芳烴聯(lián)合裝置低溫熱回收技術研究

宣根海，張 英，厲 勇，邢 兵

(中國石化撫順石油化工研究院，遼寧 撫順 113001)

據(jù)統(tǒng)計，石化行業(yè)能源消耗量占工業(yè)總能耗的16%左右[1-2]。石化企業(yè)每年燃料消耗巨大，其中很大一部分是以余熱的形式損失掉。煉化企業(yè)的低溫余熱量巨大，溫位大多集中在50～150 ℃區(qū)間[3]。據(jù)不完全統(tǒng)計，中國石化集團范圍內(nèi)的煉化企業(yè)中80～150 ℃相對集中、具有利用潛力的中低溫位余熱資源量約為幾千兆瓦，回收利用好這部分余熱對實現(xiàn)節(jié)能減排、降本增效和增強企業(yè)競爭力具有重要意義[4-6]。

芳烴裝置流程長，循環(huán)物料多，分離過程多，分餾塔也多，大部分塔是常壓操作，回流溫度一般為100～200 ℃[7]，由此帶來的一個普遍問題是塔頂冷凝低溫熱源多，大部分的低溫熱由于溫位較低，難以在裝置內(nèi)部進行利用，只能是采用空冷及水冷來進行冷卻。一套250 kta芳烴聯(lián)合裝置存在的90～200 ℃溫度區(qū)間的低溫熱可達到88 MW，因此這樣一套芳烴聯(lián)合裝置存在的低溫熱約相當于8 360 MJt，占芳烴聯(lián)合裝置總能耗的25%～35%，非?？捎^。若用來發(fā)生0.4 MPa蒸汽，可發(fā)生蒸汽約152.3 th，其產(chǎn)值可達到4 880 萬元a，產(chǎn)生的節(jié)能效益和經(jīng)濟效益均是巨大的。本文介紹現(xiàn)階段芳烴裝置低溫熱回收技術的現(xiàn)狀，并以中國南部某石化企業(yè)的芳烴聯(lián)合裝置為例介紹中國石化撫順石油化工研究院開發(fā)的低溫熱利用新工藝的應用情況。

1 芳烴裝置低溫熱回收現(xiàn)狀

1.1 芳烴裝置低溫熱回收技術難點

現(xiàn)階段芳烴裝置是高耗能裝置，低溫熱得不到有效利用也是原因之一，因此，關于芳烴裝置的用能優(yōu)化尤其是芳烴裝置低溫余熱的回收利用已有很多的研究與應用[8]。其中，絕大部分的回收技術(如提壓操作等)研究主要集中在甲苯塔、二甲苯塔、脫庚烷塔等塔頂?shù)蜏責嵩吹幕厥眨鴮τ诔橛嘁核?、抽出液塔以及成品塔的低溫熱回收利用研究很少。主要原因一方面是芳烴裝置各個塔頂?shù)牟僮鲏毫Χ己艿停?.01～0.4 MPa之間，有的接近于常壓操作，如果采用熱媒水換熱器來回收這些低溫熱，當換熱器發(fā)生泄漏時，會導致水進入塔內(nèi)，使價格昂貴的吸附劑或者異構化催化劑的性能受到嚴重破壞；另一方面是如果采用換熱回收，換熱器的壓力降問題也是難點之一，因此即使是專利商也不推薦采用抽余液塔頂加壓操作來利用這部分余熱。

1.2 芳烴裝置低溫熱回收現(xiàn)狀

目前各大煉油廠對芳烴裝置低溫余熱的回收利用主要集中在甲苯塔、二甲苯塔、脫庚烷塔以及鄰二甲苯塔的塔頂氣相低溫熱回收，主要的利用措施有以下幾個方面：①裝置間熱聯(lián)合：在深度優(yōu)化芳烴裝置換熱網(wǎng)絡的基礎上，為利用剩余的低溫熱尋找裝置外的低溫熱阱。如中國石化鎮(zhèn)海煉化分公司，通過熱媒水回收歧化單元甲苯塔塔頂氣相物流的低溫熱為氣體分離裝置提供熱量，通過熱媒水回收異構化單元脫庚烷塔塔頂氣相的熱量加熱除鹽水[9]。又如中國石化金陵分公司，將甲苯塔和苯塔實施熱聯(lián)合，同時將二甲苯塔和吸收分離及二甲苯精餾單元實施熱聯(lián)合，可有效回收甲苯塔和二甲苯塔塔頂物流的潛熱[10]。②加壓操作：采取熱集成方法，將二甲苯塔、甲苯塔等的操作壓力提高到0.3～0.5 MPa，將塔頂回流溫度提高到160～200 ℃，則塔頂?shù)挠酂峒瓤梢宰鳛檠b置內(nèi)其它塔的重沸熱源，也可以用來發(fā)生0.4～0.5 MPa的蒸汽，這些蒸汽可以用來發(fā)電。③采用專用熱媒水換熱器：采用全焊接板式換熱器作為塔頂物流的熱媒水換熱器，并設置定時監(jiān)視監(jiān)測制度，如果發(fā)生泄漏可在第一時間切除換熱器，避免發(fā)生嚴重的泄漏。

