聚酯裝置能源優(yōu)化措施

上海石油化工股份有限公司滌綸事業(yè)部 張莉瓊

前言：

近幾年國內(nèi)聚酯行業(yè)的競爭日趨激烈，各企業(yè)除產(chǎn)品品種、質(zhì)量外，主要表現(xiàn)在成本的競爭上。幾乎所有的聚酯企業(yè)都在盈虧平衡線附近生存，降低成本幾乎成為企業(yè)生存的主要手段，而降低成本又較多地集中在能耗方面。通過能源優(yōu)化措施降低產(chǎn)品成本已成為目前裝置提高競爭力的主要手段之一。

1 裝置概述

上海石化共有三套聚酯裝置，產(chǎn)能為55萬噸。其中1#聚酯裝置于2004年9月投產(chǎn)，裝置采用國產(chǎn)化三釜流程聚酯生產(chǎn)技術(shù)，年生產(chǎn)能力為15萬t。2#聚酯裝置1983年11月建成投產(chǎn)，采用日本鐘紡公司專利技術(shù)為基礎(chǔ)的五釜聚酯生產(chǎn)工藝，共有六條生產(chǎn)能力原設(shè)計為101 t/d的聚酯生產(chǎn)線，年生產(chǎn)能力為20萬t；近幾年經(jīng)過對裝置的擴(kuò)產(chǎn)改造，目前裝置各線的生產(chǎn)能力達(dá)到160 t/d的水平，裝置年產(chǎn)能達(dá)到了30萬t以上。3#PET聚酯裝置是1987年從美國杜邦公司引進(jìn)的二手設(shè)備，共有兩條生產(chǎn)線，原設(shè)計年生產(chǎn)能力為5.27萬t，通過對CP-2預(yù)聚釜、酯化蒸發(fā)器等的改造，裝置年產(chǎn)能達(dá)到10萬t。

1.1 生產(chǎn)工藝

聚酯裝置以對苯二甲酸粉體和乙二醇液體為原料，通過酯化、縮聚兩個主要反應(yīng)過程生產(chǎn)聚酯切片。

1)酯化單元

1#、3#聚酯裝置為三釜流程,其酯化反應(yīng)器為單一的外循環(huán)反應(yīng)器,從漿料供應(yīng)槽送來的EG/PTA漿料由酯化加熱器(以氣相熱媒加熱)的下端管線上注入酯化反應(yīng)系統(tǒng)，在加熱器的加熱騰升作用下，新注入的物料與老的物料一起在酯化反應(yīng)系統(tǒng)中形成一個由“U型管→加熱器→酯化蒸發(fā)器”的大循環(huán)，在這個循環(huán)過程中，酯化反應(yīng)不斷地進(jìn)行，達(dá)到酯化率要求的齊聚物不斷地從U型管的底部送往下一道縮聚工序。

2#聚酯裝置為五釜流程,其酯化工序有兩個反應(yīng)器,漿料由漿料泵連續(xù)供應(yīng)給第一酯化釜。在第一酯化釜PTA與EG被加熱進(jìn)行酯化反應(yīng)，它是一臺立式返混反應(yīng)器，設(shè)有二段透平式攪拌器，內(nèi)有加熱盤管和釜外加熱夾套(以液相熱媒加熱)，達(dá)到一定酯化率后物料送到第二酯化反應(yīng)器中進(jìn)一步酯化；第二酯化釜是一個內(nèi)分三槽的臥式反應(yīng)器，各槽有立式攪拌器，釜內(nèi)有加熱盤管和釜外加熱夾套，達(dá)到酯化率要求后的齊聚物用齒輪泵經(jīng)粗濾器過濾后，送往下一道縮聚工序。

