莊 亮 亮
(中化泉州石化有限公司,福建 泉州 362000)
芳烴是一種重要的基礎(chǔ)化工原料,芳烴的產(chǎn)量是國(guó)家工業(yè)化程度的重要標(biāo)志[1]。在當(dāng)前形勢(shì)下,發(fā)展芳烴生產(chǎn)是適應(yīng)煉化產(chǎn)業(yè)逐漸從“燃料型”向“燃料-化工型”、“化工型”轉(zhuǎn)型的重要途徑[2]。PX(對(duì)二甲苯)是芳烴聯(lián)合裝置的主要產(chǎn)品。據(jù)統(tǒng)計(jì),2017年我國(guó)PX表觀消費(fèi)量為24.40 Mt,其中自產(chǎn)約10.00 Mt,進(jìn)口14.44 Mt,國(guó)內(nèi)PX自給率僅41%。目前我國(guó)PX產(chǎn)能正在提速建設(shè)中,恒力石化股份有限公司、浙江石油化工有限公司等民營(yíng)企業(yè)大型項(xiàng)目均配套有芳烴生產(chǎn)裝置,且規(guī)模都在4.0 Mta以上。盛虹石化集團(tuán)有限公司、中國(guó)石化海南煉油化工有限公司等企業(yè)的PX項(xiàng)目也已進(jìn)入建設(shè)末期,2020年還有中海油惠州石化有限公司、中化泉州石化有限公司、浙江石油化工有限公司二期等PX項(xiàng)目擬建或在建,國(guó)內(nèi)PX產(chǎn)能正處于爆發(fā)式增長(zhǎng)的階段。
以下通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)典型芳烴聯(lián)合裝置的能耗構(gòu)成進(jìn)行分析,確定該類裝置的主要能耗來(lái)源,并通過(guò)總結(jié)國(guó)內(nèi)外常用的芳烴聯(lián)合裝置節(jié)能降耗方法,結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和調(diào)研結(jié)果,探討裝置的節(jié)能降耗方法。
芳烴產(chǎn)品之間沸點(diǎn)接近,分離困難,因此芳烴聯(lián)合裝置的系統(tǒng)能耗很高。隨著世界性能源危機(jī)的不斷加劇和原材料價(jià)格的大幅度上漲,在能耗密集型過(guò)程工業(yè)中能源與原料的總成本已占生產(chǎn)成本的90%左右[3-4]。芳烴聯(lián)合裝置一般由二甲苯精餾、甲苯歧化及烷基轉(zhuǎn)移、吸附分離和C8芳烴異構(gòu)化4個(gè)單元組成。國(guó)內(nèi)某4套典型芳烴聯(lián)合裝置(分別稱為裝置1、裝置2、裝置3和裝置4)的設(shè)計(jì)能耗構(gòu)成如表1所示。
表1 典型芳烴聯(lián)合裝置的設(shè)計(jì)能耗構(gòu)成
由表1可知,不同芳烴聯(lián)合裝置的能耗構(gòu)成情況會(huì)因能量供應(yīng)方案的不同而有所區(qū)別,但普遍具有如下特點(diǎn):①燃料消耗量在總能耗中所占比例最大,為60%~80%;②芳烴聯(lián)合裝置的能耗結(jié)構(gòu)基本由燃料、電和蒸汽的消耗組成,其余消耗可忽略不計(jì)。
綜上分析,面對(duì)我國(guó)爆發(fā)式增長(zhǎng)的PX產(chǎn)業(yè)形勢(shì),針對(duì)芳烴聯(lián)合裝置節(jié)能降耗方法的研究十分有意義。根據(jù)芳烴聯(lián)合裝置能耗特點(diǎn),節(jié)能降耗應(yīng)考慮如何降低裝置的燃料、電和蒸汽消耗[5]。
