秦文戈，李明發(fā)

(1.中國(guó)石油化工股份有限公司工程部，北京 100728；2.中國(guó)石化海南煉油化工有限公司)

芳烴聯(lián)合裝置是以石腦油為原料，以生產(chǎn)苯、甲苯、對(duì)二甲苯(PX)為目的產(chǎn)品的系列裝置的總稱，一般包括石腦油預(yù)加氫、催化重整、芳烴抽提、歧化及烷基轉(zhuǎn)移、吸附分離、異構(gòu)化、二甲苯分餾等單元[1]。中國(guó)石油化工股份有限公司(簡(jiǎn)稱中國(guó)石化)首套國(guó)產(chǎn)化600 kt/a芳烴聯(lián)合裝置于2013年12月建成投產(chǎn)，主要包括芳烴抽提、歧化及烷基轉(zhuǎn)移、吸附分離、異構(gòu)化、二甲苯分餾等單元及配套的公用工程系統(tǒng)。該裝置以C6+重整生成油和部分外購(gòu)混合二甲苯為原料，主要產(chǎn)品為對(duì)二甲苯、鄰二甲苯和苯，同時(shí)副產(chǎn)高辛烷值汽油調(diào)合組分和抽余油。中國(guó)石化第二套國(guó)產(chǎn)化芳烴聯(lián)合裝置的規(guī)模為1 000 kt/a，于2019年9月建成投產(chǎn)，主要包括二甲苯分餾、吸附分離、異構(gòu)化3個(gè)單元及與之配套的公用工程系統(tǒng)。該裝置以外購(gòu)混合二甲苯為原料，主要產(chǎn)品為對(duì)二甲苯和鄰二甲苯。這兩套國(guó)產(chǎn)化芳烴聯(lián)合裝置自開車成功以來運(yùn)行平穩(wěn)，能耗及工藝技術(shù)指標(biāo)在整個(gè)芳烴行業(yè)處于領(lǐng)先地位。

然而近年來，國(guó)內(nèi)多個(gè)大型PX裝置陸續(xù)建成投產(chǎn)，對(duì)國(guó)內(nèi)PX市場(chǎng)產(chǎn)生了巨大影響，芳烴裝置的盈利能力大幅下降，甚至虧損。能耗成本是芳烴加工成本的重要組成，降低能耗有利于提高裝置經(jīng)濟(jì)性和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。芳烴聯(lián)合裝置中的吸附分離、異構(gòu)化、二甲苯分餾3個(gè)單元是芳烴聯(lián)合裝置的能耗大戶，其能耗占芳烴聯(lián)合裝置總能耗的80%以上[2]，因此降低這3個(gè)單元的能耗是提高芳烴聯(lián)合裝置經(jīng)濟(jì)性和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的重要途徑。一般將吸附分離、異構(gòu)化、二甲苯分餾3個(gè)單元合稱為二甲苯裝置。本研究通過對(duì)上述600 kt/a芳烴聯(lián)合裝置的1號(hào)二甲苯裝置(簡(jiǎn)稱1號(hào)裝置)和1 000 kt/a芳烴聯(lián)合裝置的2號(hào)二甲苯裝置(簡(jiǎn)稱2號(hào)裝置)在能耗、原料、換熱流程、低溫余熱利用效率及催化劑、吸附劑使用量等方面進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比，分析總結(jié)降低二甲苯裝置能耗的措施及優(yōu)化方向。

1 二甲苯裝置概況

1.1 二甲苯裝置能耗

二甲苯裝置是高能耗裝置，其用能的重要特點(diǎn)是分離系統(tǒng)與換熱網(wǎng)絡(luò)高度耦合。二甲苯加熱爐是二甲苯裝置的主要熱源，可為二甲苯塔和其他精餾塔再沸器供熱[3]，是全裝置的供熱中心，因而二甲苯加熱爐的燃料消耗在裝置能耗中占比很大。

