甲醇制烯烴工業(yè)裝置用能分析及建議

劉 洋，楊同華，尉秀峰

（神華新疆化工有限公司，新疆 烏魯木齊 831400）

基于我國(guó)“富煤、少油、貧氣”的資源特點(diǎn)，煤炭在我國(guó)作為主體能源地位長(zhǎng)期難以改變。經(jīng)由煤炭為原料制取聚烯烴產(chǎn)品不僅可提高煤炭的附加值，還會(huì)降低烯烴對(duì)石油資源的依賴。煤制烯烴產(chǎn)業(yè)在取得重大突破和成績(jī)的同時(shí)，也因能耗較高制約其發(fā)展；甲醇制烯烴（MTO）作為煤制烯烴核心關(guān)鍵環(huán)節(jié)，降低其裝置能耗和提高其能量利用率對(duì)煤制烯烴產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

1 甲醇制烯烴裝置及其能耗

1.1 甲醇制烯烴裝置

甲醇制烯烴裝置主要由反應(yīng)-再生系統(tǒng)、急冷水洗和污水汽提系統(tǒng)、熱工及余熱回收系統(tǒng)構(gòu)成。反應(yīng)-再生系統(tǒng)包括甲醇進(jìn)料系統(tǒng)、反應(yīng)系統(tǒng)和再生系統(tǒng)。來(lái)自罐區(qū)的液相甲醇（w(H2O)<7%）經(jīng)甲醇-凈化水換熱器、甲醇-凝結(jié)水換熱器、甲醇-蒸汽汽化器、甲醇-汽提氣換熱器和蒸汽-甲醇過(guò)熱器換熱后以氣相態(tài)進(jìn)入反應(yīng)器，在催化劑作用下生成乙烯、丙烯和丁烯為主的低碳烯烴產(chǎn)品氣。其中，甲醇制烯烴反應(yīng)會(huì)生成焦炭（高度貧氫芳烴類(lèi)化合物）吸附在分子篩催化劑內(nèi)孔道，造成催化劑失活，為了保證反應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，待生催化劑被輸送至再生器消耗主風(fēng)進(jìn)行不完全再生，再生后的催化劑返回反應(yīng)器繼續(xù)催化反應(yīng)，反應(yīng)和再生均為流化床。急冷水洗和污水汽提系統(tǒng)主要包括急冷塔、水洗塔和污水汽提塔；經(jīng)過(guò)旋風(fēng)分離器分離后的產(chǎn)品氣夾帶著催化劑細(xì)粉被中壓蒸汽發(fā)生器取熱產(chǎn)出中壓蒸汽后進(jìn)入急冷塔和水洗塔，與急冷水和水洗水逆流接觸洗滌產(chǎn)品氣中催化劑并降低產(chǎn)品氣溫度后送至烯烴分離裝置，急冷水和水洗水引至烯烴分離裝置取熱后返塔，水洗水中油蠟類(lèi)物質(zhì)送至污水汽提塔汽提，將中的含氧化合物 （甲醇和二甲醚）汽提后送回反應(yīng)器回?zé)?，副產(chǎn)凈化水外送至污水處理廠。熱工及余熱回收系統(tǒng)主要是將甲醇制烯烴反應(yīng)和再生器中燒焦放出熱量及時(shí)移出，維持床層溫度穩(wěn)定，并回收煙氣中化學(xué)能和熱能。裝置主要操作條件見(jiàn)表1。

1.2 裝置能耗

甲醇制烯烴裝置工業(yè)化應(yīng)用時(shí)間較短，目前尚無(wú)能耗計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。由于催化裂化裝置與甲醇制烯烴裝置相似，參照催化裂化裝置能耗計(jì)算方法[1]，以水洗塔頂產(chǎn)品氣和罐區(qū)來(lái)甲醇為裝置出入口邊界，并依據(jù)GB/T 50441-2016[2]，結(jié)合表1中數(shù)據(jù)進(jìn)行能耗核算。詳見(jiàn)表2。

