煉油廠酸性水汽提裝置流程模擬及用能優(yōu)化

于型偉　李宇龍　劉富余　劉維康（中國石油規(guī)劃總院）

煉油廠酸性水汽提裝置流程模擬及用能優(yōu)化

于型偉李宇龍劉富余劉維康（中國石油規(guī)劃總院）

酸性水汽提裝置是煉油廠重要的環(huán)保裝置，隨著裝置大型化與進口原料油硫含量的逐步升高，酸性水汽提裝置能耗水平受到關(guān)注。利用ApenPlus軟件對酸性水汽提裝置進行了模擬，探討了汽提塔熱冷進料比例、熱進料溫度、側(cè)線抽出位置對再沸器負荷和產(chǎn)品質(zhì)量的影響。研究結(jié)果表明，適當提高熱冷進料比例或熱進料溫度，有利于降低再沸器熱負荷，從而降低裝置能耗；汽提塔側(cè)線位置不宜過高或過低，應(yīng)有一個較優(yōu)的抽出位置。在進行各參數(shù)優(yōu)化調(diào)整時，應(yīng)密切關(guān)注凈化水中NH3含量，防止其超標。

煉油廠酸性水汽提流程模擬 用能優(yōu)化

引言

近年來，隨著汽柴油產(chǎn)品質(zhì)量升級，大多數(shù)煉油廠均使用汽柴油加氫裝置，隨之也產(chǎn)生了大量酸性水。同時，其他煉油裝置（如催化裂化、常減壓等）在煉油加工過程中也會產(chǎn)生一定量的酸性水。這些酸性水通常含有較高濃度的H2S（5000～25000g/cm3）、NH3（5000～30000g/cm3）、CO2（1500g/cm3左右）等，排放前需脫除這些組分［1-2］。另外，國家頒布了《關(guān)于深入推進節(jié)水型企業(yè)建設(shè)工作的通知》（工信部聯(lián)節(jié)［2012］431號），要求2015年底前煉油污水回用率達到50%以上、含硫污水汽提凈化水回用率達到60%以上，多數(shù)煉油廠均加大了對酸性水的回用，回用前也需脫除H2S等組分。

酸性水汽提裝置是煉油廠重要的環(huán)保裝置，用于凈化煉油加工過程中產(chǎn)生的酸性水，并回收其中的H2S和NH3。據(jù)文獻［3］報道，對于國內(nèi)某千萬噸煉油廠，酸性水汽提裝置所用蒸汽能耗約占整個煉油能耗的6.5%。因此，在保證各項指標滿足要求的同時，對酸性水汽提裝置實施用能優(yōu)化具有重要的節(jié)能和環(huán)保意義。本研究以國內(nèi)某煉油廠140t/h酸性水汽提裝置標定數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運用流程模擬軟件AspenPlus對酸性水汽提裝置進行模擬計算，并結(jié)合裝置工藝指標要求，提出了裝置用能優(yōu)化的改進措施。

1　模型建立

1.1裝置流程簡介

酸性水汽提裝置采用目前國內(nèi)較成熟的單塔加壓側(cè)線抽氨汽提工藝，即利用一座汽提塔來完成污水凈化和分離H2S和NH3的任務(wù)。利用CO2（C）和H2S（S）的相對揮發(fā)度比NH3（A）高的特性，首先將原料酸性水中的CO2和H2S從汽提塔上部汽提出去，隨即控制適宜的塔體溫度，在塔中部形成A/（S+C）摩爾比大于10的液相及富氨氣體，該氣體抽出后，采用變溫變壓的三級冷凝，得到高純度的氨氣。