表1對(duì)比了1號(hào)裝置和2號(hào)裝置中二甲苯加熱爐燃燒器噴火嘴和氧含量檢測(cè)器的數(shù)量。從表1可知：2號(hào)裝置中加熱爐每個(gè)燃燒器有8股火焰比1號(hào)裝置加熱爐(3股火焰)的燃燒更穩(wěn)定；而且其設(shè)置的氧含量監(jiān)測(cè)點(diǎn)有10個(gè)，比1號(hào)裝置加熱爐氧含量監(jiān)測(cè)點(diǎn)(1個(gè))測(cè)得的數(shù)據(jù)更具有代表性，因而可以根據(jù)氧含量監(jiān)測(cè)值及時(shí)精準(zhǔn)調(diào)整加熱爐送風(fēng)量，從而提高二甲苯加熱爐熱效率，減少燃料消耗量，降低裝置能耗[4]。

表1 二甲苯加熱爐燃燒器、氧含量檢測(cè)儀配置

電耗也是裝置能耗的重要組成部分，國(guó)產(chǎn)化芳烴裝置首創(chuàng)利用低溫余熱發(fā)電技術(shù)，大幅降低了裝置能耗，實(shí)現(xiàn)低溫余熱發(fā)電量大于全裝置耗電量，裝置運(yùn)行實(shí)現(xiàn)“由外供電到向外送電”的歷史性突破，大幅降低裝置能耗；規(guī)?；б骘@著，增大裝置規(guī)?？梢杂行Ы档脱b置產(chǎn)品能耗。表2為1號(hào)裝置和2號(hào)裝置在80%負(fù)荷時(shí)能耗情況，表3為1號(hào)裝置和2號(hào)裝置在80%負(fù)荷時(shí)PX產(chǎn)量和綜合能耗，1號(hào)裝置產(chǎn)品能耗為247.09 kgEO/t(1 kgEO=41.8 MJ)，2號(hào)裝置產(chǎn)品能耗為177.2 kgEO/t，可以看出2號(hào)裝置的能耗大幅低于1號(hào)裝置。

表2 1號(hào)裝置和2號(hào)裝置的能耗統(tǒng)計(jì)結(jié)果(80%負(fù)荷)

表3 1號(hào)裝置和2號(hào)裝置的PX產(chǎn)量和產(chǎn)品能耗(80%負(fù)荷)

1.2 不同二甲苯裝置的加工原料

二甲苯裝置的原料通常為催化重整裝置的產(chǎn)物重整生成油以及外購(gòu)的混合二甲苯。不同原料的芳烴含量不同，因而加工工藝流程稍有區(qū)別，對(duì)裝置產(chǎn)品收率和能耗會(huì)有明顯影響[5]。2019年11月28—30日兩套二甲苯裝置在80%負(fù)荷時(shí)的原料組成情況如表4所示。由表4可知：1號(hào)裝置加工原料為質(zhì)量分?jǐn)?shù)50.70%的C8+重整生成油、質(zhì)量分?jǐn)?shù)42.96%的歧化C8+芳烴、以及質(zhì)量分?jǐn)?shù)6.34%的外購(gòu)混合C8芳烴，經(jīng)計(jì)算可得原料中PX、C8芳烴、C9+芳烴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為12.18%，58.87%，40.74%；2號(hào)裝置原料全部為外購(gòu)C8芳烴，原料中PX、C8芳烴、C9+芳烴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為18.55%，99.15%，0.72%?？梢?，2號(hào)裝置的原料中PX含量較高，C9+芳烴含量很低，因而大幅降低了二甲苯分餾單元的物料循環(huán)量，相應(yīng)降低了二甲苯塔的產(chǎn)物分離難度，有利于降低芳烴聯(lián)合裝置的綜合能耗。

表4 兩套二甲苯裝置的加工原料數(shù)據(jù)

