秦文戈

(中國(guó)石油化工集團(tuán)有限公司工程部,北京 100728)

綠色低碳和節(jié)能環(huán)保已成為當(dāng)今社會(huì)主題,石油化工屬于高耗能行業(yè),特別是芳烴聯(lián)合裝置各單元物料循環(huán)量大、分離精度高、產(chǎn)品能耗高,因此降低產(chǎn)品能耗是提高裝置競(jìng)爭(zhēng)力的重要手段。雖然芳烴聯(lián)合裝置中存在大量的低溫余熱,但是將其回收利用卻很難,因?yàn)闊o(wú)法找到合適的工藝物流與其進(jìn)行直接換熱。這部分低溫余熱通常采用空冷或水冷的方式進(jìn)行冷卻,既浪費(fèi)大量熱量,又額外消耗電能和循環(huán)水。由于低溫余熱主要集中在抽余液塔和抽出液塔的塔頂氣相物流中,為了高效回收低溫余熱,在首套國(guó)產(chǎn)化芳烴聯(lián)合裝置中進(jìn)行了設(shè)計(jì)創(chuàng)新,適當(dāng)提高二甲苯塔、抽余液塔和抽出液塔的操作壓力和溫度,從而提高抽余液塔和抽出液塔的塔頂氣相物料溫度,使其能夠產(chǎn)生0.45 MPa低壓飽和蒸汽,蒸汽經(jīng)二甲苯塔重沸爐對(duì)流段過(guò)熱后,一部分用于裝置除氧器除氧和內(nèi)部伴熱使用,另一部分用于驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電,其發(fā)電量大于聯(lián)合裝置的全部用電量,實(shí)現(xiàn)了對(duì)外供電,此舉大大降低了裝置能耗,提高了裝置競(jìng)爭(zhēng)力。

1 芳烴聯(lián)合裝置低溫余熱利用現(xiàn)狀

芳烴聯(lián)合裝置通常包括芳烴抽提、歧化、吸附分離、異構(gòu)化和二甲苯分餾裝置及配套公用工程設(shè)施,五套主體裝置的工藝流程高度關(guān)聯(lián),為了實(shí)現(xiàn)各精餾塔之間的高度熱聯(lián)合和熱集中,系統(tǒng)高溫余熱一般都直接通過(guò)與工藝物料換熱的方式實(shí)現(xiàn)回收利用。芳烴生產(chǎn)工藝特性決定了其工藝物料循環(huán)量特別大,造成設(shè)備大型化,特別是塔器大型化,使精餾塔負(fù)荷增大,塔頂存在大量的低溫余熱,而對(duì)于常壓塔來(lái)說(shuō),由于塔頂壓力和溫度較低,這部分低溫余熱無(wú)法回收,只能采用空冷或水冷的方式進(jìn)行冷卻,低溫余熱被白白浪費(fèi),從而造成傳統(tǒng)芳烴聯(lián)合裝置能耗居高不下。表1為國(guó)內(nèi)采用IFP工藝技術(shù)的450 kt/a芳烴聯(lián)合裝置中各精餾塔頂?shù)蜏赜酂崆闆r,數(shù)據(jù)表明,大量的低溫余熱集中在抽余液塔和抽出液塔的塔頂部位,因此如何回收這兩個(gè)塔頂?shù)牡蜏赜酂峋统蔀檠b置節(jié)能降耗的關(guān)鍵[1]。

表1 各精餾塔頂?shù)蜏赜酂?/p>

2 芳烴聯(lián)合裝置低溫余熱回收瓶頸

在采用UOP和IFP工藝技術(shù)的芳烴聯(lián)合裝置中,抽余液塔和抽出液塔的塔頂存在大量的低溫余熱被白白浪費(fèi)掉,而未被回收利用的主要原因有:

(1)塔頂溫度較低。抽余液塔和抽出液塔采用常壓塔設(shè)計(jì),塔頂溫度為145～160 ℃,在芳烴聯(lián)合裝置中找不到合適的低溫工藝物料與之進(jìn)行直接換熱,實(shí)現(xiàn)熱量回收利用。

