燃?xì)廨啓C(jī)與乙烯裂解爐集成技術(shù)的節(jié)能效果及經(jīng)濟(jì)性分析

曹家天，王積欣，郭小丹

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燃?xì)廨啓C(jī)與乙烯裂解爐集成技術(shù)的節(jié)能效果及經(jīng)濟(jì)性分析

曹家天，王積欣，郭小丹

（中國(guó)寰球工程公司，北京 100012）

通過燃?xì)廨啓C(jī)與乙烯裂解爐集成技術(shù)的研究分析，探討在我國(guó)現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)條件下，應(yīng)用此技術(shù)的節(jié)能效果及經(jīng)濟(jì)性。

燃?xì)廨啓C(jī)；乙烯；裂解爐；集成；節(jié)能；經(jīng)濟(jì)性

目前，我國(guó)工業(yè)總體上尚未擺脫高投入、高消耗、高排放的發(fā)展模式，資源能源消耗量大，生態(tài)環(huán)境問題比較突出，形勢(shì)依然十分嚴(yán)峻，迫切需要加快構(gòu)建科技含量高、資源消耗低、環(huán)境污染少的綠色制造體系。今后五年是落實(shí)制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的關(guān)鍵時(shí)期，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)綠色發(fā)展的攻堅(jiān)階段。以蒸汽裂解為主流技術(shù)的乙烯裝置作為能源和石油資源消耗的大戶也面臨著巨大挑戰(zhàn)，“節(jié)能、降耗、減排”將成為今后乙烯裝置綠色發(fā)展的重要課題。1992年2月，ABB Lummus公司與大阪石化在美國(guó)《石油與天然氣雜志》（Oil & Gas Journal）上，聯(lián)合公開發(fā)表了有關(guān)燃?xì)廨啓C(jī)與裂解爐集成技術(shù)（英文：Gas Turbine Integration with steam cracker，以下簡(jiǎn)稱GTI技術(shù)）的論文。此后該技術(shù)逐漸被世人所熟知，并在韓國(guó)、日本、印度尼西亞、巴西等國(guó)家獲得商業(yè)化應(yīng)用，并取得了不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)效益。燃?xì)廨啓C(jī)與裂解爐集成技術(shù)也作為推廣技術(shù)列入了我國(guó)《工業(yè)節(jié)能“十二五”規(guī)劃》，但目前國(guó)內(nèi)還沒有應(yīng)用此技術(shù)的乙烯裝置。筆者以某工程項(xiàng)目為平臺(tái)，探討分析了在我國(guó)現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)條件下，應(yīng)用此技術(shù)的節(jié)能效果及經(jīng)濟(jì)性。

1 燃?xì)廨啓C(jī)與乙烯裂解爐集成技術(shù)

在常規(guī)的乙烯裂解爐設(shè)計(jì)中，燒嘴的助燃?xì)怏w就是環(huán)境空氣。裂解爐在10%的過?？諝鈼l件下工作，燃燒后的煙氣中含有2%氧氣，裂解爐的熱效率通常在93%~94%。鍋爐給水通過裂解爐的對(duì)流段回收煙氣余熱，并發(fā)生超高壓蒸汽（12.5 MPa(G)，525 ℃），用于驅(qū)動(dòng)“三機(jī)”透平。裂解爐簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 裂解爐簡(jiǎn)圖

常規(guī)的燃機(jī)發(fā)電是用天然氣或者其它燃料氣與壓縮空氣在燃燒室里混合后燃燒，燃燒后的高溫氣體經(jīng)膨脹透平膨脹做功，膨脹透平驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電力輸出。膨脹透平排出的尾氣一般設(shè)置廢熱鍋爐回收余熱后排入大氣。燃機(jī)發(fā)電簡(jiǎn)圖如圖2所示。

秋季播種，以幼苗越冬，翌年春季收獲的菠菜，又稱根茬菠菜、凍菠菜、白露菠菜。一般當(dāng)?shù)厝掌骄鶜鉁?7～19℃時(shí)為播種適期，選用晚熟或不易抽薹的品種10月下旬至11月上旬栽植，翌年春天收獲。其他地區(qū)播種期可隨緯度的不同做適當(dāng)調(diào)節(jié)。

