炼厂结构调整生产负极材料全流程建模优化研究_刘小多.pdf

第52 卷第2 期 当 代 化 工 Vol.52，No.2 2023年2月 Contemporary Chemical Industry February，2023 基金项目基金项目：中国石化重点科技项目，天津石化全局资源优化模型开发与应用（课题编号：总合-152103）。收稿日期收稿日期：2022-11-11 作者简介作者简介：刘小多（1996-），女，辽宁省大连市人，助理工程师，硕士，2020 年毕业于辽宁石油化工大学控制工程专业，研究方向：电力系统及仿真。E-mail：。通通信信作者作者：林堂茂（1995-），男，助理工程师，硕士，研究方向：石油炼制人工智能。E-mail：。炼厂结构调整生产负极材料全流程建模优化研究 刘小多，林堂茂*，孙雪婷（中石化（大连）石油化工研究院有限公司，辽宁 大连 116000）摘 要：炼厂结构调整生产负极材料成为近年来石化行业转型升级关注的热点，全流程建模优化是炼厂规划设计的重要支撑。本研究采用运筹学的方法建立炼厂全流程资源优化模型，利用分支定界非线性算法求解优化沸固复合床与延迟焦化组合工艺生产负极材料全厂总流程，并对不同价格体系下的加工方案进行经济性评价。结果表明：通过全流程建模与优化改善了全厂装置进料性质与产品结构，沸固复合床与延迟焦化组合工艺生产负极材料可提高炼厂经济效益，而 80 美元价格体系相对于 60 美元价格体系效益提升更高。本研究通过建模与优化计算实现了炼厂结构调整生产负极材料全流程优化，为炼厂转型升级规划设计提供技术支撑。关 键 词：沸固复合床；负极材料；全流程优化 中图分类号：TE62 文献标识码：A 文章编号：1671-0460（2023）02-0452-05 Research on Modeling and Optimization of the Whole Process of Refinery Structure Adjustment to Produce Cathode Materials LIU Xiao-duo,LIN Tang-mao*,SUN Xue-ting（Sinopec Dalian Research Institute of Petroleum and Petrochemicals Co.,Ltd.,Liaoning Dalian 116000,China）Abstract:In recent years,refinery structure adjustment and production of negative electrode materials have become the focus of petrochemical industry transformation and upgrading.Full process modeling optimization is an important support for refinery planning and design.In this study,the method of operational research was used to establish the resource optimization model of the whole refinery process,and the branch and bound nonlinear algorithm was used to solve the optimization of the total plant process of producing negative electrode materials by the combined process of boiling solid composite bed and delayed coking,and the economic evaluation of the processing schemes under different price systems was carried out.The results showed that the feed properties and product structure of the unit were improved through the modeling and optimization of the whole process.The production of negative electrode materials by the combined process of boiling solid composite bed and delayed coking could improve the economic benefits of the refinery,while the benefit of the 80 dollar price system was higher than that of the 60 dollar price system.Through modeling and optimization calculation,the optimization of the whole process of refinery structure adjustment and production of negative electrode materials were realized,providing technical support for the planning and design of refinery transformation and upgrading.Key words:Boiling solid composite bed;Negative electrode material;Whole process optimization 双碳背景下，绿色能源逐步替代化石能源是大势所趋，能源替代过程中必须将大部分能量转化成电能进行储存与利用，储能领域将迎来高速发展，动力电池产业规模将快速扩张。