(2)異構(gòu)化催化劑和吸附塔吸附劑對(duì)進(jìn)料中的水含量有嚴(yán)格限制。異構(gòu)化催化劑要求進(jìn)料中的水質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于50 μg/g,吸附塔吸附劑要求進(jìn)料中的水質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于120 μg/g。若利用塔頂常壓氣相物料與水進(jìn)行換熱,換熱器一旦發(fā)生泄漏,水就會(huì)進(jìn)入工藝物料中,必將導(dǎo)致工藝物料中的水含量超標(biāo),工藝物料攜帶水分進(jìn)入異構(gòu)化反應(yīng)器和吸附塔,不僅會(huì)降低催化劑和吸附劑的使用壽命,而且會(huì)加速吸附劑和催化劑的水熱老化,對(duì)吸附劑和催化劑造成永久性損害。吸附劑一旦出現(xiàn)永久性損害,就需要卸出舊劑和再裝入新劑,由于吸附劑價(jià)格昂貴、裝填量大,即使采用24 h不間斷施工作業(yè)也至少需要6個(gè)月時(shí)間才能完成,除了巨大的經(jīng)濟(jì)損失外,也將造成不良的社會(huì)影響。因此,在吸附分離和異構(gòu)化裝置工藝設(shè)計(jì)中,為了延長(zhǎng)催化劑和吸附劑的使用壽命,最大限度地降低風(fēng)險(xiǎn),嚴(yán)禁工藝介質(zhì)與水換熱。

(3)工業(yè)上一般采取與水換熱的方式回收低溫余熱,換熱后的熱水用于供暖或發(fā)電,由于供暖受季節(jié)氣候影響,環(huán)境溫度變化較大,熱水供暖的連續(xù)性和穩(wěn)定性較差;傳統(tǒng)的熱水發(fā)電通過(guò)膨脹做功,發(fā)電效率極低,且在國(guó)內(nèi)同類芳烴聯(lián)合裝置中尚沒(méi)有應(yīng)用業(yè)績(jī)。

3 芳烴聯(lián)合裝置余熱回收利用

3.1 芳烴聯(lián)合裝置低溫余熱回收方案

為了高效回收抽余液塔和抽出液塔的塔頂?shù)蜏赜酂?首套國(guó)產(chǎn)化芳烴聯(lián)合裝置在設(shè)計(jì)階段就提出了低溫余熱回收方案,即對(duì)抽余液塔和抽出液塔進(jìn)行適當(dāng)升壓、升溫,采用蒸汽發(fā)生器取代空冷器,使其塔頂氣相物料能夠產(chǎn)生0.45 MPa低壓飽和蒸汽。芳烴聯(lián)合裝置主要是以二甲苯塔為熱量集成中心進(jìn)行熱聯(lián)合,抽余液塔和抽出液塔采用二甲苯塔的塔頂與塔底物料作為塔底再沸器熱源,如果要實(shí)現(xiàn)抽余液塔和抽出液塔的升溫、升壓,就需要先對(duì)二甲苯塔進(jìn)行適當(dāng)升溫、升壓。不同工藝裝置的運(yùn)行數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。數(shù)據(jù)顯示,國(guó)產(chǎn)化芳烴聯(lián)合裝置中二甲苯塔、抽余液塔和抽出液塔均采取加壓操作,塔頂、塔底溫度均比UOP和IFP工藝的溫度要高,這顯著提升了塔頂熱源回收利用空間,很大程度上提高了換熱效率。

表2 不同工藝裝置的運(yùn)行數(shù)據(jù)

國(guó)產(chǎn)化芳烴聯(lián)合裝置抽余液塔和抽出液塔的塔頂?shù)蜏赜酂峄厥展に嚵鞒桃?jiàn)圖1。抽余液塔和抽出液塔的塔頂產(chǎn)生的0.45 MPa飽和蒸汽與甲苯塔頂自產(chǎn)蒸汽匯合后進(jìn)入二甲苯塔重沸爐對(duì)流段進(jìn)行過(guò)熱,除少量蒸汽用于除氧器除氧和裝置伴熱外,其余蒸汽送至凝汽式汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電,乏汽采用板式濕空冷器進(jìn)行冷卻,冷卻后形成的凝結(jié)水經(jīng)過(guò)精密過(guò)濾器過(guò)濾后送至除氧器除氧,水量不足部分由系統(tǒng)除鹽水補(bǔ)充,除氧水再送至各蒸汽發(fā)生器循環(huán)使用。

圖1 塔頂?shù)蜏赜酂峄厥展に嚵鞒?/p>

3.2 低溫余熱回收系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)防控措施

抽余液塔和抽出液塔的塔頂余熱回收技術(shù)的應(yīng)用大大增加了芳烴裝置設(shè)備、系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)風(fēng)險(xiǎn),例如,當(dāng)蒸汽發(fā)電機(jī)因故障而跳停或除鹽水供應(yīng)發(fā)生中斷時(shí),會(huì)使各精餾塔壓力迅速上漲,不僅會(huì)造成產(chǎn)品質(zhì)量不合格,而且會(huì)影響設(shè)備安全運(yùn)行,造成安全事故;又如當(dāng)蒸汽發(fā)生器發(fā)生泄漏時(shí),會(huì)使大量水分進(jìn)入物料系統(tǒng),對(duì)催化劑和吸附劑造成損害,因此通過(guò)以下風(fēng)險(xiǎn)防控措施來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)低溫余熱回收系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