以上芳烴裝置低溫余熱回收措施都不能有效避免換熱器泄漏對吸附劑以及異構化催化劑造成的嚴重損害，因此很少有企業(yè)能有效回收利用抽余液塔、抽出液塔以及成品塔等的低溫余熱。本課題以二次換熱的方法，采用取熱劑回收利用這些塔的低溫余熱，再用熱媒水與取熱劑換熱，建立具有內(nèi)、外取熱環(huán)節(jié)的低溫熱回收系統(tǒng)，從而達到低溫熱回收的目的。最終獲得的熱媒水的溫度能達到100 ℃，在煉油廠可以為冬季采暖、加熱除氧水、罐區(qū)維溫和原油加熱等提供熱源，也可以為氣體分離裝置相關塔底再沸器供熱。

2 低溫熱利用新工藝的應用

2.1 裝置簡介

中國南部某石化企業(yè)的芳烴車間包括芳烴抽提裝置、苯抽提蒸餾裝置和二甲苯裝置。芳烴抽提裝置規(guī)模為260 kta，包括預分餾單元、抽提單元、苯甲苯(BT)精餾單元和溶劑油單元；苯抽提蒸餾裝置規(guī)模為157 kta，包括預分餾、抽提蒸餾、溶劑回收、苯精制部分以及苯抽提蒸餾裝置內(nèi)中間罐區(qū)；二甲苯裝置規(guī)模為1 040 kta(以吸附裝置為基準)，由歧化及烷基轉(zhuǎn)移、二甲苯精餾、吸附分離及異構化四個單元組成。裝置設計以重整生成油為原料，生產(chǎn)石油苯、甲苯、對二甲苯、重芳烴、己烷等。

2.2 裝置低溫熱情況分析

目前，該裝置的重整油分餾塔(13-C-02)、苯塔(14-C-06)、重芳烴塔(16-C-07)、抽余液塔(17-C-01)、抽出液塔(17-C-02)、成品塔(17-C-03)的塔頂氣都是通過空氣冷卻器或循環(huán)水冷凝器冷卻回流，熱量沒有得到有效的利用。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，芳烴車間在0.5～1 MW以上可有效利用的低溫熱源總負荷為41.98 MW，均未進行回收利用，適合進行熱回收的熱源統(tǒng)計如表1所示。其中，各物流的組成如表2～表4所示。

表2 重整油分餾塔(13-C-02)塔頂氣組成 w，%

表3 重芳烴塔(16-C-07)塔頂氣組成 w，%

表4 抽余液塔(17-C-01)、抽出液塔(17-C-02)、成品塔(17-C-03)塔頂氣組成 w，%

2.3 低溫熱利用新工藝在裝置上的應用

2.3.1內(nèi)、外雙換熱取熱系統(tǒng)芳烴裝置的生產(chǎn)工藝應避免直接使用水，設計采用內(nèi)、外雙換熱系統(tǒng)進行熱回收，選取合適的熱媒介質(zhì)作為內(nèi)取熱介質(zhì)，利用內(nèi)取熱系統(tǒng)和芳烴裝置熱源進行換熱，高溫熱媒與外取熱系統(tǒng)的熱媒水進行熱交換，再將熱量傳給熱媒水。其中，內(nèi)換熱系統(tǒng)設計壓力為0.6～1.0 MPa，熱媒水系統(tǒng)設計運行壓力為0.4～0.6 MPa，中間熱媒介質(zhì)壓力高于塔頂工藝物流和熱媒水，以此實現(xiàn)芳烴裝置的熱回收以及工藝物流和熱媒水的系統(tǒng)隔離。

選定芳烴裝置熱媒水進口溫度為60 ℃，考慮工程實施性，確定與芳烴裝置換熱的中間熱媒介質(zhì)的進口溫度為70 ℃。通過Aspen Plus軟件模擬計算，中間熱媒介質(zhì)的換熱出口溫度可達到125 ℃，外取熱系統(tǒng)熱媒水換熱出口溫度可達到100 ℃。由于重整油分餾塔、苯塔和成品塔塔頂氣截取溫度為80 ℃，換熱器冷端溫差僅為10 ℃，根據(jù)塔頂氣冷凝放熱的特點，可以通過損失適量熱負荷來提高換熱溫差以增強換熱性能。依據(jù)各塔放熱負荷和溫度的關系，可以將苯塔和成品塔的終止溫度提高到90 ℃，重整油分餾塔的取熱溫度提升到88.8 ℃，三處物流熱負荷分別損失4.17%，4.29%，28.55%，設計最終回收熱負荷40 MW，總的熱損失為4.72%。