該工藝具有操作方便、凈化水水質(zhì)好、一次基建投資少、蒸汽單耗少等特點，近年來成為科研工作者用能優(yōu)化研究的重點。裝置模擬流程示意圖見圖1。

圖1　酸性水汽提裝置模擬流程

1.2模型基礎(chǔ)環(huán)境設(shè)置

酸性水汽提塔中存在一個NH3-H2S-CO2-H2O四元弱電解質(zhì)體系。由于酸性水汽提過程包含多種化學反應(yīng)，使得液相中存在的真實組分不同于表觀分子組分，其表觀分子組分主要為NH3、H2S、CO2和H2O，而液相中存在的真實組分除上述外，還有H3O+、OH-、HS-、NH4+、HCO3-、CO32-等。由于液相熱力學呈高度非理想型，須選擇合適的熱力學方法。本研究選用AspenPlus模擬軟件中最通用的電解質(zhì)物性方法ELECNRTL，該方法已被很多研究者采納，并被證實可行［1，4-5］。反應(yīng)方程式設(shè)置如圖2所示。

圖2　反應(yīng)方程式設(shè)置

1.3模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

采用AspenPlus嚴格精餾模塊RadFrac模塊模擬該裝置，其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

1.4模型驗證

利用AspenPlus建立裝置流程模擬模型，經(jīng)反復(fù)調(diào)試，模型收斂成功。模型計算結(jié)果與裝置現(xiàn)場標定結(jié)果對比見表2，模擬結(jié)果與實際標定結(jié)果數(shù)據(jù)吻合較好，表明該模型的建立是合適的，且準確性較高，可利用其對汽提裝置進一步分析及優(yōu)化。

表2　模擬結(jié)果與實際標定結(jié)果比較

2　汽提裝置用能分析及優(yōu)化

分析裝置現(xiàn)場標定數(shù)據(jù)，該裝置能耗較大的是汽提塔底再沸器1.0MPa蒸汽用量，蒸汽能耗約占裝置總能耗的94.1%。因此，在滿足產(chǎn)品質(zhì)量指標要求（凈化水NH3含量小于或等于50mg/L，塔頂氣H2S體積分數(shù)大于或等于50%）的前提下，做好汽提塔的節(jié)能優(yōu)化，從而減少再沸器熱負荷（即減少1.0MPa蒸汽用量），對于降低裝置能耗具有重要意義。

2.1熱冷進料比例

進料總量（123t/h）、進料組成、側(cè)線抽出位置及其他參數(shù)均不變，改變汽提塔熱冷進料比例，考察其對汽提塔再沸器熱負荷及產(chǎn)品質(zhì)量指標的影響，結(jié)果見表3。由表3可知，隨著熱冷進料比例的不斷增大，再沸器熱負荷呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，但凈化水中NH3含量呈現(xiàn)逐漸增大趨勢，而塔頂氣H2S含量及側(cè)線氣NH3含量變化不大。這一變化與文獻［1］報道的研究結(jié)果相一致。

表3　熱冷進料比例的影響

含硫污水是一種H2S、NH3、CO2等的多元水溶液，它們在水中以多種銨鹽的形式存在，這些銨鹽在水中水解后分別產(chǎn)生游離態(tài)的H2S、NH3、CO2分子，它們又分別與其中氣相中的分子平衡，因而該系統(tǒng)是化學平衡、電離平衡和相平衡共存的復(fù)雜體系。由于水解是吸熱反應(yīng)，因而加熱可促進水解作用使游離的H2S、NH3、CO2分子增加。再沸器（通入水蒸汽）起到加熱和降低氣相中的H2、NH3、CO2分子分壓的雙重作用，促使它們從液相進入氣相，從而達到凈化水質(zhì)的目的。隨著熱冷進料的比例增加，進入汽提塔的熱量增加，因此再沸器負荷會降低，使得蒸汽量下降，氣相中分壓作用減弱，加之NH3的溶解度比H2S大很多，因此凈化水NH3含量逐漸增加。

