低碳經(jīng)濟(jì)下常壓塔蒸汽汽提優(yōu)化

宋昭崢，王子健，車景華，劉烜辰，姜冠倫

(1 中國石油大學(xué)理學(xué)院，北京 102249；2 中石化節(jié)能技術(shù)服務(wù)有限公司，北京 100013)

隨著全球經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，碳排放量也與日俱增，中國作為世界上五個(gè)碳排放大國之一[1]有責(zé)任和義務(wù)來引領(lǐng)低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展趨勢。石化行業(yè)作為第四大溫室氣體排放來源行業(yè)[2]，現(xiàn)已成為碳減排領(lǐng)域研究的重要課題，其中常減壓、催化重整、催化裂化和合成氨等加工過程排放尤為明顯[3]。常減壓裝置排放源主要為燃料氣和蒸汽，為此朱玉琴等[4]采用夾點(diǎn)分析技術(shù)指導(dǎo)換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化提高換熱終溫從而減少燃料氣的消耗；李陽等[5]利用Petro-SIM軟件對(duì)常減壓裝置的塔裝置進(jìn)行蒸汽汽提量優(yōu)化，但并未分析蒸汽汽提量對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)的影響。本文基于Aspen Plus流程模擬軟件對(duì)某煉化企業(yè)3#常減壓裝置常壓汽提蒸汽從碳排放和成本兩方面進(jìn)行分析，在保證經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)限制碳排放在合理范圍內(nèi)從而為企業(yè)進(jìn)行相關(guān)用能優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

1 生產(chǎn)模型及核算標(biāo)準(zhǔn)的建立

1.1 常壓塔裝置簡介

首先，根據(jù)煉化企業(yè)提供的資料顯示，常壓塔采用56層ADV高效浮閥塔板、三條側(cè)線抽出以及三段循環(huán)取熱設(shè)計(jì)。其中，常頂循從第4塊塔板抽出返回第1塊塔板；常一中從第21塊塔板抽出返回第18塊塔板；常二中從第35塊塔板抽出返回第32塊塔板；常一線從第17塊塔板抽出采用常三線熱源重沸汽提；常二線從第31塊塔板抽出采用蒸汽汽提；常三線從第44塊塔板抽出采用蒸汽汽提；初底油和過熱蒸汽分別從第51塊和第55塊塔板進(jìn)入，具體流程簡圖如圖1所示。

圖1 常壓塔工藝流程簡圖

1.2 工質(zhì)碳排放系數(shù)及價(jià)格系數(shù)

根據(jù)圖1中信息可知，常壓塔主要消耗工質(zhì)為加熱爐所用的燃料氣、常底及側(cè)線汽提所用蒸汽、空冷器和泵設(shè)備所用的電能以及水冷器所用的循環(huán)水，該部分工質(zhì)價(jià)格核算由企業(yè)提供。而碳排放核算結(jié)合企業(yè)提供的信息、遵循GB/T5000-2011《石油化工生產(chǎn)企業(yè)CO2排放計(jì)量方法》[6]以及GB/T50441-2016《石油化工設(shè)計(jì)能耗計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》[7]。其中，燃料氣和電力的排放因子可直接獲得，循環(huán)水和蒸汽的排放因子需要按照熱值折算為標(biāo)煤數(shù)量，而后通過標(biāo)煤排放因子計(jì)算獲得(低位熱值參照GB/T2589-2008《綜合能耗計(jì)算通則》[8])，具體參數(shù)如表1所示。

表1 主要工質(zhì)分析表

2 工藝流程模擬及分析

2.1 常壓塔主要工藝參數(shù)

常減壓裝置屬于低壓體系，因此采用BK10方程進(jìn)行模擬更符合計(jì)算要求，塔模型選擇PetroFrac中的CDU11F模型進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果與實(shí)際工況誤差在5%以內(nèi)即可認(rèn)為模擬與實(shí)際基本吻合，常壓塔主要工藝參數(shù)的設(shè)定如表2所示。

表2 常壓塔主要工藝參數(shù)表

2.2 常底蒸汽汽提對(duì)取熱的影響

而后在其它工藝參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，調(diào)整常壓塔塔底蒸汽汽提量并分析其對(duì)常壓塔中段及側(cè)線取熱量的影響如圖2、圖3所示。

根據(jù)圖2和圖3中信息可知，隨著常底蒸汽汽提量的增加，塔頂冷卻負(fù)荷逐漸增加，常頂循、常一中以及常二中取熱量逐漸降低，與此同時(shí)常一線、常二線以及常三線產(chǎn)品出料達(dá)到相同的換熱終溫所需換熱量逐漸降低，這是由于增加的汽提蒸汽需要在塔頂進(jìn)行冷凝，全塔負(fù)荷向上部轉(zhuǎn)移。

