芳烴聯(lián)合裝置節(jié)能降耗方法探討

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)量是國家工業(yè)化程度的重要標(biāo)志[1]。在當(dāng)前形勢下，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(對二甲苯)是芳烴聯(lián)合裝置的主要產(chǎn)品。據(jù)統(tǒng)計，2017年我國PX表觀消費量為24.40 Mt，其中自產(chǎn)約10.00 Mt，進(jìn)口14.44 Mt，國內(nèi)PX自給率僅41%。目前我國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企業(yè)大型項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、中國石化海南煉油化工有限公司等企業(yè)的PX項目也已進(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項目擬建或在建，國內(nèi)PX產(chǎn)能正處于爆發(fā)式增長的階段。

以下通過對國內(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源，并通過總結(jié)國內(nèi)外常用的芳烴聯(lián)合裝置節(jié)能降耗方法，結(jié)合實際經(jīng)驗和調(diào)研結(jié)果，探討裝置的節(jié)能降耗方法。

1 芳烴聯(lián)合裝置能耗現(xiàn)狀

芳烴產(chǎn)品之間沸點接近，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格的大幅度上漲，在能耗密集型過程工業(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個單元組成。國內(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：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。

綜上分析，面對我國爆發(fā)式增長的PX產(chǎn)業(yè)形勢，針對芳烴聯(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，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]。

2 傳統(tǒng)芳烴聯(lián)合裝置節(jié)能方法

2.1 優(yōu)化原料和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

對于常規(guī)芳烴聯(lián)合裝置，歧化及烷基轉(zhuǎn)移單元對PX產(chǎn)能的貢獻(xiàn)約占50%，其特點為在一定進(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)合裝置還會通過外購部分C8芳烴，以減少生產(chǎn)、分離C8芳烴所增加的能耗，或者通過裝置實際情況增產(chǎn)鄰二甲苯產(chǎn)品。

2.2 熱集成和熱聯(lián)合

芳烴聯(lián)合裝置具有單元多、流程長的特點，采用熱集成和熱聯(lián)合具有得天獨厚的優(yōu)勢，其中的典型熱聯(lián)合方案主要包括[7]：①對二甲苯塔加壓操作，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。

2.3 低溫?zé)崂?/h3>

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，會盡可能降低精餾塔塔壓，塔頂通過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，蒸汽通過加熱爐對流段過熱后，供下游發(fā)電裝置或供壓縮機(jī)透平作為驅(qū)動介質(zhì)，從而達(dá)到低溫?zé)崮艿母咝Ю谩?/p>

2.4 優(yōu)化精餾塔操作

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、回流比的及時調(diào)整。

2.5 采用先進(jìn)催化劑

通過開發(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，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]。國內(nèi)某芳烴聯(lián)合裝置與國外某較先進(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比如表2所示。

表2 采用國內(nèi)外催化劑時的主要工藝條件對比

由表2可知，先進(jìn)的催化劑最顯著的特點就是反應(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)在能耗和操作費用上。

3 新型節(jié)能降耗方法

3.1 采用改進(jìn)的Eluxyl吸附分離工藝

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，早期國內(nèi)外裝置普遍使用SPX-3000吸附劑，2014年開始更換為性能更好的SPX-3003吸附劑，目前國內(nèi)幾套在建裝置已開始使用傳質(zhì)效率有大幅提升的SPX-5003吸附劑。國內(nèi)幾套典型裝置使用SPX-3000，SPX-3003，SPX-5003吸附劑的效果對比如表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)行過程中因吸附劑顆粒粉化造成床層壓降上升快、塔壓波動大、吸附塔內(nèi)件易損壞的問題，同時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 各型號吸附劑性能對比

3.1.2 采用單臺吸附塔和單臺循環(huán)泵操作典型Eluxyl吸附分離工藝包括2臺吸附塔(共24個床層)和2臺循環(huán)泵(一臺控制壓力，一臺控制循環(huán)流量)，并一共有144個開關(guān)閥實現(xiàn)模擬移動床。改進(jìn)后的最新工藝采用單臺吸附塔，僅需15個床層，并采用單臺循環(huán)泵控制循環(huán)流量，共90個開關(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

3.2 采用輕質(zhì)解吸劑替代對二乙苯(PDEB)

