國內(nèi)干氣法乙苯脫氫制苯乙烯單位產(chǎn)品能耗分析及建議

杜建文

（中國石化巴陵石化分公司，湖南岳陽 414014）

苯乙烯是重要的基本有機(jī)化工原料，廣泛用于生產(chǎn)聚苯乙烯樹脂、苯乙烯—丙烯腈共聚物、不飽和聚酯、丁苯橡膠、丁苯膠乳以及苯乙烯系熱塑性彈性體等塑料、樹脂和合成橡膠產(chǎn)品，其中聚苯乙烯是苯乙烯最重要的應(yīng)用領(lǐng)域。此外，苯乙烯還可用于制藥、染料、農(nóng)藥及選礦等行業(yè)[1]。

目前，工業(yè)化苯乙烯生產(chǎn)方法主要有乙苯脫氫法、苯乙烯—環(huán)氧丙烷聯(lián)產(chǎn)法、選擇氧化脫氫法、裂解汽油抽提法等，新開發(fā)的CO2氧化脫氫制苯乙烯、乙醇直接烴化制苯乙烯等新技術(shù)工業(yè)應(yīng)用較少[2]。其中，乙苯脫氫法產(chǎn)量約占全球總產(chǎn)量的90%，其他技術(shù)所產(chǎn)苯乙烯數(shù)量約占10%。催化脫氫法苯乙烯生產(chǎn)工藝主要以國外的Lummus/UOP工藝、Fina/Badger工藝和國內(nèi)近年來中國石化開發(fā)的ST技術(shù)為主；乙苯共氧化法（PO/SM）由Halcon公司開發(fā)。因國內(nèi)苯乙烯生產(chǎn)企業(yè)所采用的工藝技術(shù)不盡相同，所采用的原料也各有特色，在很長一段時(shí)期內(nèi)沒有形成統(tǒng)一的能耗核算方法，各企業(yè)苯乙烯裝置能耗可比性不強(qiáng)。因此，文章結(jié)合2015年9月國家發(fā)布的GB 32053—2015《苯乙烯單位產(chǎn)品能源消耗限額》和各企業(yè)苯乙烯生產(chǎn)裝置實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)苯乙烯單位產(chǎn)品能耗進(jìn)行了對(duì)比分析，以期為苯乙烯裝置節(jié)能工作提供參考。

1 單位產(chǎn)品能耗指標(biāo)及計(jì)算范圍

1.1 乙苯脫氫制苯乙烯技術(shù)單位產(chǎn)品能耗指標(biāo)

GB 32053—2015明確了適用于乙苯脫氫法（純乙烯法和干氣法）和共氧化法苯乙烯生產(chǎn)企業(yè)單位產(chǎn)品能耗的計(jì)算、考核以及對(duì)新建或改擴(kuò)建項(xiàng)目的能耗控制。其中純乙烯法是指以苯和乙烯為原料，經(jīng)烷基化反應(yīng)生產(chǎn)乙苯的工藝路線；干氣法是指以苯和脫硫后的精制干氣為原料，經(jīng)烷基化反應(yīng)生產(chǎn)乙苯的工藝路線；乙苯脫氫法是指經(jīng)純乙烯法或干氣法制得乙苯后，乙苯脫氫制取苯乙烯的工藝路線。兩種工藝的單位產(chǎn)品能耗限定值、準(zhǔn)入值和先進(jìn)值指標(biāo)及適用范圍具體見表1。

