炼油厂干气轻烃分离与LNG冷能利用的集成

魏林瑞, 夏永强, 王德鹏

(中海油能源发展股份有限公司 北京冷能利用研究所, 北京 100015)

炼油厂干气轻烃分离与LNG冷能利用的集成

魏林瑞, 夏永强, 王德鹏

(中海油能源发展股份有限公司 北京冷能利用研究所, 北京 100015)

中国乙烯装置原料以石脑油等重质原料为主,而原料越重,乙烯成本也就越高。从炼油厂干气中回收轻烃组分可以为乙烯装置提供优质原料,从而能降低乙烯成本,但是轻烃深冷分离工艺中压缩制冷系统能耗很高。液化天然气(LNG)气化过程中释放大量的冷能。为了降低深冷分离所需压缩能耗,以中国国内某炼油化工厂为研究对象,将LNG冷能用于炼油厂干气深冷分离工艺,取代三机压缩制冷系统。结果表明,利用82.0 t/h的LNG可替代原工艺约14373 kW的冷量负荷,节省约7973 kW的冷剂压缩制冷系统功耗,大幅度降低炼油厂干气深冷分离装置的能耗成本。

炼油厂干气; 轻烃分离; 压缩制冷; 液化天然气; 冷能利用

乙烯作为石油化工工业的基础原料,其生产能力被视为一个国家经济综合实力的体现。近年来,中国乙烯工业发展迅猛,但是依旧存在一些问题。中国乙烯产品当量自给率较低,需要大量进口弥补市场缺口,在国际化竞争中,处于相对被动的地位。2012年,中国生产乙烯1.487×107t,当量消费量3.216×107t,当量自给率46.2%。原料不足、不优是制约中国乙烯工业发展的关键问题[1-3]。

由于中国原油偏重,轻烃收率低,天然气的开发利用起步晚,乙烯原料过分依赖国内炼油厂,导致乙烯裂解原料品种杂而且偏重[4]。中国乙烯原料构成如表1所示。

表1 2011年中国乙烯原料构成

由表1可见,中国乙烯装置的原料以石脑油为主,而轻烃所占比例不到10%,这导致乙烯收率较低,成本较高。而世界乙烯装置原料构成中轻烃约占40%(质量分数),石脑油约占45%(质量分数)。中东和北美乙烯工业的发展具有原料丰富、优质、廉价等优势,随着近年来世界能源价格的大幅上涨,这种优势更加突出;优质的原料使其生产成本分别为400USD/t和500USD/t。受资源限制,中国乙烯原料成本与中东和北美相比处于明显的劣势,其生产成本高达1000USD/t[5-6]。所以需要立足现有乙烯原料基础,拓宽乙烯原料来源,为中国的乙烯生产提供必要的原料补充。其中炼油厂干气就是有较大潜能的乙烯原料。

炼油厂干气主要来源于原油的二次加工,如重油催化裂化、延迟焦化、加氢裂化、催化重整等。炼油厂轻烃对于炼油厂而言是副产物,多数炼油厂作为燃料气使用,造成了极大的能源浪费,仅有极个别有配套乙烯装置的炼化企业进行了乙烯原料的回收[7-8]。如果将炼油厂干气分离回收,可以得到可观的乙烯、乙烷、丙烷等,乙烯可以作为石油化工原料,而乙烷和丙烷等可以作为优质的裂解原料送往乙烯装置。炼油厂干气的回收利用具有重大的经济和社会效益。目前,炼油厂干气的分离一般采用变压吸附法(PSA)和深冷分离法。变压吸附的缺点是设备庞大、轻烃回收率不高;轻烃深冷分离法需要三机压缩制冷系统(甲烷压缩机、乙烯压缩机、丙烯压缩机)提供从-102℃到18℃多个不同温位的冷能,所需压缩制冷的能耗较大,导致工艺能耗高[9-10]。

