生物柴油提煉工藝的優化設計

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（燃燒性能明顯優于0號柴油），在人類社會經濟發展中廣泛用于工業產業充當動力燃料。我國是能源消耗大國，近年來產業經濟快速發展，能源短缺與環境惡化的矛盾日益突出，保護人類賴以生存的自然環境的行動刻不容緩，因此從資源挖掘和環境保護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，被認定為清潔型柴油燃料，其產業在我國具有相當大的發展空間。同時作為對環境友好的綠色燃料，其能創造較為深遠的經濟價值和社會效益，生物柴油的提煉涉及高溫高壓反應、強腐蝕性等操作環境，副產品種類多，產量巨大而工藝繁瑣，因此對生物柴油的提煉工藝進行自控優化設計尤為重要[1]。

目前，發展生物柴油產業的主要障礙是生產成本高。一方面，發展生物柴油產業的前提是擁有充足、成本低廉和高質量地原料來源；另一方面，對生物柴油生產工藝進行改進，提高生物柴油生產過程的轉化率，采用更加自動化控制進行大批量的生產，從而降低生產成本。

1 當前問題

1.1 當前社會問題

目前生物柴油以三種油品——廢動植物油（預處理后的地溝油）、酒店（餐飲）煎炸廢油、植物油為原料，主要流程為先酸催化預酯化，再堿催化轉酯化制取脂肪酸甲酯（生物柴油）和副產甘油。高酸值原料油（廢動植物油酸值70~130）用硫酸催化預酯化；植物油原料（酸值0.63）可直接用堿催化轉酯化制取脂肪酸甲酯和甘油；預酯化和轉酯化都使用過量甲醇，產物分離后分別脫除甲醇，制得副產物粗甘油及粗品生物柴油，生物柴油經進一步精制得到符合國際標準的產品。脫除的甲醇精餾提純后回收套用。副產物粗甘油經過脫醇后出售。

廢動植物油（預處理后的地溝油）生產工藝，包括機械過濾等預處理、預酯化、離心分離、轉酯化、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。

酒店煎炸廢油生產工藝包括機械過濾預處理、酯化、轉酯化、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。

植物油生產工藝包括脫水、預酯化、酯化及氧化、水洗脫水、精餾等工段。

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

1.2 當前技術

生物柴油的技術主要采用植物油為原材料進行生物柴油的生產，目前該項目生物柴油生產工藝裝置采用了國內較成熟的工藝，同國內遼寧超維特生物能源有限公司30萬t/a 生物柴油項目、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 工業級混合油生產技術改造項目、嘉善盈豐生物能源有限公司年產1萬t 生物柴油項目相同的原輔材料和生產工藝路線進行生產，以上產品相關技術已經成熟可靠，工藝廣泛采用并成熟運用。

目前，野生動物棲息地的保護已經成為一項非常重要的任務，為了讓各類野生動物有一個美好的家園，人們應該正確樹立保護野生動物的思想意識，不亂砍亂伐，不肆意殺戮，確保野生動物的生存與繁衍。同時，國家應該加大對野生動物棲息地的保護力度，安排相關人員在野生動物保護區堅守崗地，在未經允許的情況下，禁止任何人進入野生動物保護區，并且倡導周邊的人民群眾一起做好保護野生動物的工作。

1.3 優化分析

對生物柴油生產裝置優化屬于安全提升改造工程，從而提高其生產效率和產品質量，其中主要對舊設備進行更換、啟用部分設備、增加安全系統，同時縮小產能，生產工藝成熟可靠。

通過對生物柴油工藝設備生產線優化，可有效發揮配套綜合優勢、增加市場競爭力。優化項目將使原有的資源得到更充分的利用，形成資源的循環利用。優化后，有以下特點。

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

（2）根據物料性質，本項目的反應釜、中間罐等采用搪玻璃、316材料、304或非金屬防腐蝕材料，進一步降低反應物料對設備的腐蝕，保證生產安全性。

（3）原料配制以及生產處于密閉系統，原料通過輸送管道計量進行自動控制，操作工人減少了與物料直接接觸的機會，能有效降低操作工人的風險。

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

本項目生物柴油采用化學法技術和工藝，生產的生物柴油采取與0#柴油調和使用，作為柴油發動機的燃料。

1.4 當前的工藝問題

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，脫水釜內的油脂升溫進行脫水。

（2）預酯化：將甲醇、濃硫酸分別加入預酯化釜中，將脫水釜內脫水后的植物油脂打入到預酯化釜中，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行預酯化反應。

（3）酯化及氧化：將預酯化內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行酯化反應，蒸發出來的氣體去蒸餾系統，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釜中，再向氧化釜內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粗乙酸。酯化釜內剩余的溶液進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行水洗，直到pH 為7，再進行加熱真空脫水。

（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，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；在塔頂得到生物柴油和水、生物柴油和甲醇等共沸物，輸送至精餾三塔進料。塔側線采出氣相甘油副產品。