圖2 燃機(jī)發(fā)電簡(jiǎn)圖

由于燃機(jī)透平的尾氣溫度高達(dá)480~540 ℃，并含富氧13%~15%，這樣就可以用這股“熱氣體”作為裂解爐的部分熱源，替代部分燃料和助燃的“冷氣體”（環(huán)境空氣），從而節(jié)省燃料消耗，降低乙烯能耗。燃?xì)廨啓C(jī)與乙烯裂解爐集成后，為了平衡氧氣的需求，需要配備一臺(tái)調(diào)整風(fēng)機(jī)補(bǔ)充少量空氣，補(bǔ)充量大約是燃機(jī)透平尾氣量的10%。燃?xì)廨啓C(jī)與裂解爐集成技術(shù)簡(jiǎn)圖見圖3［1］。

圖3 燃?xì)廨啓C(jī)與裂解爐集成技術(shù)簡(jiǎn)圖

2 節(jié)能效果及經(jīng)濟(jì)性分析

2.1 經(jīng)濟(jì)性分析

筆者以某100萬(wàn)t/a乙烯工程項(xiàng)目為平臺(tái)，對(duì)應(yīng)用GTI技術(shù)進(jìn)行了研究。研究分為“無(wú)GTI”和“有GTI”兩種工況。其中“無(wú)GTI”工況即常規(guī)乙烯裝置工況，“有GTI”工況即在常規(guī)乙烯裝置工況的基礎(chǔ)上，增加燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電與乙烯裂解爐技術(shù)集成，燃?xì)廨啓C(jī)所消耗的燃料即為乙烯裝置副產(chǎn)的燃料氣。除了燃料氣外，GTI技術(shù)集成對(duì)乙烯原料及產(chǎn)品都沒有影響。兩種工況的原料及產(chǎn)品對(duì)比詳見表1。

表1 原料及產(chǎn)品對(duì)比表

在“無(wú)GTI”工況下，裂解爐副產(chǎn)的超高壓蒸汽一般用于驅(qū)動(dòng)裂解氣壓縮機(jī)。裂解氣壓縮機(jī)采用抽凝式透平驅(qū)動(dòng)，背抽的高壓蒸汽（4.0 MPa（G）, 400 ℃）用于驅(qū)動(dòng)乙烯機(jī)、丙烯機(jī)以及其它相同等級(jí)的蒸汽用戶。

在“有GTI”工況下，燃?xì)廨啓C(jī)尾氣的含氧量在13%~15%，低于環(huán)境空氣的含氧量。所以，為保證裂解爐同樣的10%的空氣過剩率，所需的助燃?xì)饬恳黾?，產(chǎn)生的煙氣量也要增加，而工藝物料側(cè)的吸熱是一定的。為保證相同的熱效率（相同的排煙溫度），對(duì)流段鍋爐給水預(yù)熱管及超高壓蒸汽過熱管要增加換熱面積，裂解爐超高壓蒸汽產(chǎn)量會(huì)增加［2］。為平衡增加的超高壓蒸汽，可采取用超高壓蒸汽驅(qū)動(dòng)裂解氣壓縮機(jī)和丙烯機(jī)，乙烯裝置的蒸汽平衡也要隨之進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)100萬(wàn)t/a乙烯副產(chǎn)的燃料氣量，“有GTI”工況配置GE PG 7121型燃機(jī)，裝機(jī)85 MW，扣除自用電，可發(fā)電83.2 MW。兩種工況的公用工程消耗對(duì)比詳見表2。

表2 公用工程消耗對(duì)比表

按“有GTI”工況，投資增加5 000萬(wàn)美元計(jì)，對(duì)兩種工況進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)測(cè)算（表中只列出GTI使用前后有變化的投入產(chǎn)出量），結(jié)果如表3所示。

表3 使用GTI經(jīng)濟(jì)性測(cè)算表

通過以上計(jì)算，“有GTI”工況下，使用燃料氣發(fā)電，當(dāng)燃料氣含稅價(jià)格為3 024元/t（以天然氣價(jià)格計(jì)，約為8.9USD/MMBtu），電的含稅價(jià)格為0.68元/(kW·h)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，其內(nèi)部收益率為44.12%，投資回收期3.27 a。這說明使用GTI技術(shù)，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