通過Aspen Energy Analyzer軟件進行低溫熱源和中間熱媒介質(zhì)夾點分析，選取夾點溫差為15 ℃，結(jié)果如圖1所示。

圖1 芳烴車間-中間熱媒介質(zhì)溫焓關系

分析圖1，芳烴車間-中間熱媒介質(zhì)換熱屬于閾值問題，在換熱溫度范圍內(nèi)不受夾點溫差限制。根據(jù)選定的熱媒介質(zhì)溫度范圍和換熱負荷，芳烴車間熱媒介質(zhì)總循環(huán)量隨所選介質(zhì)不同而改變，所需熱媒水循環(huán)量為865 th。在此基礎上，進行芳烴車間內(nèi)換熱網(wǎng)絡的構建，根據(jù)夾點分析結(jié)果，設計換熱流程如圖2所示。此外，內(nèi)、外系統(tǒng)換熱網(wǎng)絡如圖3所示。

圖2 芳烴車間低溫熱換熱網(wǎng)絡

圖3 內(nèi)、外系統(tǒng)換熱網(wǎng)絡

2.3.2內(nèi)取熱介質(zhì)的選用由于水、氮、硫等物質(zhì)會使芳烴吸附劑中毒，工藝設計對抽余液塔、抽出液塔以及成品塔進料的水、氮、硫含量都有嚴格的指標控制，因此在挑選內(nèi)取熱介質(zhì)時，需要謹慎考慮以上因素，不能直接選擇水作為熱媒介質(zhì)。通過實驗以及和現(xiàn)場工程師的詳細討論，可選擇C6、C7烴類如混合芳烴、鄰二甲苯、對二甲苯以及甲苯的芳烴類物質(zhì)作為內(nèi)取熱介質(zhì)，這些物質(zhì)同時存在于芳烴裝置的各個塔內(nèi)，對吸附劑以及異構化催化劑沒有影響。

選定熱媒介質(zhì)為C6、C7烴類，當熱媒介質(zhì)泄漏到工藝物流側(cè)時，液態(tài)介質(zhì)發(fā)生汽化，并通過塔頂緩沖罐進行排放，實現(xiàn)熱媒介質(zhì)和工藝物流的分離。當熱媒介質(zhì)泄漏到熱媒水側(cè)，則通過熱媒水系統(tǒng)分液罐實現(xiàn)氣液分離和油水分離。

2.3.3效益分析芳烴裝置低溫熱回收利用新工藝可回收熱量41 MW左右，產(chǎn)生865 th 的100 ℃熱媒水，該熱源可作為煉油廠的采暖水或為除氧水加熱。該項目改造的主要投資是中間熱媒介質(zhì)以及相應的換熱器，中間熱媒介質(zhì)的用量比較大，初步核算需要400萬元左右，新增7～10個換熱器，總投資約為1 000萬元，初步設計為動力車間除鹽水加熱提供熱源，設計除鹽水被低溫熱媒水加熱至90 ℃，熱媒水需求量為380 th，溫度由100 ℃降低到60 ℃，節(jié)省大約28 th的1.0 MPa蒸汽，年效益為3 440萬元(1.0 MPa蒸汽按140 元t計)，直接經(jīng)濟效益為2 440 萬元a。如設計中的低溫熱能夠回收利用，有望將芳烴裝置能耗降低10%～15%。

3 結(jié) 論

(1)芳烴裝置低溫熱的有效回收是降低該裝置能耗的有效途徑，現(xiàn)階段對芳烴裝置低溫熱的回收利用主要集中在甲苯塔、二甲苯塔、脫庚烷塔以及鄰二甲苯塔等，對于抽余液塔、抽出液塔以及成品塔等的低溫熱回收缺少有效技術措施。

(2)芳烴裝置低溫熱回收困難主要原因是工藝條件嚴格限制，水泄漏會造成異構化催化劑和吸附劑的損壞。同時，各個塔塔頂壓力低，換熱器壓降問題需要克服。

(3)內(nèi)、外雙換熱系統(tǒng)的設計使得芳烴裝置無需提高現(xiàn)有的操作壓力，同時可以避免換熱器泄漏帶來的危害，有效回收包括抽余液塔、抽出液塔以及成品塔在內(nèi)的各個塔的低溫熱，為某石化企業(yè)設計的低溫熱系統(tǒng)可回收芳烴裝置低溫熱41 MW，低溫熱若能夠回收利用，有望將芳烴裝置能耗降低10%～15%。

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