對(duì)于常規(guī)芳烴聯(lián)合裝置,歧化及烷基轉(zhuǎn)移單元對(duì)PX產(chǎn)能的貢獻(xiàn)約占50%,其特點(diǎn)為在一定進(jìn)料配比范圍內(nèi),原料的C9芳烴比例越高,反應(yīng)的C8芳烴產(chǎn)率越高。因此,通過(guò)盡量增加歧化單元進(jìn)料中C9芳烴比例,可提高歧化反應(yīng)單程收率,減小歧化單元規(guī)模,從而達(dá)到節(jié)能降耗目的[6]。同時(shí)歧化反應(yīng)產(chǎn)生的C8芳烴中乙苯含量低、PX含量高,有利于提高PX的單程收率,降低能耗。部分芳烴聯(lián)合裝置還會(huì)通過(guò)外購(gòu)部分C8芳烴,以減少生產(chǎn)、分離C8芳烴所增加的能耗,或者通過(guò)裝置實(shí)際情況增產(chǎn)鄰二甲苯產(chǎn)品。
芳烴聯(lián)合裝置具有單元多、流程長(zhǎng)的特點(diǎn),采用熱集成和熱聯(lián)合具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì),其中的典型熱聯(lián)合方案主要包括[7]:①對(duì)二甲苯塔加壓操作,提高二甲苯塔塔頂氣相和塔底液相的熱源品位;塔頂氣相物流為抽出液和抽余液塔提供再沸熱源;塔底物流為多臺(tái)重沸器提供熱源。②吸附分離進(jìn)料與異構(gòu)化脫庚烷塔進(jìn)料進(jìn)行換熱,或與二甲苯精餾單元異構(gòu)化C8+芳烴進(jìn)料進(jìn)行換熱。③吸附進(jìn)料和循環(huán)解吸劑作為成品塔再沸器熱源。④上下游裝置間盡可能采用熱進(jìn)料方式等。
芳烴聯(lián)合裝置的精餾塔較多,塔底需要重沸熱源,塔頂氣相需要冷凝回流。傳統(tǒng)裝置為降低能耗,會(huì)盡可能降低精餾塔塔壓,塔頂通過(guò)空氣冷卻器或水冷卻器建立回流,因此塔頂?shù)蜏責(zé)彷^多。目前典型的低溫?zé)崂梅桨?,主要是利用抽出液和抽余液塔適當(dāng)提壓操作[8],塔頂氣相為蒸汽發(fā)生器提供熱源,產(chǎn)生低壓蒸汽,蒸汽通過(guò)加熱爐對(duì)流段過(guò)熱后,供下游發(fā)電裝置或供壓縮機(jī)透平作為驅(qū)動(dòng)介質(zhì),從而達(dá)到低溫?zé)崮艿母咝Ю谩?/p>
典型的精餾塔優(yōu)化操作可分為兩類:一是設(shè)備優(yōu)化,包括高效塔盤的選擇等;二是操作參數(shù)優(yōu)化,包括塔壓、溫度、回流比的及時(shí)調(diào)整。
通過(guò)開(kāi)發(fā)歧化及烷基轉(zhuǎn)移、異構(gòu)化先進(jìn)催化劑,在保證良好反應(yīng)性能的同時(shí),可以采用更低的反應(yīng)溫度和氫油比等,從而有效減少能量消耗[9]。國(guó)內(nèi)某芳烴聯(lián)合裝置與國(guó)外某較先進(jìn)的典型芳烴聯(lián)合裝置歧化、異構(gòu)化催化劑的主要工藝條件對(duì)比如表2所示。
表2 采用國(guó)內(nèi)外催化劑時(shí)的主要工藝條件對(duì)比
由表2可知,先進(jìn)的催化劑最顯著的特點(diǎn)就是反應(yīng)的氫油比低,這種反應(yīng)條件的差距最后都能有效體現(xiàn)在能耗和操作費(fèi)用上。
3.1.1 采用新型分子篩吸附劑SPX-5003Eluxyl吸附分離工藝的分子篩吸附劑一直在不斷改進(jìn)和更新,早期國(guó)內(nèi)外裝置普遍使用SPX-3000吸附劑,2014年開(kāi)始更換為性能更好的SPX-3003吸附劑,目前國(guó)內(nèi)幾套在建裝置已開(kāi)始使用傳質(zhì)效率有大幅提升的SPX-5003吸附劑。國(guó)內(nèi)幾套典型裝置使用SPX-3000,SPX-3003,SPX-5003吸附劑的效果對(duì)比如表3所示。