(1)提高蒸汽發(fā)生器的設(shè)備質(zhì)量。抽余液塔和抽出液塔的塔頂蒸汽發(fā)生器采用雙管板U形管式結(jié)構(gòu),即使管板發(fā)生泄漏,殼程介質(zhì)也不會(huì)直接進(jìn)入管程,且管束采用高通量管,不僅提高了設(shè)備的安全性,而且提高了換熱效率[2]。

(2)提高蒸汽發(fā)生器的設(shè)計(jì)壓力。蒸汽發(fā)生器的設(shè)計(jì)壓力較高,管程設(shè)計(jì)壓力為0.8 MPa,殼程設(shè)計(jì)壓力為1.0 MPa,而正常生產(chǎn)中蒸汽發(fā)生器管程壓力為0.25 MPa,殼程壓力為0.45 MPa,設(shè)計(jì)壓力遠(yuǎn)高于操作壓力,提高了蒸汽發(fā)生器的安全性。

(3)設(shè)置備用蒸汽發(fā)生器。抽余液塔頂設(shè)置了4臺(tái)蒸汽發(fā)生器,每臺(tái)按照滿足抽余液塔30%熱負(fù)荷來(lái)設(shè)計(jì),總的熱負(fù)荷達(dá)到120%;抽出液塔頂設(shè)置了2臺(tái)蒸汽發(fā)生器,每臺(tái)能滿足抽出液塔60%熱負(fù)荷,總的熱負(fù)荷也是120%,且設(shè)計(jì)了2臺(tái)備用空冷器,每臺(tái)能滿足抽出液塔50%熱負(fù)荷。因此,在正常生產(chǎn)下,每臺(tái)蒸汽發(fā)生器都可以單獨(dú)切出,隔離檢修十分方便。

(4)完善監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)。蒸汽發(fā)生器后均安裝了在線水分析儀,可以實(shí)時(shí)監(jiān)控塔頂冷凝物料中的水含量,如果蒸汽發(fā)生器發(fā)生泄漏,水分進(jìn)入塔頂冷凝物料,監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出聲音和閃爍報(bào)警,操作人員可以第一時(shí)間進(jìn)行處理。

(5)蒸汽發(fā)電機(jī)前設(shè)置放空調(diào)節(jié)閥。當(dāng)蒸汽發(fā)電機(jī)跳停時(shí),蒸汽輪機(jī)入口的主蒸汽閥關(guān)閉,會(huì)造成蒸汽系統(tǒng)壓力快速上漲,抽余液塔和抽出液塔壓力上升,導(dǎo)致整個(gè)生產(chǎn)工藝波動(dòng)較大。為了降低此類風(fēng)險(xiǎn),在蒸汽發(fā)電機(jī)入口設(shè)置一個(gè)蒸汽放空調(diào)節(jié)閥,設(shè)置聯(lián)鎖智能調(diào)節(jié)功能,實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)蒸汽壓力的快速調(diào)整。

(6)增設(shè)事故備用除鹽水罐。正常生產(chǎn)中蒸汽進(jìn)入蒸汽輪機(jī)做功后的凝結(jié)水依次經(jīng)精密過(guò)濾器過(guò)濾、除氧器除氧后,送至蒸汽發(fā)生器循環(huán)使用。當(dāng)蒸汽發(fā)電機(jī)跳停時(shí),大量蒸汽放空,除氧器需要及時(shí)補(bǔ)充大量的除鹽水。此情況的事故處理預(yù)案為:一是大量補(bǔ)充來(lái)自系統(tǒng)總管的除鹽水;二是增設(shè)一個(gè)1 000 m3的備用除鹽水罐,當(dāng)系統(tǒng)除鹽水補(bǔ)充不足時(shí),使用備用除鹽水補(bǔ)充以維持生產(chǎn)。

(7)補(bǔ)充蒸汽以保證蒸汽發(fā)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定。為了實(shí)現(xiàn)首次成功開(kāi)車,對(duì)0.45 MPa蒸汽管網(wǎng)進(jìn)行蒸汽吹掃,并對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行提前試車;為了防止正常生產(chǎn)時(shí)0.45 MPa蒸汽管網(wǎng)壓力波動(dòng)造成蒸汽發(fā)電機(jī)的非計(jì)劃停車,在進(jìn)二甲苯塔重沸爐前的蒸汽管線上,增加一條補(bǔ)充蒸汽管線。當(dāng)抽余液塔和抽出液塔壓力波動(dòng),造成蒸汽系統(tǒng)的壓力大幅波動(dòng)時(shí),可以及時(shí)投用這條補(bǔ)充蒸汽管線,保證蒸汽發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行。