2）縮聚單元

1#、3#聚酯裝置縮聚分預(yù)縮聚和終縮聚,在進(jìn)行縮聚反應(yīng)前，必須要加入縮聚催化劑溶液，液體DEG，穩(wěn)定EG，根據(jù)不同的產(chǎn)品添加相應(yīng)的消光劑量,還可以添加其它添加劑生產(chǎn)新產(chǎn)品。齊聚物進(jìn)入一個上流式塔式反應(yīng)器(UFPP)進(jìn)行預(yù)縮聚反應(yīng),在該反應(yīng)器中將酯化單元送來的酯化率為92%～96%、聚合度為4～5左右的齊聚物，進(jìn)行第一次縮聚，使物料的酯化率達(dá)到99%～99.5%、聚合度達(dá)到15～35，送往終縮聚。終縮聚反應(yīng)器(FIN)是一個帶鼠籠攪拌的反應(yīng)器,在該反應(yīng)器酯化率為99%～99.5%、聚合度為15～35左右的齊聚物，進(jìn)行最終的縮聚反應(yīng)，使物料的酯化率達(dá)到99.8%以上、聚合度達(dá)到100左右的成品熔體，再經(jīng)濾網(wǎng)孔徑為20 μm的熔體過濾器過濾以供制成聚酯切片。

2#聚酯裝置縮聚分預(yù)縮聚和終縮聚,酯化后齊聚物經(jīng)過濾器首先進(jìn)入預(yù)聚系統(tǒng)的第一縮聚反應(yīng)器(立式反應(yīng)釜)，在該反應(yīng)器中，聚合體的聚合度由5.1提高到26左右。而后由出料齒輪泵輸送至第二縮聚反應(yīng)器(臥式單軸反應(yīng)釜)。在該反應(yīng)器中，聚合體的聚合度由26提高到63左右。再由出料齒輪泵輸送至第三縮聚反應(yīng)器 (臥式雙軸攪拌反應(yīng)釜)，在該反應(yīng)器中，聚合體的聚合度由63提高到100左右。由出料齒輪泵送出，再經(jīng)濾網(wǎng)孔徑為20μm的F-33熔體過濾器過濾，部分送到切片化工序造粒、另一部分經(jīng)增壓齒輪泵送紡絲車間直接紡絲。

1.2 用能狀況

聚酯裝置生產(chǎn)工藝主要消耗的能源品種有電、蒸汽、燃料油(氣)、氮氣和水等。電主要用于整個工藝流程中的電機(jī)設(shè)備；蒸汽主要用于外圍導(dǎo)生爐子噴槍、漿料預(yù)熱、蒸汽真空泵和儀表設(shè)備伴熱等；燃料油（氣）用于導(dǎo)生爐加熱熱媒油；氮氣用于PTA輸送和料倉氮封和松動；各種品質(zhì)的水主要用作工藝系統(tǒng)的冷卻、沖洗和消防等。其中燃料油（氣）為裝置主要耗能品種，其能耗占裝置總能耗的50%以上，其次為電和蒸汽。聚酯裝置用能情況如圖1所示。

2 能源優(yōu)化方案

2.1 分析1#PET裝置工藝特點及能源綜合利用的優(yōu)勢。

1#PET裝置采用的三釜聚酯技術(shù)立足于工藝及裝備的國產(chǎn)化，其中第一和第二反應(yīng)器為塔式反應(yīng)器，沒有機(jī)械攪拌設(shè)備，在酯化工序中使用了較低摩爾比、外循環(huán)加熱的雙室雙壓反應(yīng)器和加壓酯化及蒸汽回收等國內(nèi)開發(fā)的專利技術(shù)；在縮聚反應(yīng)真空獲得系統(tǒng)中，采用了國內(nèi)開發(fā)的乙二醇蒸汽噴射泵和噴淋冷凝器的低溫循環(huán)乙二醇系統(tǒng)技術(shù)，裝置使用的冷凍水來自酯化產(chǎn)生的工藝蒸汽推動的溴化鋰制冷機(jī)組；加熱采用了流程更為簡潔的就地蒸發(fā)氣相熱媒加熱技術(shù)。裝置能源消耗少，能源的綜合利用和節(jié)能體現(xiàn)在兩個方面：1）將過程中耗能最大的酯化工序產(chǎn)生的工藝蒸汽推動溴化鋰制冷機(jī)組，產(chǎn)生的冷量用于縮聚蒸汽的回收和切粒機(jī)循環(huán)水系統(tǒng)的冷卻，節(jié)省了由公用工程供應(yīng)的冷凍水量；2）高溫液相熱媒在車間就地閃蒸產(chǎn)生氣相熱媒送給用戶，優(yōu)化了各不同加熱等級的需求，降低了系統(tǒng)熱能損耗。如何借鑒1#PET裝置的能源綜合利用方法，是降低二套聚酯裝置能耗最有效的方法之一。