2 二甲苯裝置工藝流程優(yōu)化

芳烴聯(lián)合裝置工藝流程長(zhǎng)、操作復(fù)雜，各加工單元間工藝流程高度關(guān)聯(lián)，通過熱集成技術(shù)和流程優(yōu)化實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗[6]。在二甲苯裝置的熱聯(lián)合流程中，2號(hào)裝置的熱聯(lián)合程度比1號(hào)裝置更加緊密和優(yōu)化。兩者的主要區(qū)別有3個(gè)方面：①基于低溫利于吸附、高溫利于脫附的原理，優(yōu)化了吸附分離單元裝置進(jìn)料溫度，2號(hào)裝置的吸附進(jìn)料溫度比1號(hào)裝置低了15 ℃；對(duì)2號(hào)裝置吸附進(jìn)料的換熱流程進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化(見圖1)，優(yōu)化后2號(hào)裝置的熱量直接利用率提高，能效也得到提升。②1號(hào)裝置異構(gòu)化汽提塔的熱源為1.0 MPa蒸汽，重整油分餾塔再沸器部分的熱源為3.5 MPa蒸汽；2號(hào)裝置中所有精餾塔均未采用蒸汽加熱，異構(gòu)化汽提塔的熱源改為異構(gòu)化進(jìn)料。③1號(hào)裝置的異構(gòu)化壓縮機(jī)由外來3.5 MPa蒸汽驅(qū)動(dòng)，2號(hào)裝置的異構(gòu)化壓縮機(jī)則由回收裝置余熱自產(chǎn)的低壓蒸汽驅(qū)動(dòng)，省去了對(duì)外供3.5 MPa蒸汽的消耗。上述流程優(yōu)化使裝置能耗進(jìn)一步降低約29 kgEO/t。

3 低溫?zé)崂?/h2>

芳烴聯(lián)合裝置的工藝特性決定了整個(gè)裝置物料循環(huán)量大、設(shè)備大型化，特別是塔器大型化，各精餾塔的冷/熱負(fù)荷均較高。對(duì)于常壓塔來說，由于操作壓力低、溫位低，導(dǎo)致塔頂?shù)蜏赜酂峄厥绽щy[7-8]。為滿足工藝生產(chǎn)對(duì)物料溫度的要求，傳統(tǒng)芳烴生產(chǎn)工藝中往往采用空氣冷卻或循環(huán)水冷卻等方式將這些低溫?zé)崤派?，致使大量低溫余熱沒有得到有效利用。鑒于此，國(guó)產(chǎn)化芳烴成套技術(shù)利用低溫?zé)岚l(fā)生蒸汽或通過熱媒水的方式進(jìn)行回收利用，不但節(jié)省了冷卻空氣和循環(huán)水的用量，而且可將回收的低溫?zé)嵊糜谧援a(chǎn)電能，顯著降低了裝置能耗。

3.1 低溫?zé)岚l(fā)生蒸汽

二甲苯塔是二甲苯裝置的物料集合分離中心和熱量集成中心。將二甲苯塔塔頂和塔底分別與抽余液塔、抽出液塔等進(jìn)行熱集成，一方面可以充分回收塔頂冷凝熱，另一方面通過集中供熱可以提高熱利用效率。中國(guó)石化自主芳烴成套技術(shù)在芳烴聯(lián)合裝置設(shè)計(jì)[9]時(shí)首創(chuàng)對(duì)二甲苯塔提壓提溫，協(xié)同提高抽余液塔和抽出液塔的塔頂操作壓力和物料的溫位，利用抽余液塔和抽出液塔塔頂余熱發(fā)生低壓蒸汽。

表5為在80%負(fù)荷下1號(hào)裝置和2號(hào)裝置的二甲苯塔、抽余液塔、抽出液塔以及蒸汽系統(tǒng)連續(xù)3天操作參數(shù)平均值。由表5可知：在2號(hào)裝置的二甲苯塔塔頂壓力比1號(hào)裝置降低0.17 MPa的情況下，其抽余液塔和抽出液塔仍可以滿足回收塔塔頂?shù)蜏赜酂嶙援a(chǎn)0.45 MPa蒸汽的要求；同時(shí)采用更低的操作壓力可以降低二甲苯塔物系的分離難度，可有效降低精餾塔回流比，節(jié)省操作費(fèi)用。2號(hào)裝置回收熱發(fā)生的低壓蒸汽經(jīng)二甲苯加熱爐對(duì)流段過熱后優(yōu)先用于異構(gòu)化循環(huán)氫壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)，其余部分送入蒸汽發(fā)電機(jī)組發(fā)電，蒸汽利用效率更高，有利于降低裝置能耗。