精餾三塔常壓蒸餾，塔頂得到生物柴油和水、生物柴油和甲醇等共沸物，輸送至精餾四塔；精餾三塔側線采出氣相生物柴油產品，塔釜采出高沸點重組分雜質——即副產品植物瀝青。

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。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品。

2 控制系統優化方案

2.1 危險度分析

生物柴油提煉工藝過程中涉及的氧化反應屬于重點監管危險化工工藝，且氧化反應工藝操作方式為半間歇式工藝，根據相關規定，項目需進行反應風險評估，評估內容根據氧化反應的工況進行，得出安全風險評估結果。

根據反應工藝危險度等級，明確安全操作條件，在設計過程中指導工藝管道、自動儀表控制系統、自動報警與安全儀表系統、物料釋放后的收集與保護，同時可為廠區和周邊區域制定應急預案等方面提供參考方案、提出安全風險防控建議。

針對氧化反應的安全風險措施優化改進如下。

通過具有相關資質研究院進行反應安全風險評估，結果得出實際加料速度下氧化反應的工藝危險度評估為1級通過反應熱分析。

對于反應工藝危險度分級為1級的工藝過程，采用DCS 或 PLC 自動控制系統，集中監控及自動調節主要的反應參數。若發生一次性投料且冷卻失效，反應工藝危險度等級會升高，具有潛在熱失控風險。因此，實際生產時設置DCS 或 PLC 自動控制系統，集中監控及自動調節主要的反應參數，對加料實施自動控制，增設進料限流裝置，設置偏離正常值的報警和聯鎖控制，設置緊急切斷閥，杜絕可能出現的一次性投料。在非正常工況下有超壓風險的反應系統，設置安全閥、爆破片等緊急泄放的安全設施。

2.2 工藝優化方案

根據氧化工藝反應的風險安全評估結果以及相關規定的要求，為了提升生產全過程中的本質安全，項目優化設置DCS 控制系統和SIS 獨立的安全儀表系統，要求獨立設置參數測量儀表、控制閥、邏輯控制器。在正常工況下，對生產過程的溫度、壓力、流量、液位等參數在控制室監控畫面顯示，并按照工藝的要求在控制室進行遠程自動監測、記錄、報警、控制。

反應工段的脫水釜、預酯化反應釜、酯化反應釜、脫水釜設置有壓力指示；溫度遠傳指示、高低報警，自動調節蒸汽流量以控制反應溫度。氧化反應釜設置DCS系統儀表和SIS系統儀表。有溫度遠傳指示、報警，自動調節蒸汽流量控制氧化反應釜的溫度，聯鎖控制進料。溫度與進料管線上的切斷閥連鎖，當達到DCS 系統的高、低限定值時報警，當達到DCS 系統的高高定值時連鎖關閉進料管線上的切斷閥；當達到SIS 系統的高限定值時連鎖關閉進料管線上的切斷閥。

精餾工段根據相關規定對精餾塔進行優化設計，設置DCS 系統儀表，精餾塔設進料流量自動控制閥，設置液位自動控制以達到連續進料和出料，通過調節塔釜內的進料或釜液抽出量調節液位；精餾塔應設塔釜和回流罐液位設置就地和遠傳指示并設高低液位報警；設置塔釜溫度遠傳指示、超限報警，塔釜溫度高高聯鎖切斷熱媒；塔頂冷凝器設置冷媒流量控制閥，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置熱媒流量控制閥，通過改變熱媒流量調節釜溫；塔頂為餾出液為液體的回流罐，設就地和自控液位計，用回流罐液位控制或超馳回流量或冷媒量；回流罐設高低液位報警。塔頂設置回流泵，在回流管道上設置遠傳、指示流量計和溫度計，設置流量低限報警和溫度高限報警。

為了提升連續精餾過程及物料轉塔銜接過程的本質安全，精餾塔設置塔釜溫度高高限報警，自動聯鎖切斷塔釜再沸器的導熱油進口管道閥門；塔頂設置壓力高高限報警，自動聯鎖切斷塔釜再沸器的導熱油進口管道閥門。

3 優化成果

生物柴油反應工序和精餾工序采用先進可靠的工藝，配備齊全的安全設施，設計充分考慮了安全要求，嚴格執行有關標準規范，對制備生物柴油工藝中可能的各種危害和危險因素采取有效的防范措施。制定符合國家標準或行業標準的安全措施，設置DCS 系統和獨立的SIS 安全儀表系統，從而提高了項目的安全系數，項目優化后，在確保各項安全設施可靠運行狀況下，能達到優化的效果。

優化工藝產出的生物柴油產品質量指標符合《B5柴油》（GB 25199—2017）[2]；甘油副產品質量指標符合《甘油》（GB/T 13206—2022）[3]優等品；粗乙酸副產品質量指標符合《工業用冰乙酸》（GB/T 1628—2020）[4]Ⅱ型指標。