氯乙烯裝置節(jié)能降耗研究

樊增強(qiáng)，劉清昀，馬廣翔

（天津渤化化工發(fā)展有限公司，天津）

氯乙烯作為一種重要的基礎(chǔ)化工原料， 在化工、建材、塑料等多個(gè)行業(yè)中廣泛應(yīng)用。 氯乙烯的生產(chǎn)過程中能耗較高，并產(chǎn)生一定的廢氣排放。 為提高氯乙烯生產(chǎn)的能源利用效率，減少能源消耗和環(huán)境污染，開展氯乙烯裝置的節(jié)能降耗研究具有重要意義。

隨著全國(guó)節(jié)能減排措施的逐步落實(shí)，平衡氧氯化法生產(chǎn)氯乙烯已成為國(guó)內(nèi)生產(chǎn)氯乙烯的主流生產(chǎn)工藝之一。

本研究針對(duì)平衡氧氯化法生產(chǎn)氯乙烯裝置的節(jié)能降耗問題，以天津渤化發(fā)展有限公司實(shí)際的節(jié)能降耗優(yōu)化方向?yàn)槔_展分析，為氯乙烯裝置的節(jié)能降耗提供新的思路和方法，對(duì)相關(guān)行業(yè)的能源利用和節(jié)能優(yōu)化有一定的參考和借鑒意義。

1 氯乙烯生產(chǎn)概況

氯乙烯裝置包括4 個(gè)主要生產(chǎn)單元，分別是直接氯化單元、EDC 水洗及精制單元、 裂解單元和氧氯化單元。

直接氯化單元利用乙烯和氯氣發(fā)生氯化反應(yīng)生成二氯乙烷，分為高溫氯化和低溫氯化兩種不同單元。

EDC 水洗及精制單元是EDC 的處理單元，將直接氯化單元及氧氯化單元生產(chǎn)的粗濕二氯乙烷進(jìn)行精制提純?yōu)楦杉兌纫彝椤?/p>

裂解單元通過裂解工藝，將干純二氯乙烷裂解，產(chǎn)生氯乙烯及氯化氫，并將各組分分離。

氧氯化單元利用乙烯、氧氣及裂解單元副產(chǎn)的氯化氫通過氧氯化反應(yīng)，生產(chǎn)二氯乙烷。 氯乙烯裝置流程簡(jiǎn)圖見圖1。

圖1 氯乙烯裝置流程簡(jiǎn)圖

2 氯乙烯裝置降低原料消耗措施

2.1 降低乙烯消耗

氯乙烯裝置中，乙烯是主要的生產(chǎn)原料，用于生產(chǎn)中間產(chǎn)品二氯乙烷。 其消耗的降低能帶來更高的收率，進(jìn)而節(jié)約能源，主要有以下幾種措施。

（1）降低低溫氯化尾氣乙烯含量

低溫氯化處理氧氯化單元及高溫氯化單元的乙烯凈化氣。 低溫氯化單元尾氣直接進(jìn)入排放系統(tǒng)進(jìn)行處理，尾氣乙烯含量高，將影響乙烯消耗。 尾氣設(shè)有在線乙烯含量分析表，乙烯含量要求控制在0.5%～3.0%， 適當(dāng)降低尾氣乙烯含量， 能夠減少乙烯的損耗，從而降低乙烯單耗。 本裝置通過調(diào)整，控制低溫氯化尾氣乙烯含量為0.5%～0.8%，以達(dá)到降耗需求。

（2）提高乙烯汽提塔的汽提效果

乙烯汽提塔主要用于回收氧氯化單元產(chǎn)生的EDC 中溶解的乙烯，減少乙烯的浪費(fèi)。 乙烯汽提塔的汽提效果直接影響乙烯的消耗。 乙烯汽提塔開車后出現(xiàn)填料破碎，堵塞換熱器等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了乙烯汽提塔的運(yùn)行效率。 因此更換填料材質(zhì)，減少填料的破損， 從而提高乙烯汽提塔的運(yùn)行效果，降低乙烯的單耗。