常压下LNG是一种-162.0℃的低温液体,在供应给下游用户之前需将其气化并加热至0℃以上,在气化时会释放出大量的冷能,1.0t LNG气化时大约可释放出约200 kW·h的冷能。目前,LNG冷能已经应用于发电、空分、干冰制造、冷库等工业中,替代了大量用于制冷所消耗的电能。LNG冷能的回收利用,不仅可以减少其气化费用,还可减少气化带来的环境污染问题,对节约资源、提高能源的利用效率、发展循环经济具有十分重要的意义[11-13]。

以某一炼油化工企业为例,其炼油装置为1.2×107t/a,规划配套建设1×106t/a乙烯装置,在该炼油化工厂邻近建有1a接收3.0×106t/a LNG的接收站,接收站的LNG除用来发电外,也将用于满足该区域城市的工业燃料、炼油厂和石油化工厂原料、城市燃气用户。以该炼化企业的炼油厂轻烃分离为背景,研究并设计将LNG冷能用于炼油厂轻烃的深冷分离工艺,为该企业规划配套的乙烯装置提供乙烷、丙烷等裂解制乙烯原料。回收炼油厂干气能够使乙烯原料优化和多样化,实现LNG冷能资源的综合利用和乙烯原料成本的降低,同时实现企业整体经济效益的提高。

1 炼油厂干气深冷分离轻烃工艺

1.1 炼油厂干气分离工艺冷量需求

年产量1.2×107t/a炼油厂的轻烃主要来自常减压、催化裂化、延迟焦化、加氢裂化、重整等装置,不同组分的轻烃约81.05 t/h(6.8×105t/a)进入干气管网,其组成如表2所示。

炼油厂干气经过压缩、碱洗、净化干燥后,其流量、温度、压力分别为78.56 t/h、15.0℃、3.45 MPa,其组成如表3所示。

由表3可知,炼油厂干气含有丰富的乙烷、丙烷等轻烃,将其送往乙烯装置作为原料,可以提高乙烯收率,降低乙烯生产成本。

炼油厂干气深冷分离流程如图1所示。炼油厂干气经预切割塔D-302、脱甲烷塔D-301、脱乙烷塔D401、乙烯精馏塔D402、脱丙烷塔D403和脱丁烷塔D404的顺序流程将炼油厂干气分离,得到乙烯和乙烷等产品[14-15]。通过对该流程模拟,可以得到乙烯和丙烯制冷系统的冷量分配,结果列于表4和表5。由此可知,整个工艺流程需要乙烯和丙烯提供的冷量总和为20054 kW,需要其提供的最低温位为-101.5℃。

表2 炼油厂干气来源及组成

CDU—Crude distillation unit; FCC—Fluid catalytic cracking; DCU—Delayed coking unit; HCU—Hydrocracking unit; HDT—Petrol and diesel hydrotreating unit; CCR—Continuous catalytic reforming

表3 炼油厂干气组成

图1 炼油厂干气分离工艺流程

表4 乙烯制冷系统提供的冷量分配

Table 4 Cold energy distribution provided by ethylene refrigeration system

Cold⁃setuserT/℃Coolingload/kWPercentage/%E⁃351-62 2146931 0E⁃311-62 24128 7E⁃1311-78 5181038 1E⁃313-101 550710 7E⁃1313-101 5691 4E⁃326-101 547810 1

表5 丙烯制冷系统提供的冷量分配

1.2 乙烯和丙烯制冷系统压缩功耗分析

(1) 乙烯制冷系统

图2为乙烯制冷系统流程示意图[16]。1596 kmol/h的乙烯冷剂经压缩、冷凝、节流过程获得所需的不同温度,其中乙烯制冷系统的压缩功耗为1869 kW。

(2) 丙烯制冷系统

图3为丙烯制冷系统流程图。2186 kmol/h丙烯冷剂经压缩、冷却后,通过节流获得不同的温度,之后去为其他换热器提供冷量,其中丙烯制冷系统的压缩功耗为5461 kW。