甲醇制烯烴裝置總輸入能量大，達(dá)3629.938MJ/t。其中1.1MPa蒸汽、0.46MPa蒸汽、燒焦和氮?dú)庹急容^大，分別為25.8%、25.7%、25.2%和11.5%。 1.1MPa蒸汽主要用于污水汽提塔汽提、反應(yīng)器外取熱器流化提升和再生劑輸送。0.46MPa蒸汽全部用于原料甲醇升溫汽化。燒焦需加壓主風(fēng)需及升溫。氮?dú)庵饕糜诖呋瘎┹斔秃驮偕鲀?nèi)外取熱器流化提升。

裝置雖輸入能量大，但甲醇制烯烴反應(yīng)、再生燒焦和CO燃燒釋放熱量相當(dāng)可觀，產(chǎn)生大量高品位熱能。以甲醇進(jìn)料量234.5t/h（折純），反應(yīng)放熱30.883kJ/mol[3]，生焦質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.07%（n(H)/n(C)=0.095），CO燃燒放熱283kJ/mol計(jì)。反應(yīng)、燒焦和CO燃燒分別放熱226.3GJ/h、143.4GJ/h和75.9GJ/h，累積445.6GJ/h熱能進(jìn)入反應(yīng)再生體系。反應(yīng)放熱能用于產(chǎn)中壓蒸汽，剩余大部分熱量由產(chǎn)品氣傳遞至急冷水和水洗水，形成的低溫位熱能輸出至烯烴分離裝置。低溫位輸出熱能占總輸出能70.3%，最大限度利用低溫位熱能將極大提升能量利用效率，節(jié)能效果明顯。

表1 裝置主要操作條件

表2 裝置單位物耗、燒焦及單位能耗

2 裝置能量利用分析

甲醇制烯烴裝置過(guò)程用能包括能量的轉(zhuǎn)換和傳輸、工藝使用和回收三環(huán)節(jié)，三環(huán)節(jié)相互關(guān)聯(lián)影響；節(jié)能的關(guān)鍵在于優(yōu)化工藝能量利用和提高能量的回收率，其后再對(duì)轉(zhuǎn)換和傳輸環(huán)節(jié)進(jìn)行改善[4]。

2.1 能量的工藝?yán)铆h(huán)節(jié)

2.1.1 反再系統(tǒng)熱平衡

裝置能量的工藝?yán)铆h(huán)節(jié)是裝置用能最為核心部分，主要是甲醇制烯烴反應(yīng)和焦炭燃燒釋放化學(xué)能對(duì)外輸出能量。反再系統(tǒng)熱平衡受進(jìn)料量、催化劑和操作條件等工藝變量影響較大，同時(shí)熱平衡的改變影響產(chǎn)品質(zhì)量。分析反再系統(tǒng)熱平衡對(duì)維持裝置經(jīng)濟(jì)有效運(yùn)轉(zhuǎn)非常重要。裝置反再系統(tǒng)熱平衡數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

由表3可以看出，影響甲醇制烯烴反再系統(tǒng)熱平衡的因素很多。反應(yīng)過(guò)程方面，72.2%的甲醇制烯烴反應(yīng)熱被用于加熱原料甲醇蒸汽至反應(yīng)溫度，而反應(yīng)器外取熱器取熱8.115MW，僅占12.3%。經(jīng)產(chǎn)品氣中壓蒸汽發(fā)生器取熱24.942MW，反應(yīng)系統(tǒng)取熱占總熱負(fù)荷49.9%，取熱率低。主要是甲醇進(jìn)料預(yù)熱溫度低，甲醇蒸汽升溫消耗絕大部分熱能，維持反應(yīng)溫度需移除熱能較少，大量的高溫位熱能轉(zhuǎn)移到產(chǎn)品氣中經(jīng)換熱產(chǎn)汽后進(jìn)入急冷水洗塔，由于旋風(fēng)分離器的局限性，產(chǎn)品氣中夾帶的催化劑細(xì)粉在換熱器管束內(nèi)壁吸附沉積，換熱熱阻增大，致使中壓蒸汽發(fā)生器取熱負(fù)荷降低，造成急冷水洗塔取熱負(fù)荷增大。再生過(guò)程方面，燒焦釋放熱量主要被取熱器移出，占總熱負(fù)荷的42.9%，利用率較高。主風(fēng)升溫吸熱占總熱負(fù)荷24.7%，占比較大，應(yīng)予以關(guān)注。