（3）投用加氫反應(yīng)器

保證加氫反應(yīng)器正常運(yùn)行，使HCl 中的乙炔轉(zhuǎn)化為乙烯，提高乙烯收率。

2.2 提高二氯乙烷收率

氯乙烯生產(chǎn)過程中二氯乙烷作為主要的中間產(chǎn)品，其在精餾提純過程中，伴隨著部分二氯乙烷的損耗。 因此，提高二氯乙烷的收率是裝置主要研究的降耗措施之一，主要措施如下。

（1）提高乙烯轉(zhuǎn)化率

裝置主要對(duì)低溫氯化、高溫氯化反應(yīng)器調(diào)整乙烯/氯氣進(jìn)料比例， 合理控制反應(yīng)器催化劑鐵含量，以減少副產(chǎn)物的生成，使原料最大程度地轉(zhuǎn)化為目標(biāo)產(chǎn)物二氯乙烷，減少乙烯消耗。

另外對(duì)氧氯化反應(yīng)器做好催化劑運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，控制好熱點(diǎn)溫度，提高產(chǎn)品二氯乙烷純度，在提高乙烯轉(zhuǎn)化率的同時(shí)延長(zhǎng)催化劑的使用周期。

（2）減少二氯乙烷的采出量

氯乙烯裝置中為了防止副產(chǎn)物累積，需要定期采出輕組分及重組分。 在保證裝置穩(wěn)定運(yùn)行情況下，盡可能的降低輕重組分中二氯乙烷含量，提高二氯乙烷收率。

a.減少輕組分的采出量

輕組分塔是二氯乙烷中水及輕組分分離的設(shè)備，其輕組分中含有15%～40%的二氯乙烷。 在保證二氯乙烷精餾效果的前提下，適當(dāng)減少輕組分的采出，有助于提高二氯乙烷的收率。 如將輕組分中二氯乙烷純度從40%降低至15%，公司每年輕組分采出量約為12000 t， 每年可提高二氯乙烷產(chǎn)量12000×（40%-15%）=3000（t）。

b.減少重組分的采出量

氯乙烯裝置中，由于生產(chǎn)過程產(chǎn)生部分焦油和重組分，容易結(jié)焦阻塞設(shè)備，有一定量的重組分采出， 重組分送至焚燒處理。 重組分中約含有15%～40%的二氯乙烷。在保證系統(tǒng)不結(jié)焦的前提下，適當(dāng)減少重組分的采出， 有助于提高二氯乙烷的收率。如將重組分中二氯乙烷純度從40%降低至15%，公司每年重組分采出量約為20000 t， 可提高二氯乙烷產(chǎn)量20000×（40%-15%）=5000 （t）。

通過以上措施的落實(shí)， 乙烯單耗從0.293 t/t EDC 降低至0.290 t/t EDC。

3 降低裝置能耗的措施

3.1 氯乙烯裝置能耗使用概述

天津渤化化工發(fā)展有限公司氯乙烯裝置2022年2月開車成功。經(jīng)過近兩年的運(yùn)行，對(duì)裝置能源使用情況進(jìn)行分析，以達(dá)到節(jié)能降耗的效果。 裝置主要原料為乙烯，來自外購(gòu)和MTO 裝置。 能源種類有生產(chǎn)水、生產(chǎn)電、4.5 MPa 蒸汽、1.0 MPa 蒸汽、燃?xì)獾?，公司氯乙烯裝置2022年全年主要能源能耗構(gòu)成情況見表1。

從表1 可看出， 裝置能耗使用量最大的為蒸汽，消耗使用量第二為燃?xì)?，次之為生產(chǎn)電消耗，用量較少的為生產(chǎn)水。

3.2 氯乙烯裝置節(jié)能措施

3.2.1 蒸汽節(jié)能措施

從上述能耗構(gòu)成可看出，氯乙烯裝置能耗使用最高的為蒸汽，蒸汽來源主要有外購(gòu)蒸汽及裝置副產(chǎn)蒸汽。

外購(gòu)蒸汽主要由4.5 MPa 蒸汽和1.0 MPa 蒸汽，副產(chǎn)蒸汽為氧氯化單元副產(chǎn)1.75 MPa 和裂解爐副產(chǎn)的1.0 MPa 兩種蒸汽。 氯乙烯裝置使用的蒸汽類型主要有4 種，由以上蒸汽減溫減壓得到。 次高壓飽和蒸汽MHS 1.75 MPa 208 ℃；中壓飽和蒸汽MS 1.0 MPa 193 ℃；低壓飽和蒸汽LS 0.5 MPa 158 ℃；低低壓飽和蒸汽LLS 0.3 MPa 143 ℃。