保持電價(jià)不變（含稅價(jià)格為0.68元/(kW·h)），當(dāng)燃料氣含稅價(jià)格提高到4 300元/t（以天然氣價(jià)格計(jì)，約12.6 USD/MMBtu）時(shí)，內(nèi)部收益率為12%，投資回收期8.55 a。也就是說，按照基準(zhǔn)內(nèi)部收益率12%測(cè)算，當(dāng)燃料氣含稅價(jià)格高于4 300元/t時(shí)，使用GTI技術(shù)并不經(jīng)濟(jì)。

燃料氣價(jià)格維持在3 024元/t不變，電的含稅價(jià)格降低到0.45元/(kW·h)以下時(shí)，內(nèi)部收益率為12%，投資回收期8.22年。也就是說，按照基準(zhǔn)內(nèi)部收益率12%測(cè)算，當(dāng)電的含稅價(jià)格低于0.45元/(kW·h)時(shí)，使用GTI技術(shù)也不經(jīng)濟(jì)。

2.2 節(jié)能效果分析

根據(jù)《乙烯裝置單位產(chǎn)品能耗限額》（GB 30250-2013）耗能工質(zhì)折算值，計(jì)算兩種工況裝置能耗，計(jì)算結(jié)果詳見表4。由表4可知，“無(wú)GTI”工況乙烯單位產(chǎn)品能耗564.31 kgoe/t，“有GTI”工況乙烯單位產(chǎn)品能耗484.87 kgoe/t，“有GTI”工況比“無(wú)GTI”工況單位產(chǎn)品能耗降低79.45 kgoe/t，降幅達(dá)14%，節(jié)能效果顯著。

表4 兩種工況乙烯裝置單位產(chǎn)品能耗對(duì)比表

3 結(jié)論及建議

（1）在乙烯裝置應(yīng)用GTI技術(shù)，其經(jīng)濟(jì)性與燃料氣和電價(jià)密切相關(guān)。當(dāng)燃料氣含稅價(jià)格為3024元/噸（以天然氣價(jià)格計(jì)，約為8.9 USD/MMBtu），電的含稅價(jià)格為0.68元/kWh進(jìn)行計(jì)算時(shí)，其內(nèi)部收益率為44.12%，投資回收期3.27 a，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

（2）在“有GTI”工況下，保持電價(jià)不變（含稅價(jià)格為0.68元/(kW·h)，當(dāng)燃料氣含稅價(jià)格高于4 300元/t時(shí)（以天然氣價(jià)格計(jì)，約12.6 USD/MMBtu）時(shí)；或者燃料氣價(jià)格維持在3 024元/t不變，電的含稅價(jià)格降低到0.45元/(kW·h)以下時(shí)，內(nèi)部收益率在12%以下，應(yīng)用GTI技術(shù)均不經(jīng)濟(jì)。

（3）在乙烯裝置應(yīng)用GTI技術(shù)，以100萬(wàn)t/a乙烯為例，噸乙烯產(chǎn)品能耗下降79.45 kgoe，能耗降低14%，節(jié)能效果顯著。

（4）在當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)形勢(shì)下，天然氣價(jià)格相對(duì)較低，電價(jià)相對(duì)較高，是乙烯裝置應(yīng)用GTI技術(shù)的最佳時(shí)期，可以在短期內(nèi)收回投資，并取得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

［1］ John V.Albano, Edward F.Olszewski,Toshiyuki Fukushima. Gas turbine integration reduces ethylene plant’s energy needs[J]. Oil & Gas Journal, 1992(10): 55-60.

［2］張磊. 裂解爐技術(shù)改造與節(jié)能（二）[J]. 乙烯工業(yè)，2009，21(2)：56-58.

Energy Conservation and Economic Efficiency Analysis on Integrated Technology of Gas Turbine and Steam Cracker

（China Huanqiu Contracting & Engineering Corp., Beijing 100012，China）

Based on study and analysis of integrated technology of gas turbine and steam cracker in ethylene plant, energy conservation and economic efficiency of this technology were discussed.

gas turbine; ethylene; steam cracker; energy conservation; economical efficiency

TQ 325

A

1671-0460（2016）09-2137-04

2016-08-06

曹家天（1968-），男，吉林省榆樹市人，高級(jí)工程師，碩士， 1990 年本科畢業(yè)于吉林工學(xué)院（現(xiàn)長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)），2002 年北京化工大學(xué)研究生畢業(yè)，現(xiàn)從事項(xiàng)目前期咨詢工作，國(guó)家節(jié)能評(píng)估專家。E-mail：caojiatian@hqcec.com。