表3 反再系統(tǒng)部分熱平衡

2.1.2 低溫位熱能輸出

裝置低溫位熱源主要是急冷水、水洗水和凈化水。由于低溫?zé)釡囟鹊颓覍ふ覠嶷咫y的特點(diǎn)，利用難度大，普遍采用空冷或水冷將難以回收熱量排棄至大氣環(huán)境，增加了裝置能耗?，F(xiàn)階段低溫位熱能輸出至甲醇進(jìn)料系統(tǒng)和烯烴分離裝置，以提高低溫?zé)崂寐?。低溫?zé)崂们闆r見(jiàn)表4。

表4 低溫?zé)崂寐?/p>

裝置蘊(yùn)藏的低溫?zé)崮芰烤薮?，達(dá)611.84GJ/h，有效能利用率51.3%。其它熱量經(jīng)空冷、水冷或循環(huán)水冷卻散失于環(huán)境中，導(dǎo)致能耗增加。根據(jù)溫度對(duì)口，梯級(jí)利用，高熱高用，低熱低用原則[5]，分析上下游裝置低溫?zé)崂们闆r，進(jìn)一步尋找熱阱，實(shí)現(xiàn)能量的優(yōu)化利用。

2.2 能量回收環(huán)節(jié)

表5 余熱鍋爐系統(tǒng)熱平衡

能量回收環(huán)節(jié)主要是再生器高溫?zé)煔怙@熱及CO化學(xué)能的回收。含有CO的高溫?zé)煔饨?jīng)CO焚燒爐充分燃燒后進(jìn)入余熱鍋爐，依次經(jīng)過(guò)中壓蒸汽過(guò)熱段和中壓鍋爐給水省煤段后，排至煙囪。余熱鍋爐系統(tǒng)熱平衡見(jiàn)表5。

表5中煙氣能量回收率為40%，回收率低。由于CO焚燒爐設(shè)計(jì)負(fù)荷小，全部煙氣進(jìn)入會(huì)造成爐體超溫，損壞設(shè)備，大部分煙氣旁路放空，煙氣中有用功無(wú)法充分回收，增加了裝置能耗。

3 改進(jìn)建議

3.1 提高甲醇進(jìn)料溫度和產(chǎn)品氣中壓蒸汽發(fā)生器換熱效果

為將甲醇制烯烴反應(yīng)熱及時(shí)移出系統(tǒng)，提高反應(yīng)器外取熱器及產(chǎn)品氣中壓蒸汽發(fā)生器取熱效率最為直接。在進(jìn)急冷塔前將產(chǎn)品氣中熱量用于多產(chǎn)中壓蒸汽，能降低進(jìn)急冷塔產(chǎn)品氣溫度，減輕急冷水洗塔冷卻負(fù)荷。在現(xiàn)有工藝操作條件下，甲醇進(jìn)料溫度155℃提至205℃，甲醇?xì)馍郎責(zé)彷^之前降低7.458MW，反應(yīng)器外取熱器取熱效率提高11.3%，可增產(chǎn)約13t/h中壓蒸汽。

針對(duì)產(chǎn)品氣中壓蒸汽發(fā)生器管束內(nèi)壁結(jié)垢造成取熱效率降低問(wèn)題，利用固體顆粒與器壁間碰撞摩擦原理，定期將催化劑或氫氧化鈣固體顆粒通過(guò)壓送罐在氮?dú)廨斔拖录彼賴娭林袎赫羝l(fā)生器入口，達(dá)到清除管束內(nèi)壁催化劑細(xì)粉目的。但效果甚微，吹掃完后短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)之前狀態(tài)。通過(guò)在中壓蒸汽發(fā)生器前增加精過(guò)濾器回收粒徑更小的催化劑細(xì)粉，在過(guò)程控制消除催化劑細(xì)粉管束內(nèi)壁吸附結(jié)垢影響，提高中壓蒸汽發(fā)生器取熱負(fù)荷。