2.2 能源優(yōu)化方案在2#PET、3#PET裝置上的應(yīng)用

1)乙二醇真空泵替代水蒸汽噴射泵

2#、3#二套聚酯裝置在縮聚反應(yīng)真空獲得系統(tǒng)中，縮聚反應(yīng)器的真空由水蒸汽噴射泵產(chǎn)生，而水蒸汽噴射泵不僅存在著齊聚物堵塞，水蒸汽噴射泵系統(tǒng)會將反應(yīng)過程的有機(jī)物抽掉而造成原料損失，還存在污染大和能耗大的問題。這些是水蒸汽噴射泵的工作原理和自身結(jié)構(gòu)所造成的固有缺陷，無法克服。

而乙二醇（EG）蒸汽噴射泵是近年來在聚酯工業(yè)中應(yīng)用的新技術(shù)，該技術(shù)日趨成熟，已得到廣泛的應(yīng)用。EG蒸汽真空噴射泵是降低裝置蒸汽單耗的關(guān)鍵設(shè)備。通過對1#PET裝置工藝分析及對國內(nèi)新建的聚酯裝置進(jìn)行廣泛調(diào)研，同時對裝置自身的生產(chǎn)工藝設(shè)備進(jìn)行深入的研究，不改變2#、3#二套聚酯裝置原來的生產(chǎn)工藝，保留反應(yīng)釜和EG循環(huán)系統(tǒng)等大部分設(shè)備，只對水蒸汽噴射泵部分的設(shè)備進(jìn)行改造，就可應(yīng)用乙二醇（EG）蒸汽噴射泵。改造后的裝置利用一臺蒸發(fā)器將EG蒸發(fā)為氣體，作為噴射泵的驅(qū)動蒸汽；將反應(yīng)器系統(tǒng)抽出的帶有EG的蒸汽合為一股后，由另外一個冷EG循環(huán)、噴淋系統(tǒng)冷凝吸收；回收下來的廢EG全部作為原料循環(huán)利用。用乙二醇蒸汽噴射泵取代原來使用的蒸汽噴射泵,可以使整個裝置生產(chǎn)主流程中不再使用蒸汽，這樣可以減少熱損失和蒸汽的跑冒滴漏，而且乙二醇蒸汽噴射泵可以把真空抽出的乙二醇全部回收使用，減少廢水、廢氣排出，節(jié)能減排效果非常明顯。

2）用酯化反應(yīng)廢氣加熱生產(chǎn)原料

2#聚酯聯(lián)合裝置的生產(chǎn)工藝流程主要由漿料調(diào)制部分（原料）、反應(yīng)部分、造粒包裝部分等組成。反應(yīng)部分由5臺反應(yīng)釜組成，第一、第二反應(yīng)釜為酯化反應(yīng)釜，位號為R-21和R-22,第三、四、五反應(yīng)釜為縮聚反應(yīng)釜，位號為R-31、R-32和R-33，酯化反應(yīng)釜的輔助部分為酯化分離塔系統(tǒng)，位號為T-21和T-22，縮聚反應(yīng)釜的輔助部分為真空系統(tǒng)。原設(shè)計漿料在進(jìn)入R-21前的溫度為30℃，R-21的反應(yīng)溫度為270℃，反應(yīng)壓力為0.7kg/cm2（表壓），R-21第一酯化釜需要的熱媒流量為120m3/h。而漿料在R-21第一酯化釜進(jìn)行反應(yīng)過程中會產(chǎn)生大量的含有EG蒸汽、水蒸汽以及各類醛類的高溫氣體，酯化反應(yīng)廢氣具有危害性和污染性，不能直接排入大氣中，同時EG為生產(chǎn)原料、且價值較高，所以含有EG的高溫廢氣從底部進(jìn)入分離塔T-21，利用塔的精餾原理，經(jīng)過10層塔板的分離作用，EG蒸汽從反應(yīng)廢氣中冷卻成液態(tài)（溫度約為110℃左右，低于EG的沸點），重新流回R-21第一酯化釜作為生產(chǎn)原料再次使用。經(jīng)過分離塔的反應(yīng)廢氣，雖然已經(jīng)分離出EG，但反應(yīng)廢氣中還是含有大量的水蒸氣和醛類，溫度也大于100℃。高溫反應(yīng)廢氣繼續(xù)通過一只管式冷凝器，被冷卻成為50℃左右的廢水和一些不凝性氣體，廢水從冷凝器的溜出水管中流出，到公用系列的廢水收集槽，一些不凝性氣體從冷凝器頂部的放空管排入大氣。若能采用第一酯化反應(yīng)分離塔頂產(chǎn)生的低品質(zhì)反應(yīng)廢蒸汽加熱進(jìn)第一酯化釜前（R-21）的漿料，不僅可減少現(xiàn)有熱媒加熱量，還可減少冷卻酯化廢汽所需的循環(huán)冷卻水量。