2.2熱進料溫度

其他參數(shù)不變，改變汽提塔熱進料的溫度，考察其對汽提塔再沸器熱負荷及產(chǎn)品質(zhì)量指標的影響，結(jié)果見表4。由表4可知，隨著熱進料溫度的不斷升高，再沸器熱負荷呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，但凈化水NH3含量卻逐漸增大。當熱進料溫度增加到145℃時，凈化水NH3含量突然增大，導(dǎo)致凈化水產(chǎn)品質(zhì)量不合格。而塔頂氣H2S含量及側(cè)線氣NH3含量變化不大，這一總體變化趨勢與提高熱冷進料比例的變化相同。

表4　熱進料溫度的影響

2.3側(cè)線抽出位置

其他參數(shù)不變，改變汽提塔側(cè)線抽出塔板位置，考察其對汽提塔再沸器熱負荷及產(chǎn)品質(zhì)量指標的影響，結(jié)果見表5。由表5可知，隨著側(cè)線抽出塔板位置往下移，再沸器熱負荷呈現(xiàn)先下降后略微增加的趨勢，凈化水NH3含量明顯增加，而塔頂氣H2S含量及側(cè)線氣NH3含量變化不大。當側(cè)線抽出塔板位置為9時，再沸器熱負荷達到最小。

表5　側(cè)線抽出塔板位置的影響

3　結(jié)論

1）以國內(nèi)某煉油廠140t/h酸性水汽提裝置標定數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用AspenPlus嚴格精餾模塊和電解質(zhì)物性方法ELECNRTL建立了該裝置的流程模擬模型。從標定數(shù)據(jù)及模擬結(jié)果來看，模型精確度較高。

2）利用建立的模型研究了汽提塔熱冷進料比例、熱進料溫度、側(cè)線抽出位置對汽提塔再沸器熱負荷及產(chǎn)品質(zhì)量指標的影響。結(jié)果表明，隨著熱冷進料比例的增加，再沸器熱負荷呈現(xiàn)下降的趨勢，凈化水NH3含量呈現(xiàn)增大趨勢，而塔頂氣H2S含量及側(cè)線氣NH3含量變化不大；提高熱進料溫度的總體變化趨勢與提高熱冷進料比例的變化趨勢相同；隨著側(cè)線抽出塔板位置往下移，再沸器熱負荷呈現(xiàn)先下降后略微增加的趨勢，凈化水中NH3含量明顯增加，而塔頂氣H2S含量及側(cè)線氣NH3含量變化不大。

3）在實際生產(chǎn)中，適當加大熱冷進料比例或提高熱進料溫度，有利于降低再沸器熱負荷，從而降低裝置能耗，但須注意凈化水氨含量，使其達到產(chǎn)品質(zhì)量要求。同時，側(cè)線抽出位置不宜過高，防止其與H2S反應(yīng)結(jié)鹽，堵塞管路。研究表明，側(cè)線抽出塔板位置為9時，再沸器熱負荷最低，而產(chǎn)品質(zhì)量又可達到要求。

［1］徐義明，王佳兵.AspenPlus軟件模擬及優(yōu)化酸性水汽提塔［J］.廣東化工，2012，39（1）：125-126.

［2］楊剛.煉油廠含硫污水汽提塔的模擬與優(yōu)化［D］.天津：河北工業(yè)大學，2002.

［3］魏志強，吳升元，張冰劍，等.污水汽提雙塔工藝流程模擬分析與用能改進［J］.石油煉制與化工，2012，43（4）：80-86.

［4］王正，汪建華.青島煉化酸性水汽提裝置流程模擬與優(yōu)化［J］.中外能源，2011，16（1）：74-77.

［5］趙瑩瑩.ASPENPLUS在煉油廠含硫污水汽提過程中的應(yīng)用［J］.煉油設(shè)計，1998，28（5）：48-51.

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.002.001

2014-09-02）

于型偉，工程師，2011年畢業(yè)于天津大學（化工學院），從事煉化節(jié)能節(jié)水管理及技術(shù)研究工作，E-mail：yuxingwei@petrochina. com.cn，地址：北京市海淀區(qū)志新西路3號，100083。