氧氯化單元利用反應(yīng)熱副產(chǎn)蒸汽和4.5 MPa 蒸汽減溫減壓后的蒸汽一起并入1.75 MPa 管網(wǎng)，1.75 MPa蒸汽主要用于EDC 氣化器及VCM 塔熱源使用；1.0 MPa 蒸汽用于各精餾塔作為塔釜熱源使用，0.5 MPa 和0.3 MPa 蒸汽主要作為汽提塔熱源使用。

在氯乙烯裝置的能源使用中，蒸汽作為最主要的能源，節(jié)省蒸汽使用的作用尤為突出。 針對(duì)蒸汽節(jié)能，主要采取了以下措施。

（1）合理調(diào)配二氯乙烷的生產(chǎn)負(fù)荷

在二氯乙烷的生產(chǎn)過程中高溫氯化反應(yīng)熱直接用于精餾，氧氯化單元反應(yīng)器副產(chǎn)蒸汽，因此保證高溫氯化及氧氯化單元高負(fù)荷，可以達(dá)到節(jié)省蒸汽的目的。

高溫氯化反應(yīng)： 高溫氯化的反應(yīng)溫度控制在110 ℃左右，反應(yīng)熱供給與其相連接的高溫氯化塔，用于二氯乙烷的氣化，1 mol 反應(yīng)可氣化6 mol 二氯乙烷；

氧氯化反應(yīng)：由乙烯、氧氣及裂解副產(chǎn)HCl 反應(yīng)生成二氯乙烷，其反應(yīng)熱由與反應(yīng)器連接的蒸汽包帶走，副產(chǎn)1.75 MPa 蒸汽。

（2）優(yōu)化精餾塔操作

氯乙烯生產(chǎn)過程中，涉及到的精餾塔數(shù)量較多，主要用于二氯乙烷及氯乙烯的精制過程。 因此精餾塔的優(yōu)化操作能夠起到較為可觀的節(jié)能效果。

過量蒸汽與過量的回流固然會(huì)帶來更好的精餾效果，但會(huì)造成塔釜熱量的過度使用。 因此，在保證精餾塔產(chǎn)物純度的條件下， 盡可能縮減回流，減少蒸汽的使用，以達(dá)到節(jié)能的效果；在環(huán)境氣溫低時(shí)，通過關(guān)小循環(huán)水閥門或開大循環(huán)水旁路閥門的方式，將循環(huán)水的換熱量降低，最大程度利用環(huán)境溫度進(jìn)行換熱，從而提高回流罐的溫度，節(jié)省塔釜熱源蒸汽的用量；在保證精餾效果的前提下，適當(dāng)降低精餾塔塔壓，能夠有效減少蒸汽用量。

（3）充分利用裝置內(nèi)物料熱量

一是物料之間的充分換熱。 氯乙烯裝置中，輕組分塔進(jìn)料與出料、 廢水汽提塔的進(jìn)料與出料、VCM 塔釜出料與循環(huán)EDC 塔進(jìn)料等均設(shè)計(jì)有熱回收換熱器，需保證設(shè)備正常投用，堵塞時(shí)及時(shí)清洗，確保換熱效果。 二是充分利用急冷氣。 裂解急冷氣溫度較高，主要用于使用在HCl 塔及循環(huán)EDC 塔再沸器，以減少蒸汽用量。 通過控制塔釜液位、急冷氣分配及換熱器清洗，保證最佳效果。

通過優(yōu)化HCl 塔的操作，使急冷氣熱量充分利用，其蒸汽使用量由10 t/h 降低至3 t/h 以下，按照1.0 MPa 蒸汽折合93.1 kgce/t 的折標(biāo)煤系數(shù)計(jì)算，每年8000 h 的開工量可節(jié)省能源5213.6 t 標(biāo)煤。