圖2 常底汽提量對(duì)中段量取熱分析圖

圖3 常底汽提量對(duì)側(cè)線取熱量分析圖

2.3 常底蒸汽汽提對(duì)碳排放及工質(zhì)成本的影響

根據(jù)煉化企業(yè)提供的信息，編號(hào)E101至E111為脫前原油換熱流程，編號(hào)E112至E120為脫后原油換熱流程，編號(hào)E121至E126為初底油換熱流程。結(jié)合圖1所示信息可知，常二中對(duì)初底油的換熱終溫具有一定的影響，因此負(fù)荷的變化可結(jié)合三段進(jìn)行分析[9]：常二中負(fù)荷的變化用于改變初底油的換熱終溫；其他中段循環(huán)及側(cè)線換熱流程通過調(diào)整換熱器等方式維持脫前和脫后原油換熱終溫；剩余負(fù)荷通過循環(huán)水冷卻以保證出料溫度的一致性。經(jīng)過模擬分析，當(dāng)常底汽提量從5.0 t/h提高到6.0 t/h時(shí)輕油的拔出率基本不變，因此由產(chǎn)品流量產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益變化可以忽略不計(jì)，圖4為常壓塔蒸汽汽提量對(duì)消耗工質(zhì)費(fèi)用及碳排放變化分析圖(其中：循環(huán)水按供回水32 ℃/40 ℃計(jì)算)。

圖4 常底汽提量對(duì)碳排放及成本分析圖

由圖4中信息可知，隨著常底汽提蒸汽量的增加，裝置碳排放值呈現(xiàn)遞增趨勢，工質(zhì)消耗成本呈現(xiàn)遞減趨勢。當(dāng)蒸汽汽提量從原工況5.5 t/h增加到5.9 t/h時(shí)，雖然增加了4.76 kgCO2/h的裝置碳排放，但可以減少17.33元/h的工質(zhì)成本消耗。

2.4 常底蒸汽汽提對(duì)側(cè)線產(chǎn)品品質(zhì)的影響

為了進(jìn)一步驗(yàn)證新工況下各側(cè)線產(chǎn)品是否符合工藝指標(biāo)，圖5為各側(cè)線產(chǎn)品質(zhì)量隨常底蒸汽汽提量的變化分析圖。

圖5 常底蒸汽汽提量對(duì)側(cè)線產(chǎn)品分析圖

由圖5中信息可知，常底蒸汽汽提量對(duì)混合石腦油干點(diǎn)影響較低，這是由于混合石腦油組分約八成從初頂拔出，且初頂石腦油組分重于常頂石腦油；而常一線航煤干點(diǎn)與常三線t95點(diǎn)隨著常底蒸汽汽提量的增加逐漸降低。工藝指標(biāo)要求混合石腦油干點(diǎn)不大于175 ℃，常一線航煤干點(diǎn)不大于280 ℃，常二線不做控制，常三線t95點(diǎn)不大于370 ℃。優(yōu)化后各側(cè)線產(chǎn)品品質(zhì)不會(huì)對(duì)下游生產(chǎn)產(chǎn)生影響，因此該優(yōu)化操作存在實(shí)施的可行性。

3 結(jié) 論

在其他工藝參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整常壓塔塔底蒸汽汽提量得到以下結(jié)論：

(1)在一定操作范圍內(nèi)，隨著常底汽提蒸汽量的增加，常頂冷卻負(fù)荷逐漸增加，各中段回流及側(cè)線取熱量逐漸降低，全塔取熱向上部轉(zhuǎn)移。

(2)在一定操作范圍內(nèi)，隨著常底汽提蒸汽量的增加，燃料氣的碳排放值逐漸降低，蒸汽的碳排放值逐漸升高，循環(huán)水的碳排放值逐漸升高，經(jīng)核算當(dāng)汽提量從5.5 t/h提高到5.9 t/h時(shí)雖然增加了4.76 kgCO2/h排放，但可以減少17.33元/h的工質(zhì)成本消耗。

(3)在一定操作范圍內(nèi)，隨著常底汽提蒸汽量的增加，側(cè)線產(chǎn)品的切割點(diǎn)呈現(xiàn)降低趨勢但仍符合工藝指標(biāo)，輕油的拔出率也沒有明顯變化，優(yōu)化項(xiàng)目存在可行性。

綜上所述，經(jīng)過常壓塔塔底蒸汽優(yōu)化雖然增加了約40.0噸/年裝置碳排放，但提高了約14.6萬元/年的經(jīng)濟(jì)效益。在之后的工作中，通過對(duì)不同煉化企業(yè)常壓塔蒸汽汽提量進(jìn)行類似的分析，確定蒸汽汽提量與碳排放和經(jīng)濟(jì)效益的一般關(guān)系，在保證經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)限制碳排放在合理范圍內(nèi)將成為煉化企業(yè)用能優(yōu)化的重要趨勢。并且隨著我國低碳經(jīng)濟(jì)在石化行業(yè)的逐步推行，將會(huì)有越來越多的企業(yè)結(jié)合碳排放核算進(jìn)行相關(guān)領(lǐng)域的用能優(yōu)化分析。