4 低壓蒸汽發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行分析

為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)低壓蒸汽發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行效率,在一天的不同時(shí)間采集了各塔頂蒸汽發(fā)生器所提供蒸汽的溫度、壓力及流量數(shù)據(jù)和蒸汽發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù),具體數(shù)據(jù)分別見(jiàn)表3和表4。先計(jì)算蒸汽發(fā)電機(jī)組凈發(fā)電量所對(duì)應(yīng)的熱能,再計(jì)算過(guò)熱蒸汽轉(zhuǎn)變?yōu)槟Y(jié)水時(shí)所減少的熱能,然后通過(guò)兩者的比值來(lái)求得低壓蒸汽發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

表3 各塔頂蒸汽參數(shù)

表4 蒸汽發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)

5 低溫余熱回收發(fā)電技術(shù)效益分析

5.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

抽余液塔和抽出液塔的塔頂采用蒸汽發(fā)生器來(lái)代替空冷冷卻,一方面節(jié)約了大量空冷設(shè)備投資,節(jié)省了空冷風(fēng)機(jī)的耗電量;另一方面利用蒸汽發(fā)電,經(jīng)濟(jì)效益顯著,蒸汽發(fā)電機(jī)組的平均總發(fā)電量為18 010 kW·h,減去乏汽空冷風(fēng)機(jī)以及潤(rùn)滑油泵1 250 kW·h的自耗電,凈發(fā)電量為16 760 kW·h,以一年8 400 h、每度電0.61元計(jì)算,即蒸汽發(fā)電機(jī)組全年發(fā)電產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益為8 588萬(wàn)元。

5.2 社會(huì)效益分析

采用UOP和IFP技術(shù)的芳烴聯(lián)合裝置其對(duì)二甲苯產(chǎn)品的能耗非常高,能耗費(fèi)用在對(duì)二甲苯生產(chǎn)成本中占有很大的比重,低溫余熱回收發(fā)電技術(shù)大幅降低了對(duì)二甲苯產(chǎn)品的能耗。該技術(shù)在國(guó)產(chǎn)化芳烴聯(lián)合裝置中的成功應(yīng)用,不但驗(yàn)證了低溫余熱回收發(fā)電技術(shù)在芳烴聯(lián)合裝置中應(yīng)用的可行性和穩(wěn)定性,而且為石油化工和冶金等高耗能行業(yè)的低溫余熱利用提供了一個(gè)非常好的途徑,具有重要的示范意義,積極響應(yīng)了當(dāng)前綠色低碳和節(jié)能環(huán)保的號(hào)召,引領(lǐng)了國(guó)內(nèi)外芳烴行業(yè)的革命。在新一輪芳烴聯(lián)合裝置的改造、在建和擬建過(guò)程中,裝置設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)均將低溫余熱回收技術(shù)作為降低裝置能耗和提高競(jìng)爭(zhēng)力的重要措施。

6 余熱回收發(fā)電技術(shù)完善優(yōu)化探討

雖然抽余液塔和抽出液塔的塔頂余熱回收發(fā)電技術(shù)已成功應(yīng)用于中國(guó)石化首套國(guó)產(chǎn)化芳烴聯(lián)合裝置中,大幅降低了裝置能耗,但通過(guò)不斷摸索發(fā)現(xiàn)仍然有一些需要完善優(yōu)化的地方。

(1)降低蒸汽系統(tǒng)壓力。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能降低蒸汽系統(tǒng)的壓力,其主要瓶頸在于蒸汽發(fā)電機(jī)汽輪機(jī)的選型和制造,如果能夠制造出進(jìn)汽壓力更低和效率更高的汽輪機(jī),那將會(huì)進(jìn)一步降低裝置的產(chǎn)品能耗。在低溫余熱回收技術(shù)實(shí)施的過(guò)程中發(fā)現(xiàn),對(duì)于任何一套裝置來(lái)說(shuō),熱量回收利用率最高的方式就是直接與工藝物料進(jìn)行換熱回收,盡可能地少產(chǎn)蒸汽,因?yàn)楫a(chǎn)生的蒸汽無(wú)論是用來(lái)給其他工藝介質(zhì)加熱還是用來(lái)發(fā)電,其熱量回收利用率都比較低。從能量守恒的角度分析,所有蒸汽產(chǎn)生的根源都是燃料消耗,蒸汽發(fā)電的本質(zhì)就是用高品位的燃料燃燒產(chǎn)生低品位的蒸汽,之后再進(jìn)行發(fā)電。降低蒸汽系統(tǒng)壓力之后可以同步降低抽余液塔和抽出液塔的操作壓力,并降低精餾塔回流比,減少塔底再沸器熱源消耗量,進(jìn)而降低二甲苯塔重沸爐燃料氣消耗量。

