置熱媒流量控制閥，通過改變熱媒流量調(diào)節(jié)釜溫；塔頂為餾出液為液體的回流罐，設(shè)就地和自控液位計(jì)，用回流罐液位控制或超馳回流量或冷媒量；回流罐設(shè)高低液位報(bào)警。塔頂設(shè)置回流泵，在回流管道上設(shè)置遠(yuǎn)傳、指示流量計(jì)和溫度計(jì)，設(shè)置流量低限報(bào)警和溫度高限報(bào)警。

為了提升連續(xù)精餾過程及物料轉(zhuǎn)塔銜接過程的本質(zhì)安全，精餾塔設(shè)置塔釜溫度高高限報(bào)警，自動(dòng)聯(lián)鎖切斷塔釜再沸器的導(dǎo)熱油進(jìn)口管道閥門；塔頂設(shè)置壓力高高限報(bào)警，自動(dòng)聯(lián)鎖切斷塔釜再沸器的導(dǎo)熱油進(jìn)口管道閥門。

3 優(yōu)化成果

生物柴油反應(yīng)工序和精餾工序采用先進(jìn)可靠的工藝，配備齊全的安全設(shè)施，設(shè)計(jì)充分考慮了安全要求，嚴(yán)格執(zhí)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對(duì)制備生物柴油工藝中可能的各種危害和危險(xiǎn)因素采取有效的防范措施。制定符合國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的安全措施，設(shè)置DCS 系統(tǒng)和獨(dú)立的SIS 安全儀表系統(tǒng)，從而提高了項(xiàng)目的安全系數(shù)，項(xiàng)目優(yōu)化后，在確保各項(xiàng)安全設(shè)施可靠運(yùn)行狀況下，能達(dá)到優(yōu)化的效果。

優(yōu)化工藝產(chǎn)出的生物柴油產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)符合《B5柴油》（GB 25199—2017）[2]；甘油副產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)符合《甘油》（GB/T 13206—2022）[3]優(yōu)等品；粗乙酸副產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)符合《工業(yè)用冰乙酸》（GB/T 1628—2020）[4]Ⅱ型指標(biāo)。