3.2 提高低溫位熱能利用率

作為低溫?zé)彷d體的急冷水、水洗水和凈化水，結(jié)合上下游裝置工藝用能特點(diǎn)，提高裝置間熱聯(lián)合程度，可顯著提高低溫?zé)崂眯?。將急冷水洗水用作烯烴分離裝置重沸器低溫?zé)釤嵩?，凈化水用于裝置進(jìn)料預(yù)熱，裝置低溫?zé)岬玫搅擞行Ю?。但由于急冷水中催化劑和水洗水中的油蠟?lèi)物質(zhì)影響換熱器換熱效果，導(dǎo)致低溫位熱能利用率逐漸降低，關(guān)鍵在于提高急冷水除固和水洗水除蠟效率[6]。

凈化水較急冷水洗水清潔許多，且裝置和下游裝置低溫?zé)嵊脩糨^少，為了滿足外送溫度（＜45℃）要求，不得不增加循環(huán)水換熱器進(jìn)行冷卻，凈化水熱能未被合理利用且增加能耗。從全廠整體優(yōu)化的角度出發(fā)，在甲醇合成裝置尋找熱阱可極大提高凈化水低溫?zé)崂寐省?/p>

甲醇合成裝置穩(wěn)定塔主要用于脫除粗甲醇中輕組分，生產(chǎn)MTO級(jí)甲醇。穩(wěn)定塔塔底設(shè)置再沸器，熱源為經(jīng)過(guò)減溫的0.46MPa低低壓飽和蒸汽。塔底的MTO級(jí)甲醇經(jīng)循環(huán)水冷卻器由93℃降至40℃送至罐區(qū)。甲醇在合成與甲醇制烯烴裝置存在先降溫后升溫的能量利用不合理情形。將合成裝置穩(wěn)定塔塔底93℃甲醇直接進(jìn)入甲醇制烯烴凈化水換熱器后路進(jìn)料系統(tǒng)，取消凈化水換熱器，128℃的凈化水用作穩(wěn)定塔塔底重沸器熱源。可直接將凈化水溫度降至58℃，凈化水低溫?zé)嵊行芾寐视?8.4%提高至86.3%，減輕裝置內(nèi)凈化水冷卻負(fù)荷。同時(shí)，甲醇合成裝置節(jié)能20.59MW。

3.3 降低CO余熱鍋爐排煙溫度

甲醇制烯烴裝置的原料甲醇不含硫，排煙溫度受SOx露點(diǎn)腐蝕影響甚微，應(yīng)盡可能降低再生煙氣排煙溫度，提高煙氣能量回收利用率。甲醇制烯烴裝置再生煙氣設(shè)計(jì)排煙溫度130℃，由于鍋爐受熱面積灰清除效果不佳，實(shí)際排煙溫度在190～210℃，排煙損失增大，高溫余熱回收率降低。

為充分回收CO化學(xué)能和高溫?zé)煔怙@熱，對(duì)CO余熱鍋爐進(jìn)行技術(shù)改造，增大CO焚燒爐負(fù)荷并用于副產(chǎn)中壓蒸汽，可增產(chǎn)約20.9t/h，煙氣回收率提高至80%。同時(shí)增大激波吹灰器工作頻率，有效除去受熱面灰垢，提高受熱面?zhèn)鳠嵝省?/p>

4結(jié)語(yǔ)

根據(jù)能量轉(zhuǎn)換與傳輸、工藝?yán)煤湍芰炕厥杖h(huán)節(jié)理論對(duì)甲醇制烯烴工業(yè)裝置能量平衡進(jìn)行核算，分析裝置的能量利用合理程度。結(jié)果表明，在現(xiàn)有工藝操作條件下，應(yīng)提高甲醇進(jìn)料溫度，提高上下游裝置熱聯(lián)合程度，降低余熱鍋爐的排煙溫度，進(jìn)一步降低裝置能耗。為從源頭上提高裝置能量利用率，關(guān)鍵在于提高催化劑的活性、穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度，減小催化劑跑損；還應(yīng)降低急冷水固含量和水洗水油蠟類(lèi)物質(zhì)對(duì)換熱器的影響，保證裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行。