(3)甲烷制冷系统

总之，作为浙江省四年制高职示范点之一，关于公共基础课教学的很多创新性工作有待进一步研究和实践。机遇也就是挑战，今后我们要在四年制高职公共基础课教学中继续探索，进一步明确目标定位、构建现代化教学管理体系保障、建设优秀师资队伍，争取早日占据四年制高职公共基础课教学改革制高点，努力探索一条具有“本科本色、高职特色”的四年制公共基础教学改革之路。

脱甲烷塔塔顶回流的返塔压力为1.01 MPa,温度为-128.3℃,由于乙烯冷剂能提供的最低温位为-101.5℃,所以传统深冷分离工艺需将甲烷冷剂压缩至3.9 MPa,经冷箱与脱甲烷塔塔顶气、乙烯冷剂换热,然后通过节流膨胀降压降温至1.01 MPa、-128.3℃,其压缩功耗为851 kW。

2 LNG冷能用于炼油厂干气轻烃分离工艺的集成

2.1 换热网络参数条件

LNG在送入输气管网之前需加压至7～8 MPa,其温度在-145.0～-150.0℃范围,LNG气化时需将其加热至0℃左右,故有大量冷量释放,约180 (kW·h)/t。根据上述炼油厂干气分离所需冷量的分析结果,以LNG为冷源、干气分离中的各工艺物流为冷阱,进行以LNG冷量替代三机压缩制冷系统,提供炼油厂干气分离工艺所需冷负荷,以降低LNG气化成本和炼油厂干气分离的压缩制冷能耗[17-18]。

脱甲烷塔塔顶回流的返塔压力为1.01 MPa,温度为-128.3℃。在本研究中,笔者将LNG代替乙烯冷剂,而且由于LNG加压至7～8 MPa时温度为-145.0℃,比乙烯冷剂的温度低,可将甲烷冷剂在1.05 MPa(设0.04 MPa的流动阻力损失)的较低压力下冷凝,相比原工艺的3.9 MPa,将减少压缩机的压缩功耗643 kW。而压缩机出口的1.05 MPa的塔顶气经脱甲烷塔塔顶冷却至-124.1℃,然后用LNG冷量将其深冷至-128.3℃、1.01 MPa,再经闪蒸回流返塔,该过程不再需要乙烯冷剂提供冷量。

用LNG冷量替代三机压缩制冷系统提供的冷量,依次将甲烷冷剂、脱甲烷塔进料、预切割塔塔顶、乙烯精馏塔塔顶、脱乙烷塔塔顶、原料气等冷却到所需温度。冷、热物流在换热网络中的运行条件列于表6。该网络中各工艺热物流所需的冷量负荷总计为14373 kW,为将上述热物流冷却至所需温度,需82000 kg/h,即6.9×105t/a的LNG提供14892 kW的冷量负荷。当LNG由-145.0℃气化到0℃时,其平均热容CP变化很大,所以将LNG分为三段估计其热容及冷量,一段由-145.0℃到-100.0℃,一段由-100.0℃到-50.0℃,一段由-50.0℃到0℃。LNG的组成为:φ(CH4)=86.69%,φ(C2H6)=8.98%,φ(C3H8)=4.01%,φ(i-C4H10)=0.87%,φ(n-C4H10)=1.06%,φ(N2)=0.17%。

以6.9×105t/a LNG的冷量为冷源取代6.8×105t/a炼油厂干气分离工艺中三机压缩制冷系统的负荷,整个炼油厂干气深冷分离工艺可节约压缩制冷功耗约7973 kW,设压缩机的内效率为95%,压缩机与透平(或电机)之间的传递效率为98%,压缩机的效率为70%,则可节约电力消耗12234 kW。

图2 乙烯压缩制冷系统流程示意图

图3 丙烯压缩制冷系统流程示意图

对于一个换热网络,只需要一种公用工程的问题称为阈值问题。炼油厂干气分离工艺需18.0～-102.0℃左右冷量,需大量压缩功耗。冷量温度越低,所需压缩功耗越大,所以对于炼油厂干气深冷分离工艺,最好将换热网络的夹点问题变为阈值问题,从而取消冷公用工程[19-20]。