表5 兩套二甲苯裝置主要運(yùn)行參數(shù)對(duì)比

3.2 低溫?zé)岙a(chǎn)熱水

對(duì)于不能發(fā)生蒸汽的低溫位余熱，可采用產(chǎn)生熱水發(fā)電的方式回收低溫?zé)?。?為兩套二甲苯裝置低溫?zé)峄厥债a(chǎn)生熱水發(fā)電相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)。由表6可知：1號(hào)裝置回收低溫?zé)岙a(chǎn)生的熱水量為433.76 t/h，有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)熱水發(fā)電機(jī)組用量為202.00 t/h，熱水利用率為46.6%，發(fā)電量為723.8 kW·h，其余熱水經(jīng)水冷器冷卻后循環(huán)回系統(tǒng)；2號(hào)裝置回收低溫?zé)岙a(chǎn)生的熱水量為 568.57 t/h，ORC熱水發(fā)電機(jī)組用量568.57 t/h，熱水利用率為100%，發(fā)電量為1 817.5 kW·h。此外，若優(yōu)化調(diào)整操作參數(shù)將2號(hào)裝置的ORC機(jī)組進(jìn)水溫度提高至123 ℃，則發(fā)電量將明顯增加，裝置能耗還將進(jìn)一步降低。

表6 兩套二甲苯裝置熱水發(fā)電運(yùn)行數(shù)據(jù)

4 催化劑與吸附劑性能對(duì)裝置的影響

兩套二甲苯裝置的異構(gòu)化單元和吸附分離單元均選用了中國(guó)石化石油化工科學(xué)研究院開發(fā)的催化劑和吸附劑。其中，1號(hào)裝置選用的是RIC-200乙苯轉(zhuǎn)化型異構(gòu)化催化劑和RAX-3000型PX吸附劑。2號(hào)裝置選用的是新一代RIC-270型異構(gòu)化催化劑和RAX-4000型PX吸附劑。其性能對(duì)比見表7。

從表7可知，選用新一代催化劑和吸附劑后，2號(hào)裝置異構(gòu)化單元的異構(gòu)化率和乙苯轉(zhuǎn)化率均明顯提高，異構(gòu)化產(chǎn)物中乙苯和碳八非芳烴(C8NA)含量降低，有效增產(chǎn)了PX。由表4加工原料情況可知，1號(hào)裝置的新鮮C8芳烴原料中的乙苯含量為5.457%，而2號(hào)裝置則為15.993%，2號(hào)裝置的新鮮C8芳烴原料中的乙苯含量遠(yuǎn)高于1號(hào)裝置。可見，2號(hào)裝置使用的RIC-270型乙苯高效轉(zhuǎn)化催化劑更適應(yīng)于高乙苯含量原料，可有效降低乙苯、C8非芳烴的含量，對(duì)減少物料循環(huán)量、提高產(chǎn)物中的PX含量是有利的。吸附分離單元在單位吸附劑吸附能力大幅增強(qiáng)的情況下解吸劑相對(duì)循環(huán)量基本不變。由此提高了裝置整體運(yùn)行效率，有利于降低裝置能耗。

表7 兩套二甲苯裝置異構(gòu)化催化劑與PX吸附劑性能對(duì)比

5 結(jié) 論

通過對(duì)比兩套國(guó)產(chǎn)化芳烴聯(lián)合裝置中吸附分離、異構(gòu)化、二甲苯分餾3個(gè)單元(合稱二甲苯裝置)的能耗、原料、工藝流程和低溫?zé)崂?，發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)裝置熱聯(lián)合利用水平，通過物料間直接換熱可提升熱利用效率；裝置低溫余熱回收后可發(fā)生蒸汽或產(chǎn)生熱媒水，用于優(yōu)先壓縮機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)介質(zhì)，其余用于自產(chǎn)發(fā)電，可盡可能減少或避免使用外供蒸汽，降低裝置能耗；采用高效燃燒器提高加熱爐熱效率；使用新一代高性能催化劑和吸附劑等措施，均可有效降低二甲苯裝置綜合能耗，增加裝置效益。