由表3可以看出:SPX-5003吸附劑的穩(wěn)定性和可靠性更強(qiáng),PX產(chǎn)品純度達(dá)到99.8%,PX單程收率達(dá)到97%以上;與SPX-3003吸附劑相比,SPX-5003吸附劑的機(jī)械強(qiáng)度提高約10%,解吸劑進(jìn)料質(zhì)量比下降20%,緩解了裝置運(yùn)行過(guò)程中因吸附劑顆粒粉化造成床層壓降上升快、塔壓波動(dòng)大、吸附塔內(nèi)件易損壞的問(wèn)題,同時(shí)又因大幅度減小解吸劑循環(huán)量,從而大大降低了裝置能耗。
表3 各型號(hào)吸附劑性能對(duì)比
3.1.2 采用單臺(tái)吸附塔和單臺(tái)循環(huán)泵操作典型Eluxyl吸附分離工藝包括2臺(tái)吸附塔(共24個(gè)床層)和2臺(tái)循環(huán)泵(一臺(tái)控制壓力,一臺(tái)控制循環(huán)流量),并一共有144個(gè)開(kāi)關(guān)閥實(shí)現(xiàn)模擬移動(dòng)床。改進(jìn)后的最新工藝采用單臺(tái)吸附塔,僅需15個(gè)床層,并采用單臺(tái)循環(huán)泵控制循環(huán)流量,共90個(gè)開(kāi)關(guān)閥,降低了整體運(yùn)行能耗。Eluxyl吸附分離新工藝的吸附塔流程示意如圖1所示。
圖1 Eluxyl吸附分離新工藝的吸附塔流程示意
傳統(tǒng)的PX吸附分離工藝采用PDEB作為解吸劑,隨著吸附劑的更新?lián)Q代,吸附劑性能改善,采用輕質(zhì)解吸劑甲苯的吸附分離工藝更具有推廣應(yīng)用價(jià)值。采用輕質(zhì)解吸劑的優(yōu)點(diǎn)主要包括:①甲苯沸點(diǎn)低,整體分餾所需能耗降低;②熱集成中心由二甲苯塔改為抽余液塔,而且可以取消解吸劑再蒸餾塔;③吸附分離進(jìn)料指標(biāo)可適當(dāng)放寬,降低二甲苯塔能耗;④解吸劑循環(huán)量大大降低,從而能較大幅度降低裝置單位產(chǎn)品能耗;⑤甲苯可由芳烴聯(lián)合裝置內(nèi)部自產(chǎn),降低運(yùn)行成本。據(jù)調(diào)研,某廠擬建的一套0.60 Mta規(guī)模PX裝置,原計(jì)劃采用UOP公司的PAREX工藝,吸附劑為ADS-47,解吸劑為PDEB,后改為UOP公司的輕質(zhì)解吸劑工藝(LD PAREX)技術(shù),吸附劑為ADS-50,解吸劑為甲苯。
3.3.1 利用吸附劑裕量?jī)?yōu)化參數(shù),降低解吸劑循環(huán)量裝置新建或吸附劑換劑初期,為保證裝置平穩(wěn)性專利商會(huì)將吸附塔的運(yùn)行參數(shù)(劑油比、區(qū)域流量、循環(huán)流量、步進(jìn)時(shí)間等)適當(dāng)調(diào)整在“裕量”較大位置。某廠2014年吸附塔更換新型吸附劑SPX3003后,吸附性能提高,裝置穩(wěn)定后的運(yùn)行參數(shù)為:吸附負(fù)荷100%,PX純度99.82%,PX單程收率99.2%。
PX純度大于99.70%即為優(yōu)等品,由以上運(yùn)行參數(shù)可知,此裝置PX產(chǎn)品純度偏高,雖然能保證裝置操作波動(dòng)時(shí)的產(chǎn)品質(zhì)量,但能耗較高。解吸劑進(jìn)料比是衡量芳烴聯(lián)合裝置能耗水平的一個(gè)重要參數(shù),裝置運(yùn)行穩(wěn)定后,應(yīng)利用吸附劑裕量,通過(guò)適當(dāng)降低一區(qū)(解吸區(qū))流量和增大四區(qū)(緩沖區(qū))流量,降低解吸劑的循環(huán)量,達(dá)到節(jié)能降耗目的。某廠吸附塔操作參數(shù)優(yōu)化前后的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)比如表4所示。