表1 乙苯脫氫法單位產(chǎn)品綜合能耗

1.2 能耗統(tǒng)計(jì)范圍及計(jì)算方法

GB 32053—2015明確了苯乙烯產(chǎn)品綜合能耗包括生產(chǎn)系統(tǒng)能耗、輔助系統(tǒng)能耗和附屬生產(chǎn)系統(tǒng)能耗。其中，乙苯脫氫法生產(chǎn)系統(tǒng)能耗包括苯和乙烯或精制干氣烷基化單元、乙苯精制單元、乙苯脫氫單元和苯乙烯精餾單元等工藝過程的能耗；輔助生產(chǎn)系統(tǒng)能耗是指為生產(chǎn)系統(tǒng)服務(wù)的供電、機(jī)修、供水、供氣、供熱、制冷、儀修、照明、庫房和廠內(nèi)原材料場地以及安全、環(huán)保、節(jié)能等裝置及實(shí)施的能耗；附屬生產(chǎn)系統(tǒng)能耗是指為生產(chǎn)系統(tǒng)專門配置的調(diào)度室、辦公室、操作室、控制室、休息室、更衣室、澡堂、中控分析、產(chǎn)品檢驗(yàn)、維修工段等設(shè)施的能耗。另外，還明確綜合能耗計(jì)算應(yīng)符合GB/T 2589—2008標(biāo)準(zhǔn)。

2 乙苯脫氫法（干氣法）生產(chǎn)苯乙烯的能耗分析

2.1 能耗分析的相關(guān)說明

2.1.1 副產(chǎn)物及余熱回收的相關(guān)能耗分析

某苯乙烯裝置在計(jì)算能耗時(shí)，沒有將作為該裝置燃料使用的脫氫尾氣（或經(jīng)過PSA提純氫氣后的解析氣）計(jì)為苯乙烯的生產(chǎn)能耗，另外還將焦油作為負(fù)能耗在生產(chǎn)能耗中予以扣減；像脫氫尾氣、焦油、甲苯等副產(chǎn)物是否參與能耗計(jì)算，在GB 32053—2015中沒有明確說明，有待進(jìn)一步探討。但在NB/SH/T 5001.1—2013《石化行業(yè)能源消耗統(tǒng)計(jì)指標(biāo)及計(jì)算方法 煉油》標(biāo)準(zhǔn)3.2.3條款，煉油能源消耗統(tǒng)計(jì)包括燃料（含催化燒焦）、電、蒸汽及耗能工質(zhì)（僅包括水），但不包括作為原料用途的能源；按照NB/SH/T 5001.2—2013《石化行業(yè)能源消耗統(tǒng)計(jì)指標(biāo)及計(jì)算方法 乙烯》標(biāo)準(zhǔn)2.1條款，對(duì)乙烯裝置能源消耗量的定義為統(tǒng)計(jì)報(bào)告期內(nèi)，乙烯裝置在生產(chǎn)過程中實(shí)際消耗的各種燃料、蒸汽、電及耗能工質(zhì)的實(shí)物量，按規(guī)定的計(jì)算方法和單位分別折算為標(biāo)準(zhǔn)油的總和。因此，建議將乙苯脫氫尾氣作為自用燃料的裝置在計(jì)算能耗時(shí)將脫氫尾氣納入能耗計(jì)算范圍，將焦油等副產(chǎn)物納入產(chǎn)品范疇，不作為能耗輸出抵扣。

某12萬噸/年苯乙烯裝置（簡稱C裝置）中，利用變壓吸附工藝對(duì)脫氫尾氣中的氫氣進(jìn)行了回收，經(jīng)統(tǒng)計(jì)測算，2016年全年生產(chǎn)苯乙烯12萬噸，回收氫氣2 530噸作為副產(chǎn)品，回收解析尾氣3 680噸作為該裝置的燃料，折合噸苯乙烯副產(chǎn)脫氫尾氣中約0.030 7噸PSA解析氣均作為苯乙烯裝置蒸汽過熱爐的燃料。另外，根據(jù)解析氣的單組分計(jì)算其加權(quán)平均熱值約為11 931.7 MJ/t。

在GB 32053—2015的5.1.3中“回收利用苯乙烯生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的余熱、余能及化學(xué)反應(yīng)熱，不計(jì)入能耗中。如果該余熱、余能及化學(xué)反應(yīng)熱等供統(tǒng)計(jì)范圍以外其他裝置利用的，應(yīng)按實(shí)際利用的能量從系統(tǒng)中扣除”，因苯乙烯裝置蒸汽凝液有富余，在設(shè)計(jì)中作為能源輸出項(xiàng)。