(2)提高放空調(diào)節(jié)閥的可靠性?？紤]到一旦蒸汽發(fā)電機(jī)跳停和汽輪機(jī)進(jìn)氣閥關(guān)閉,低壓蒸汽管網(wǎng)的壓力會(huì)迅速升高,不但會(huì)影響抽余液塔、抽出液塔和甲苯塔的正常操作,而且會(huì)帶來(lái)系統(tǒng)超壓的安全隱患,因此增設(shè)了一個(gè)壓力調(diào)節(jié)閥,當(dāng)蒸汽管網(wǎng)壓力升高時(shí),壓力調(diào)節(jié)閥可以自動(dòng)打開(kāi)進(jìn)行放空泄壓。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)閥很容易出現(xiàn)故障,當(dāng)蒸汽管網(wǎng)壓力升高需要及時(shí)打開(kāi)壓力調(diào)節(jié)閥時(shí),如果此時(shí)壓力調(diào)節(jié)閥因故障而不能打開(kāi),就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)裝置非計(jì)劃停工,因此應(yīng)再增加一個(gè)壓力調(diào)節(jié)閥。兩個(gè)壓力調(diào)節(jié)閥在壓力控制上設(shè)定不同的開(kāi)啟壓力,實(shí)現(xiàn)分級(jí)開(kāi)啟,當(dāng)蒸汽管網(wǎng)壓力升高時(shí)首先自動(dòng)打開(kāi)其中的一個(gè)壓力調(diào)節(jié)閥,如果壓力繼續(xù)升高至另一個(gè)壓力調(diào)節(jié)閥的設(shè)定壓力時(shí)再自動(dòng)打開(kāi)另一個(gè)壓力調(diào)節(jié)閥。另外,在生產(chǎn)管理方面將此壓力調(diào)節(jié)閥的開(kāi)關(guān)測(cè)試作為車間級(jí)的定期作業(yè),定期進(jìn)行開(kāi)關(guān)測(cè)試,確保此閥門始終處于良好備用狀態(tài)。

(3)增加蒸汽發(fā)生器的設(shè)計(jì)裕量。抽余液塔和抽出液塔的塔頂蒸汽發(fā)生器在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮更多的裕量,便于裝置在高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)能更好地調(diào)節(jié)壓力,保持各精餾塔的塔頂壓力穩(wěn)定,確保裝置平穩(wěn)運(yùn)行。

7 結(jié) 論

抽余液塔和抽出液塔的塔頂余熱回收發(fā)電技術(shù)的成功應(yīng)用,驗(yàn)證了該技術(shù)在芳烴聯(lián)合裝置中應(yīng)用的可能性和可靠性,體現(xiàn)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,大幅降低了裝置能耗,提升了裝置競(jìng)爭(zhēng)力,在大力提倡節(jié)能降耗的今天,低溫余熱回收發(fā)電技術(shù)必將在石油化工、熱電和冶金等高耗能行業(yè)中得到推廣和應(yīng)用。根據(jù)裝置實(shí)際運(yùn)行效果總結(jié)如下:

(1)蒸汽發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,滿足裝置長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

(2)通過(guò)低壓蒸汽發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用,降低了裝置產(chǎn)品能耗。

(3)通過(guò)蒸汽發(fā)生器的設(shè)備選型和材質(zhì)升級(jí),既提高了換熱效率,又提高了設(shè)備的可靠性。通過(guò)設(shè)置多臺(tái)備用蒸汽發(fā)生器,為設(shè)備的故障處理增加了靈活性。

(4)塔頂在線水分析儀的使用,可以實(shí)時(shí)監(jiān)控蒸汽發(fā)生器的運(yùn)行狀態(tài),為保護(hù)吸附塔吸附劑和異構(gòu)化催化劑提供了實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的參考數(shù)據(jù)。

(5)最大限度地降低蒸汽發(fā)電機(jī)組的進(jìn)汽壓力,以實(shí)現(xiàn)各精餾塔的操作壓力和回流比的同步降低,從而進(jìn)一步降低裝置能耗。