表4 吸附塔操作參數(shù)優(yōu)化前后的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)比
優(yōu)化后因解吸劑循環(huán)量減小,抽出液和抽余液塔的操作負(fù)荷降低,分餾所需的熱負(fù)荷降低,最終能耗體現(xiàn)在加熱爐燃料氣的降低。據(jù)統(tǒng)計(jì),裝置總?cè)剂蠚庀牧拷档土?.7 th。若按燃料氣價(jià)格3 000 元t計(jì)算,則每年可節(jié)約的能耗成本約為1 300 萬(wàn)元。而且,由于解吸劑循環(huán)量降低,各塔相關(guān)機(jī)泵的輸送量減小,電耗也隨之降低。
3.3.2 提高PX單程收率,降低能耗通過(guò)國(guó)內(nèi)幾套裝置運(yùn)行狀態(tài)的調(diào)研發(fā)現(xiàn),各裝置在運(yùn)行過(guò)程中重點(diǎn)保證PX產(chǎn)品純度,PX收率會(huì)因?yàn)楦鞣N原因隨裝置運(yùn)行而逐步降低。若因分子篩失效或粉化等原因?qū)е滦阅芟陆?,為不可逆因素,裝置運(yùn)行后期必然能耗較高,只有通過(guò)更換分子篩提高收率,從而降低能耗。
區(qū)域流量的不合理分配,也會(huì)導(dǎo)致PX收率降低,若能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并優(yōu)化調(diào)整區(qū)域流量,則可在維持PX純度不變的前提下,提高PX收率,從而降低運(yùn)行能耗。某廠吸附塔參數(shù)優(yōu)化前后的Raman分析曲線對(duì)比如圖2所示,其中,縱坐標(biāo)為一個(gè)循環(huán)周期中對(duì)應(yīng)的步進(jìn)數(shù),橫坐標(biāo)為PX、乙苯(EB)、鄰二甲苯+間二甲苯(OX+MX)等各個(gè)組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
由圖2可以看出:參數(shù)優(yōu)化前由于三區(qū)(吸附區(qū))區(qū)域流量不合適,導(dǎo)致PX純度曲線出現(xiàn)“平臺(tái)”,表明更多的PX未能被分子篩吸附,而是隨循環(huán)物流到達(dá)三區(qū)底部,隨著抽余液被抽出,最終進(jìn)入異構(gòu)化單元,因而導(dǎo)致PX收率下降;通過(guò)調(diào)整三區(qū)區(qū)域流量,在保證PX純度為99.75%不變的前提下,PX收率由97.1%提高到98.2%,有效降低了裝置的運(yùn)行能耗。
圖2 某廠吸附塔參數(shù)優(yōu)化前后的Raman分析曲線對(duì)比 —PX; —EB; —OX+MX
3.3.3 優(yōu)化塔壓波動(dòng),降低設(shè)備損耗由于Eluxyl工藝吸附塔的特殊性,在切換過(guò)程中開(kāi)、關(guān)閥無(wú)法實(shí)現(xiàn)絕對(duì)的同步性,會(huì)造成切換時(shí)吸附塔壓力波動(dòng)。圖3為2017年12月26日某廠吸附塔開(kāi)、關(guān)閥一個(gè)完整切換周期(24個(gè)步進(jìn))中吸附塔AB塔底壓力隨時(shí)間的變化情況。由圖3可見(jiàn),A塔塔壓波動(dòng)在合理范圍內(nèi),但B塔的塔壓分別在第14和第19步進(jìn)開(kāi)、關(guān)閥切換時(shí)波動(dòng)較大,已超出允許范圍。吸附塔格柵在一定范圍內(nèi)能夠承受塔壓的波動(dòng),但一旦出現(xiàn)長(zhǎng)期的塔壓大幅波動(dòng),勢(shì)必會(huì)對(duì)格柵造成沖擊損壞。吸附塔格柵一旦損壞,更換成本巨大。因此,要密切觀察吸附塔塔壓波動(dòng)情況,及時(shí)調(diào)整控制閥ZTC控制參數(shù),可有效降低設(shè)備損耗。