3）用酯化廢氣驅(qū)動溴化鋰?yán)鋬鰴C(jī)組，為裝置切片化系統(tǒng)提供冷量

3#PET聯(lián)合裝置能耗組成中，冷凍系統(tǒng)的能耗在總能耗中所占比例約為5%。而酯化系統(tǒng)每小時產(chǎn)生60kPa壓力的蒸汽約4t，其向外排出的熱量僅汽化潛熱就達(dá)200余萬kcal/h，為了冷卻這些蒸汽需耗用循環(huán)水360t/h。

目前該裝置使用冷凍水由動力冷凍站提供，冷凍站溴機(jī)使用事業(yè)部PTA裝置產(chǎn)生的副產(chǎn)蒸汽，PTA裝置將實施能源優(yōu)化項目（氧化單元空壓系統(tǒng)采用氧化反應(yīng)副產(chǎn)低壓蒸汽供透平驅(qū)動工藝空氣壓縮機(jī)），待項目實施后，將無副產(chǎn)蒸汽外供。若能利用酯化產(chǎn)生60kPa壓力的酯化蒸汽去驅(qū)動150萬kcal溴化鋰?yán)鋬鰴C(jī)組，可滿足裝置所需冷量。不僅可降低冷凍系統(tǒng)用能，還能降低冷卻酯化蒸汽所需的循環(huán)水量。

4)熱煤爐燃燒介質(zhì)由燃料油改為天然氣（干氣）

事業(yè)部三套聚酯裝置共有熱煤爐7臺，正常投用4臺，3臺為備臺。按目前生產(chǎn)負(fù)荷，1#聚酯的爐油耗量在845kg/h左右，2#聚酯的爐油耗量在1320kg/h左右，3#聚酯的爐油耗量在755kg/h左右，其用能占裝置總能耗的50%以上。熱媒爐作為聚酯裝置的主要設(shè)備之一，其安全運行將直接影響到各裝置的正常生產(chǎn)。使用燃料油時，隨著工藝上油壓變化，出口熱媒溫度變化大，嚴(yán)重會造成熱媒爐熄火，影響生產(chǎn)運行。燃油爐子的熱效率較低，爐管和空氣預(yù)熱器容易結(jié)垢和列管容易腐蝕爛穿，經(jīng)常要進(jìn)行清洗，設(shè)備維修費用較高。油改氣后，在燃燒系統(tǒng)中省去了由于重油的燃燒結(jié)焦等堵塞噴嘴而帶來頻繁對噴槍噴嘴的清洗；同時由于燃?xì)獾某煞质翘細(xì)浠衔?，燃燒的尾氣對空氣預(yù)熱器內(nèi)積灰的影響甚微，改變了對熱煤爐的吹灰周期；另外油改氣后，爐子的排煙溫度有所降低，爐子熱效率也得以提高。

3 節(jié)能效果

3.1 乙二醇真空泵替代水蒸汽噴射泵

乙二醇蒸氣噴射泵改造從2005年10月起在2#、3#聚酯聯(lián)合裝置的各條聚合生產(chǎn)線上全面推廣實施，到2007年底已全部改造完畢，乙二醇蒸氣噴射泵的應(yīng)用效益已逐步顯現(xiàn)。項目的實施，不僅消除了噴嘴的齊聚物堵塞的生產(chǎn)隱患，解決了水蒸汽噴射泵系統(tǒng)把反應(yīng)有機(jī)物抽掉而造成的原料損失，同時降低了能耗、減少了環(huán)境污染，乙二醇真空泵替代水蒸汽噴射泵單線可減少用能56.6kg標(biāo)油/h，全年運行時間按7880h計，兩套裝置8條生產(chǎn)線全年可降低能耗3568t標(biāo)油。詳見表2。