表6为换热网络中各工艺物流的运行条件。根据表6所示的换热网络的运行条件,结合Aspen Plus和Aspen Pinch模拟,选择不同的最小允许传热温差,当冷公用工程消失时,即得最小的夹点温差为2℃,合成得到如图4所示的换热网络。

LNG冷量将热流从15.0℃冷却至-128.3℃,不需要冷公用工程,可节省冷量负荷约14373 kW。同时LNG由-145.0℃升温至-4.4℃,需519 kW的热负荷将其加热至0℃,即在LNG可提供的总冷量负荷14892 kW中有519 kW没有被利用,故LNG冷量的利用率达96.5%。

表6 换热网络中各工艺物流的运行条件

1) Initial temperature; 2) Target temperature

图4 LNG冷能用于炼油厂干气深冷分离系统的换热网络

3 结 论

(1) LNG蕴藏着大量的冷能,将LNG冷量用于炼油厂干气分离工艺,可大大降低LNG气化时的能量消耗,降低了下游用户的能源成本。

(2) 将LNG冷量用于炼油厂干气分离工艺,可替代原工艺的冷量负荷约14373 kW,即可节省乙烯、丙烯压缩机压缩制冷的功耗约7330 kW;同时采用LNG冷能为甲烷制冷系统提供冷负荷,只需将甲烷冷剂由0.61 MPa压缩至1.05 MPa,其压缩功耗为208 kW,替代原流程的将甲烷冷剂压缩至3.9 MPa(压缩功耗为851 kW)的工艺,这样甲烷制冷系统所需压缩功耗相比原流程减少了643 kW。整个炼油厂干气分离工艺可节约压缩制冷功耗约7973 kW,LNG冷量的利用率高达96.5%。

(3) 从炼油厂干气中分离出的乙烯等可作为整个石化工业的基础原料,为下游化工装置提供原材料,而乙烷、丙烷等轻烃送往乙烯装置作为原料,可提高乙烯装置原料的灵活性,提高乙烯的收率,降低乙烯的生产成本和对市场的应变能力,增加企业效益。

(4) 由于LNG本身就含有大量的轻烃,将这部分轻烃分离出来裂解制乙烯,可优化中国乙烯原料,减少乙烯成本。按照本研究思路,同样可以将LNG冷量用于LNG的轻烃分离工艺,同时将剩余冷量用于乙烯分离工艺,减少乙烯装置能耗。

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Light Hydrocarbons Separation Process in Refinery by Using LNG Cold Energy

WEI Linrui, XIA Yongqiang, WANG Depeng

(CNOOCCryogenicEnergyUtilizationResearchInstitute,Beijing100015,China)

Naphtha is the dominant feedstock for ethylene plants in China. The heavier the feedstock is, the higher the production cost of ethylene is. Consequently, the recovery of light hydrocarbons from refinery gas can bring great economic and social benefits, however, the process of light hydrocarbons cryogenic separation is energy-intensive, when it comes to compression refrigeration. Liquefied natural gas(LNG) should be vaporized before being supplied to the final consumers at the receiving terminals, and a lot of high-grade cold energy will be released during the vaporization process, which should be utilized effectively. Regarding a domestic refinery as the research object, the LNG cold energy was used to displace compression refrigeration system in cryogenic separation process. As a result, 82.0 t/h LNG can provide 14373 kW cold energy for the separation process, saving 7973 kW compression power to greatly cut the cost of the process.

light hydrocarbons; cryogenic separation; compression refrigeration; LNG; cold energy

2014-07-07

中海油科研项目(CNOOC-KJ125 00 00 000 00 LYS201401)资助。

魏林瑞，男，工程师，硕士，从事LNG冷能利用技术研究；Tel:010-84524507；E-mail：weilr@cnooc.com.cn

1001-8719(2015)06-1317-08

TQ021.8

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2015.06.010