圖3 某廠吸附塔一個(gè)開(kāi)、并閥切換周期中塔壓的變化情況
3.4.1 設(shè)計(jì)優(yōu)化加熱爐的設(shè)計(jì)優(yōu)化方案主要集中在5個(gè)方面:①設(shè)備大型化:隨著設(shè)備制造水平提高,設(shè)計(jì)過(guò)程充分考慮裝置供熱熱源集中,目前國(guó)內(nèi)幾套裝置加熱爐都采用單臺(tái)大型二甲苯塔塔底重沸爐提供系統(tǒng)所有熱能;②采用低NOx排放的高效燃燒器:不但可以使燃料充分燃燒,降低燃料消耗,而且能有效降低煙氣中的NOx含量,滿足環(huán)保要求;③采用新型高效看火門:不但能顯著降低看火門外壁溫度,減少熱量損失,而且良好的密封性還能有效防止空氣漏入爐膛,從而提高加熱爐熱效率;④爐外壁采用高強(qiáng)低導(dǎo)澆注料:能有效降低爐外壁溫度,減少熱量損失;⑤選用組合式空氣預(yù)熱器:提高加熱爐的余熱回收以達(dá)到提高加熱爐整體熱效率的效果,設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)選用組合式空氣預(yù)熱器,提高換熱效率,使煙氣排放溫度在100 ℃以下,加熱爐的整體計(jì)算熱效率可達(dá)94%。
3.4.2 操作優(yōu)化在加熱爐已經(jīng)施工完成的情況下,仍可通過(guò)工藝操作條件的優(yōu)化,達(dá)到改變加熱爐性能、提高加熱爐熱效率、降低燃料消耗的目的。具體措施如下:
①控制排煙溫度。某廠加熱爐正常排煙溫度為160 ℃,經(jīng)分析該廠燃料氣中硫含量較低,因而其煙氣的露點(diǎn)腐蝕溫度可控制較低。在二甲苯塔塔底重沸爐泵允許的情況下,適當(dāng)提高爐管流量以降低加熱爐輻射段溫度,進(jìn)而降低排煙溫度至140 ℃,加熱爐熱效率提高2%左右。
②控制氧含量。不合適的氧含量易造成燃料損失,對(duì)于加熱爐來(lái)說(shuō),燃燒是否充分,不僅體現(xiàn)在氧含量上,更重要的是體現(xiàn)在煙氣中的CO含量上。因此不但要實(shí)現(xiàn)煙氣中氧的低含量,還要實(shí)現(xiàn)煙氣中CO的低含量。無(wú)論煙氣中的氧含量有多低,只要是沒(méi)有檢測(cè)到CO,就可以繼續(xù)降低供風(fēng)量,但是如果CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于100 μgg,則需要增加供風(fēng)量,否則就存在燃燒不完全情況,造成燃料浪費(fèi),不但能耗增加,而且造成新的污染。
③控制加熱爐的漏風(fēng)。加熱爐對(duì)流段的密封比較嚴(yán)密,漏風(fēng)量很少,加熱爐的漏風(fēng)主要發(fā)生在輻射室。正常加熱爐的最大負(fù)壓處于爐底,如某廠加熱爐正常工況下,輻射段底部壓力為-400~-200 Pa,而爐頂壓力為-80~-20 Pa。加熱爐日常操作中,看火窗的開(kāi)關(guān)要嚴(yán)格管理,嚴(yán)禁看完火未關(guān)閉的情況。同樣加熱爐底部的看火孔可采用耐高溫玻璃材質(zhì),便于觀察又能有效防止空氣漏入加熱爐內(nèi)。