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)用價值。采用輕質(zhì)解吸劑的優(yōu)點主要包括：①甲苯沸點低，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 吸附塔運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化

3.3.1 利用吸附劑裕量優(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時的產(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，裝置總?cè)剂蠚庀牧拷档土?.7 th。若按燃料氣價格3 000 元t計算，則每年可節(jié)約的能耗成本約為1 300 萬元。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，降低能耗通過國內(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)行過程中重點保證PX產(chǎn)品純度，PX收率會因為各種原因隨裝置運(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，也會導(dǎo)致PX收率降低，若能及時發(fā)現(xiàn)問題并優(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分析曲線對比如圖2所示，其中，縱坐標(biāo)為一個循環(huán)周期中對應(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”，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分析曲線對比 —PX； —EB； —OX+MX

3.3.3 優(yōu)化塔壓波動，降低設(shè)備損耗由于Eluxyl工藝吸附塔的特殊性，在切換過程中開、關(guān)閥無法實現(xiàn)絕對的同步性，會造成切換時吸附塔壓力波動。圖3為2017年12月26日某廠吸附塔開、關(guān)閥一個完整切換周期(24個步進(jìn))中吸附塔AB塔底壓力隨時間的變化情況。由圖3可見，A塔塔壓波動在合理范圍內(nèi)，但B塔的塔壓分別在第14和第19步進(jìn)開、關(guān)閥切換時波動較大，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，但一旦出現(xiàn)長期的塔壓大幅波動，勢必會對格柵造成沖擊損壞。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情況，及時調(diào)整控制閥ZTC控制參數(shù)，可有效降低設(shè)備損耗。

圖3 某廠吸附塔一個開、并閥切換周期中塔壓的變化情況

3.4 加熱爐的節(jié)能優(yōu)化

3.4.1 設(shè)計優(yōu)化加熱爐的設(shè)計優(yōu)化方案主要集中在5個方面：①設(shè)備大型化：隨著設(shè)備制造水平提高，設(shè)計過程充分考慮裝置供熱熱源集中，目前國內(nèi)幾套裝置加熱爐都采用單臺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)計時通過選用組合式空氣預(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，對于加熱爐來說，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。因此不但要實現(xiàn)煙氣中氧的低含量，還要實現(xiàn)煙氣中CO的低含量。無論煙氣中的氧含量有多低，只要是沒有檢測到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，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)行管理水平也能實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。例如：通過建立加熱爐周報制度，加強(qiáng)日常監(jiān)測，可掌握加熱爐燃燒狀態(tài)及時調(diào)整保證高效；通過綜合分析，及時反饋，落實整改，形成閉環(huán)操作模式的方式，發(fā)現(xiàn)問題及時整改處理，保證加熱爐處于高效燃燒狀態(tài)；開展勞動競賽，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；開發(fā)“遠(yuǎn)程在線煙氣檢測系統(tǒng)”，實現(xiàn)在線評價與調(diào)節(jié)；注重總結(jié)各項檢測結(jié)果，為大檢修提供全面技術(shù)保障。

3.5 高效節(jié)能設(shè)備的選用

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。在泵的選型過程中，通過采用不同的葉輪、葉片形式來盡可能提高其效率；對離心泵，限定泵額定流量和正常流量應(yīng)在最佳效率點流量附近的一定范圍之內(nèi)，以保持較高的效率；根據(jù)泵的實際揚(yáng)程考慮葉輪的大小，在設(shè)計階段就充分做到量體裁衣，堅決避免大馬拉小車。同時選用高效率電機(jī)，以節(jié)省能量。④結(jié)合實際情況，并根據(jù)工藝要求及全廠蒸汽等級和凝結(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)上實現(xiàn)“卡邊”控制，從而有效降低裝置的操作費用，提高能量利用效率。

4 結(jié)束語

由于流程長、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。面對目前國內(nèi)大量芳烴聯(lián)合裝置爆發(fā)式增長的局面，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)計單位和生產(chǎn)單位緊密結(jié)合，在設(shè)計階段就應(yīng)充分考慮生產(chǎn)過程面臨的問題，充分優(yōu)化工藝路線、方案和設(shè)備設(shè)計，盡可能降低裝置的能耗。同樣，裝置運(yùn)行過程中，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。