（4）其他措施

首先，通過技改項(xiàng)目，實(shí)施乙烯氣化器改造，將低溫乙烯罐的低溫乙烯與循環(huán)水進(jìn)行換熱，減少乙烯氣化消耗的蒸汽量。 同時(shí)，低溫乙烯與循環(huán)水進(jìn)行換熱，降低了循環(huán)水的溫度，減少了氯乙烯裝置循環(huán)水的冷負(fù)荷。

其次，裝置內(nèi)蒸汽疏水閥的定期檢測(cè)更換也是節(jié)省蒸汽的手段。 疏水閥的損壞，伴隨著一定量的蒸汽浪費(fèi)。 定期進(jìn)行效果檢測(cè)能夠避免蒸汽的損耗。

蒸汽的輸送過程中存在熱量損失，選擇高效的保溫材料能夠在一定程度上減少熱量損失，提高能源的利用率。 除此之外，選取高效的換熱器，利用蒸汽滴狀凝結(jié)技術(shù)等均能提高換熱效果，提高蒸汽利用率，降低蒸汽消耗。

3.2.2 燃?xì)夤?jié)能措施

氯乙烯裝置第二多的能源使用量為燃?xì)?，燃?xì)庥糜诹呀鉅t內(nèi)燃燒提供裂解所需熱量。 氯乙烯裝置共有裂解爐4 套，每套共有80 個(gè)燒嘴。 氯乙烯裝置燃?xì)庵饕褂脷錃狻?天然氣及MTO 裝置副產(chǎn)燃料氣。 對(duì)于裂解爐的燃?xì)庀?，主要有以下措施?/p>

（1）提高氫氣用量，減少燃料氣消耗

燒堿裝置副產(chǎn)氫氣，公司內(nèi)部其他裝置如雙氧水裝置、PP 裝置、POSM 裝置等無(wú)法完全消耗，產(chǎn)生大量的氫氣余量。 且氯乙烯裝置使用特制燃燒器，每個(gè)燃燒器中含有氫氣和燃料氣兩個(gè)燒嘴，可以優(yōu)先使用燒堿裝置的副產(chǎn)氫氣， 保證氫氣最大使用量，以減少燃?xì)獾挠昧俊?/p>

（2）提高M(jìn)TO 副產(chǎn)燃料氣用量，減少天然氣消耗

MTO 副產(chǎn)燃料氣與天然氣混合后使用。 由于MTO 燃料氣熱值低，且組分波動(dòng)較大，會(huì)造成裂解爐溫度波動(dòng)，為保證MTO 副產(chǎn)氣最大量使用，減少天然氣用量。 經(jīng)與燃燒器廠家溝通，最終確定了改進(jìn)方案，部分燃燒器采用氫氣和燃料氣燒嘴同時(shí)燃燒的方法，最大程度消耗MTO 副產(chǎn)燃料氣，同時(shí)，減少了裂解爐溫度波動(dòng)的情況。

（3）控制裂解爐負(fù)壓及含氧量，減少天然氣消耗

VCM 裂解爐為自然通風(fēng)型，負(fù)壓過大，會(huì)造成空氣進(jìn)入過多，帶走熱量。 通過減小裂解爐風(fēng)門，控制裂解爐負(fù)壓，減少含氧量，避免熱量損失。

（4）合理調(diào)整裂解爐燒嘴分布

通過對(duì)裂解爐燒嘴分布的調(diào)整，盡可能保證其熱量均勻分布，使熱量充分利用，減少燃?xì)庀摹?/p>

（5）控制合理的裂解度

裂解爐運(yùn)行過程中， 裂解度過低會(huì)造成大量EDC 未裂解進(jìn)入到循環(huán)EDC 中， 重新精餾及裂解會(huì)造成能源浪費(fèi)。 因此在保證產(chǎn)品質(zhì)量及裂解爐使用周期情況下，適當(dāng)提高裂解度，增加產(chǎn)量，能夠降低燃?xì)庀摹?/p>

3.2.3 生產(chǎn)電節(jié)能措施

氯乙烯裝置用電設(shè)備較多，大型機(jī)組共有12 臺(tái)，用電量較大的主要設(shè)備有冷凍機(jī)、 乙烯壓縮機(jī)等，其節(jié)能優(yōu)化主要措施如下。

（1）使用變頻電機(jī)