3.4.3 管理優(yōu)化提升加熱爐的運(yùn)行管理水平也能實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。例如:通過(guò)建立加熱爐周報(bào)制度,加強(qiáng)日常監(jiān)測(cè),可掌握加熱爐燃燒狀態(tài)及時(shí)調(diào)整保證高效;通過(guò)綜合分析,及時(shí)反饋,落實(shí)整改,形成閉環(huán)操作模式的方式,發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)整改處理,保證加熱爐處于高效燃燒狀態(tài);開(kāi)展勞動(dòng)競(jìng)賽,提升加熱爐控制水平;加強(qiáng)巡檢與抽檢,保持加熱爐穩(wěn)定高效;開(kāi)發(fā)“遠(yuǎn)程在線煙氣檢測(cè)系統(tǒng)”,實(shí)現(xiàn)在線評(píng)價(jià)與調(diào)節(jié);注重總結(jié)各項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果,為大檢修提供全面技術(shù)保障。
選用高效節(jié)能設(shè)備的具體措施有:①歧化反應(yīng)和異構(gòu)化反應(yīng)單元的進(jìn)料換熱器可考慮選用新型高效纏繞管式換熱器,以提高傳熱效率,減小冷熱端溫差,減少進(jìn)料加熱爐的熱負(fù)荷,降低裝置能耗,且又能避免因板式換熱器壓差高而限制操作調(diào)整的弊端。②裝置中的大型塔設(shè)備,應(yīng)盡量選用高性能塔盤,提高分離效率,降低回流比,減少塔底加熱爐或重沸器的熱負(fù)荷,以達(dá)到節(jié)能的目的。③選用高效率泵和電機(jī),以節(jié)省能量。在泵的選型過(guò)程中,通過(guò)采用不同的葉輪、葉片形式來(lái)盡可能提高其效率;對(duì)離心泵,限定泵額定流量和正常流量應(yīng)在最佳效率點(diǎn)流量附近的一定范圍之內(nèi),以保持較高的效率;根據(jù)泵的實(shí)際揚(yáng)程考慮葉輪的大小,在設(shè)計(jì)階段就充分做到量體裁衣,堅(jiān)決避免大馬拉小車。同時(shí)選用高效率電機(jī),以節(jié)省能量。④結(jié)合實(shí)際情況,并根據(jù)工藝要求及全廠蒸汽等級(jí)和凝結(jié)水平衡情況確定選擇壓縮機(jī)類型,壓縮機(jī)的選擇決定蒸汽的能耗和電耗,蒸汽透平采用背壓式的能耗比采用凝汽式低很多[10]。⑤如果條件允許可以在裝置內(nèi)采用APC先進(jìn)控制系統(tǒng),對(duì)主要工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化控制,在滿足工藝要求的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)“卡邊”控制,從而有效降低裝置的操作費(fèi)用,提高能量利用效率。
由于流程長(zhǎng)、工藝較復(fù)雜,芳烴聯(lián)合裝置屬于煉油化工裝置中單位能耗較高的裝置。面對(duì)目前國(guó)內(nèi)大量芳烴聯(lián)合裝置爆發(fā)式增長(zhǎng)的局面,節(jié)能降耗的意義顯得尤為重要。芳烴聯(lián)合裝置節(jié)能降耗應(yīng)該由設(shè)計(jì)單位和生產(chǎn)單位緊密結(jié)合,在設(shè)計(jì)階段就應(yīng)充分考慮生產(chǎn)過(guò)程面臨的問(wèn)題,充分優(yōu)化工藝路線、方案和設(shè)備設(shè)計(jì),盡可能降低裝置的能耗。同樣,裝置運(yùn)行過(guò)程中,生產(chǎn)部門應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化管理,優(yōu)化日常操作,從而進(jìn)一步降低裝置的操作能耗。