锂离子电池现阶段被业界认为是未来最具潜力的储能设备之一，其具备能量密度高、电位稳定、电压高、安全性好、循环寿命长、能量损失小、污染小等优点1-3。锂离子电池的电容量很大程度上取决于负极材料的性能，目前低硫石油焦被视为优质高性能负极材料原材料，随着近年来锂离子电池的快速发展，低硫石油焦负极材料的需求逐渐增加4-7。然而目前大多数企业为降低原油成本以加工高硫劣质原油为主，延迟焦化装置加工高硫渣油无法生产低硫石油焦。而沸固复合床渣油加氢技术原料适应性强、脱硫效率高，可大幅降低渣油硫含量，通过沸固复合床与延迟焦化组合加工工艺改善延迟焦化进料性质转为生产负极材料，是炼油结构调整全流程优化的重要路线8-10。本研究采用运筹学理论方法构建炼油全流程加工模型，通过非线性优化算法实现炼油结构调整生产负极材料全流程优化，为炼厂规划设计与转型升级提供理论方法与技术支持。1 建模与优化 通过运筹学的方法统筹炼厂全流程进行建模与优化是企业规划设计的重要方法。炼化企业规划与优化的目标通常为最大化生产效益，目标函数表DOI:10.13840/21-1457/tq.2023.02.031 第 52 卷第 2 期 刘小多，等：炼厂结构调整生产负极材料全流程建模优化研究 453 达式如下：:max(price()cost()cost()pucOBJpmumcmG-。（1）式中：price(p)产品价格；mp产品质量；cost(u)公用工程价格；mu公用工程质量；cost(c)原料价格；mc原料质量；G固定费用。对于典型的炼化生产过程，模型的约束主要包括流量守恒与上下限约束、物性守恒与上下限约束。总体守恒约束表达式为：.:,LUS Tmmm。（2）,LUppp。（3）y0iim=。（4）iijjjjp mp m=+。（5）式中：m物流质量；mL物流质量下限；mU物流质量上限；p物流物性；pL物流物性下限；pU物流物性上限；y装置收率；物性传递系数；物性增量；i、j不同变量指标。采用上述方法构建企业全流程混合整数非线性优化模型，进而利用分支定界算法进行优化求解，通过对可行解空间进行分支和剪枝将非凸优化问题进行松弛，提高求解效率。2 全流程优化方案设计 2.1 基础方案与边界条件 本研究以 1 500 万 ta-1炼厂全流程作为基础，目前基础方案流程主要存在以下问题：一是渣油加工采用固定床渣油加氢+延迟焦化+沥青组合路线，未来存在延迟焦化产高硫石油焦难出厂、产品附加值低的问题；二是蜡油采用加氢精制进行处理，装置压力等级为 12 MPa，实际操作压力为 11 MPa 左右，考虑到 DCC 催化裂解装置产品分布与原料氢含量密切相关，因此 1112 MPa 压力工况下所产精制蜡油氢含量相对偏低，不利于 DCC 催化裂解装置生产烯烃；三是柴油加工采用加氢裂化+加氢改质组合路线，柴油加氢改质装置压力等级为 8 MPa，处理占比较大的催化柴油与焦化柴油原料时十六烷值提升幅度较低，而加氢裂化装置处理柴油原料则存在压力过剩的问题。为解决基础方案高硫石油焦难出厂的问题并实现各装置的优化利用，本研究拟构建炼厂全流程资源优化模型，以市场需求为导向，通过物流结构调整与工艺优化设计 1 500 万 ta-1生产负极材料加工流程11-12。主要边界条件如表 1 所示。表 1 边界条件 Table 1 boundary condition 项目 数量 原料 沙中原油/沙重原油/万 t 750/750 产品 国汽油/万 t 不限 国柴油/万 t 不限 航空煤油/万 t 240 高等级沥青/万 t 30 负极材料/万 t 不限 2.2 优化方案设计 2.2.1 沸固复合床与延迟焦化组合工艺 利用沸固复合床与延迟焦化组合工艺生产负极材料是目前经济可靠的技术方法13-14。利用沸腾床作为固定床渣油加氢装置的保护器，提高对重质化与劣质化原料适应性，改善传统固定床渣油加氢技术的压降和热点问题，提高装置运行周期以及加氢重油的氢含量，降低加氢重油的硫含量、金属等杂质。将低硫重油作为延迟焦化装置原料可显著降低石油焦硫含量，满足生产负极材料的指标要求。2.2.2 方案设计 根据基础方案和边界条件，本研究利用沸固复合床渣油加氢技术替代固定床渣油加氢技术，进一步增加 1 个减压塔，将减压塔顶油作为 DCC 催化裂解装置原料、减压塔底油作为延迟焦化装置原料。优化方案相对于基础方案主要装置变化如图 1 所示，其他装置保持不变。根据优化方案设计思路通过建模优化沸固复合床与延迟焦化组合工艺生产负极材料全流程。图 1 优化方案装置变化 Fig.1 Optimization scheme device change 454 当 代 化 工 2023年2月 2.3 建模与计算 基于优化方案流程特点与业务需求构建炼厂全流程资源优化模型，根据边界条件约束模型边界。其中模型物流传递进行守恒约束，物性传递采用传递系数进行约束，物性对物流影响利用 Delta-Base 系数矩阵进行转换，物流与物性约束项通过上限、下限与固定值进行设置。通过建模优化计算设计沸固复合床与延迟焦化组合工艺生产负极材料全流程。3 结果与讨论 3.1 全流程对比分析 利用非线性优化算法对所建立的炼厂优化方案全流程模型进行求解，优化方案相对于基础方案全流程物流结构发生较大变化，其中渣油加工采用沸固复合床渣油加氢+延迟焦化+沥青组合路线，生产高附加值负极材料替代难出厂高硫石油焦。蜡油主要采用高压加氢裂化装置加工，提高加裂尾油氢含量作为 DCC 催化裂解原料，改善 DCC 催化裂解装置进料性质与产品分布；柴油加工主要采用加氢精制+加氢改质组合路线，直馏柴油主要通过加氢精制进行处理，二次加工柴油主要通过加氢改质进行处理，实现柴油组分的优化加工，提高柴油组分 十六烷值。结果证明优化方案相比于基础方案全