表2 改造前后單線公用工程數(shù)據(jù)比較

3.2 酯化反應(yīng)廢氣加熱生產(chǎn)原料

2#PET一條生產(chǎn)線就可以最大產(chǎn)出70kPa、114℃的低品質(zhì)反應(yīng)廢氣1.26t/h，如果全部利用將它轉(zhuǎn)化為114℃的飽和水，就可以每小時得到66.8萬kcal的熱量。而裝置單線的PTA漿料進(jìn)料溫度從30℃升高到90℃，僅需要20.6萬kcal/h的熱量，漿料加熱可以使用掉31%廢蒸氣熱量。采用第一酯化反應(yīng)分離塔頂產(chǎn)生的低品質(zhì)反應(yīng)廢蒸汽加熱進(jìn)入第一酯化釜前（R-21）的漿料，不僅可減少現(xiàn)有熱煤加熱量，還可減少冷卻酯化廢氣所需的循環(huán)冷卻水量。

漿料升溫到90℃所需熱量為20.6萬kcal/h；單線生產(chǎn)負(fù)荷以7.1 t/h計，可節(jié)能2.9kg標(biāo)油/t。

另漿料加熱器投用后每臺第一酯化塔冷凝器的循環(huán)水用量由136m3/h降為116m3/h，可節(jié)能（136-116）×0.1/7.1=0.28 kg標(biāo)油/t。

項目全部實施后，2#PET裝置可降低能耗3.18 kg標(biāo)油/t，年產(chǎn)量以34萬t計，全年可節(jié)能1000多t標(biāo)油。

3.3 用酯化廢汽驅(qū)動溴化鋰?yán)鋬鰴C(jī)組

3#PET裝置產(chǎn)生的酯化廢氣可推動一臺150萬kcal溴機(jī)，150萬kcal溴機(jī)耗用新鮮蒸汽量約為3t/h，以全年運行7800h計，項目實施后可減少新鮮蒸汽23400t，節(jié)能1000t標(biāo)油以上。目前該方案已在3#PET裝置上進(jìn)行了試運行，基本上能滿足裝置所需冷量。

3.4 爐子油改氣

油改氣后，爐子的熱效率得到提高，爐子用能量也有較大幅度下降。其中1#PET裝置爐子用能較改造前減少2.24kg標(biāo)油/t，下降幅度4.7%；2#PET裝置爐子用能較改造前減少13.03 kg標(biāo)油/t，下降幅度22.57%；3#PET裝置爐子用能較改造前減少6.45 kg標(biāo)油/t，下降幅度11.19%。表3為改造前后爐子用能情況比較。

表3 爐子油改氣前后能耗比較 kg標(biāo)油/t

此外，爐子油改氣后，還可降低電、蒸汽、壓縮空氣的用量：

電：爐子改造后，可停用燃料泵、重油泵，燃料供給泵和輸出泵等，降低裝置電耗；

蒸汽：停用重油加熱器和爐子的噴霧蒸汽新鮮蒸汽及重油罐加熱器和底部盤管等一系列保溫蒸汽，聚酯外圍熱媒爐區(qū)域基本停用蒸汽；

壓縮空氣：原使用重油，由于爐子結(jié)灰嚴(yán)重，每天要定期吹灰兩次，改造后，吹灰次數(shù)明顯減少，減少了壓縮空氣用量。

3.5 聚酯能源優(yōu)化方案實施后節(jié)能效果

上海石化聚酯裝置通過幾年的能源優(yōu)化措施，綜合能耗不斷下降，其中3#聚酯裝置下降幅度最為明顯，由原來的179.91kg標(biāo)油/t下降到目前的95.85kg標(biāo)油/t，下降幅度高達(dá)46.72%；2#聚酯裝置由原來的129.7kg標(biāo)油/t下降到目前的92.08kg標(biāo)油/t，下降幅度29.01%；1#聚酯裝置由原來的93.08kg標(biāo)油/t下降到目前73.8kg標(biāo)油/t，下降幅度20.71%。見圖2。

4 結(jié)束語

不斷采取能源優(yōu)化措施，使上海石化聚酯裝置能耗有了明顯下降，節(jié)能效果相當(dāng)明顯，聚酯裝置綜合能耗水平已達(dá)到中石化集團(tuán)公司行業(yè)先進(jìn)水平。