VCM 裝置循環(huán)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)采用變頻電機(jī)，根據(jù)溫度變化及時(shí)調(diào)整， 冬季溫度低時(shí)可以停部分風(fēng)機(jī)，降低電耗。

（2）低氣溫時(shí)，停用冷凍機(jī)

每套氯乙烯裝置均有3 臺(tái)冷凍機(jī)制冷，由于冬季氣溫較低， 冷凍機(jī)負(fù)荷較低， 可使用2 臺(tái)冷凍機(jī)制冷，減少冷凍機(jī)用電量。每臺(tái)冷凍機(jī)1760 kW，電量折標(biāo)煤系數(shù)為0.1229 kgce/（kW·h），按照冬季90 天低溫天氣計(jì)算，每年可節(jié)省19.47 t 標(biāo)煤。

（3）合理利用系統(tǒng)壓力，減少機(jī)泵開啟

氯乙烯裝置HCl 汽提塔壓力為0.78 MPa，塔釜氯乙烯產(chǎn)品依靠塔釜泵輸送至氯乙烯罐區(qū)，系統(tǒng)壓力可直接輸送至生產(chǎn)罐區(qū)，因此可停用塔釜泵。 每臺(tái)機(jī)泵25 kW，開工量按照每年8000 h 計(jì)算，電量折標(biāo)煤系數(shù)為0.1229 kgce/（kW·h）， 每年可節(jié)省24.58 t 標(biāo)煤。

3.2.4 生產(chǎn)水節(jié)能措施

氯乙烯裝置生產(chǎn)水主要供機(jī)泵機(jī)封沖洗使用，部分用于系統(tǒng)內(nèi)添加。 采取的節(jié)能措施有3 種：一是對(duì)機(jī)泵機(jī)封沖洗水進(jìn)行了工藝改造，增加機(jī)泵機(jī)封沖洗水罐，改造機(jī)泵機(jī)封水管道結(jié)構(gòu)，使機(jī)泵沖洗水可循環(huán)使用，從而降低生產(chǎn)水的消耗；二是工藝水管道增加電伴熱， 以減少冬季防凍長(zhǎng)流水量；三是對(duì)冬季不常使用的生產(chǎn)水管道進(jìn)行排空處理，以避免管路凍凝或防凍長(zhǎng)流水。

4 APC 先進(jìn)控制技術(shù)的應(yīng)用

先進(jìn)控制（APC）技術(shù)的應(yīng)用使生產(chǎn)過程控制實(shí)現(xiàn)革命性的突破，由原來的常規(guī)控制過渡到多變量模型預(yù)估控制，工藝生產(chǎn)控制更加合理、優(yōu)化。 先進(jìn)控制技術(shù)采用科學(xué)、 先進(jìn)的控制理論和控制方法，以工藝過程分析和數(shù)學(xué)模型為核心，以工廠控制網(wǎng)絡(luò)和管理網(wǎng)絡(luò)為信息載體，充分發(fā)揮DCS 和常規(guī)控制系統(tǒng)的潛力， 保障生產(chǎn)裝置始終運(yùn)轉(zhuǎn)在最佳狀態(tài)， 通過多變量協(xié)調(diào)和約束控制降低裝置能耗，實(shí)現(xiàn)卡邊操作，以獲取最大的經(jīng)濟(jì)利益，是企業(yè)節(jié)能增效的有效手段之一。

天津渤化化工發(fā)展有限公司氯乙烯裝置優(yōu)先使用了中智軟創(chuàng)先進(jìn)控制技術(shù)， 使上述節(jié)能措施中的控制手段均能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)優(yōu)化調(diào)整。

5 結(jié)語(yǔ)

天津渤化化工發(fā)展有限公司從氯乙烯裝置的節(jié)能措施入手，提出了氯乙烯生產(chǎn)上的節(jié)能優(yōu)化方向及所采取的節(jié)能措施，但仍存在一定的節(jié)能優(yōu)化空間，如裂解氣的熱量利用不夠充分，裂解爐煙氣的熱量回收，氧氯化單元開車后的乙烯回收等。 后續(xù)將進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整， 以促進(jìn)裝置安穩(wěn)長(zhǎng)滿優(yōu)運(yùn)行，同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)。