2.1.2 電能的能源折算取值問題及說明

在電的能源折算中，不同標(biāo)準(zhǔn)的折算系數(shù)不統(tǒng)一，如根據(jù)GB/T 2589—2008和GB 32053—2015相關(guān)附表，折算值為3.6 MJ/kW·h（0.086 kgEO）；根據(jù)GB/T 50441—2007《石油化工設(shè)計(jì)能耗計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》折算值為10.89 MJ/kW·h（0.26 kgEO）；在NB/SH/T 5001.1—2013和NB/SH/T 5001.2—2013《石化行業(yè)能源消耗統(tǒng)計(jì)指標(biāo)及計(jì)算方法》相關(guān)附表中，電力能耗折算值為9.76 MJ/kW·h（對(duì)應(yīng)能源折算值0.233 kgEO）。為統(tǒng)一計(jì)算，表2、表3分別列出了兩家企業(yè)建設(shè)和運(yùn)行某乙苯脫氫法（干氣法）生產(chǎn)苯乙烯的乙苯裝置和苯乙烯裝置相關(guān)能耗情況，其中電力能耗換算均按GB/T 2589—2008標(biāo)準(zhǔn)計(jì)取。

2.2 乙苯脫氫法（干氣法）單位產(chǎn)品綜合能耗分析

2.2.1 設(shè)計(jì)及運(yùn)行能耗情況

單位苯乙烯產(chǎn)品綜合能耗消耗值為干氣制乙苯和乙苯脫氫制苯乙烯兩個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，通常乙苯生產(chǎn)單元和苯乙烯生產(chǎn)單元之間可充分利用熱供料、低溫?zé)崂脙?yōu)化等聯(lián)合布置，但從產(chǎn)業(yè)布局等方面考慮也可分開建設(shè)和運(yùn)營管理。另外，國內(nèi)部分裝置的乙苯和苯乙烯單元分別選用不同專利商的工藝技術(shù)，且分別由不同的工程公司進(jìn)行工程設(shè)計(jì)。因此，有必要單獨(dú)對(duì)乙苯和苯乙烯裝置能耗情況進(jìn)行分析。表2列出了某12萬噸/年乙苯裝置（干氣法）設(shè)計(jì)能耗與運(yùn)行能耗對(duì)比，該催化干氣制乙苯裝置選用國內(nèi)典型的第三代氣相法催化干氣稀乙烯制乙苯技術(shù)。表3列出了某12萬噸/年苯乙烯裝置（干氣法）設(shè)計(jì)能耗與運(yùn)行能耗對(duì)比，該乙苯脫氫制苯乙烯裝置選用中國石化自主開發(fā)的負(fù)壓絕熱脫氫ST技術(shù)，并首次開發(fā)應(yīng)用了順序分離恒沸熱回收節(jié)能新技術(shù)。該節(jié)能技術(shù)主要特點(diǎn)是脫氫液分離采用順序切割方法，即先進(jìn)行苯、甲苯/乙苯、苯乙烯分離，再進(jìn)行乙苯/苯乙烯分離和苯/甲苯分離，最后進(jìn)行苯乙烯分離；乙苯/苯乙烯分離采用共沸精餾技術(shù)，塔頂冷凝器的熱量用來蒸發(fā)乙苯和水的共沸物，提供反應(yīng)器氣相進(jìn)料，即可節(jié)省乙苯蒸發(fā)所需蒸汽，又可節(jié)省塔頂冷凝用循環(huán)水，以達(dá)到節(jié)能的目的。另外，該苯乙烯裝置的工程范圍基本涵蓋了能耗計(jì)算的范圍，具體不一一敘述。

表2 某12萬噸/年乙苯裝置（干氣法）公用工程消耗及能耗

表3 12萬噸/年苯乙烯（乙苯脫氫法）裝置公用工程消耗及能耗

從表2、表3的設(shè)計(jì)能耗和運(yùn)行能耗來看，單位苯乙烯產(chǎn)品（從苯/干氣到苯乙烯產(chǎn)品全過程）的設(shè)計(jì)綜合能耗為 459.78 kgEO/t，2016年實(shí)際運(yùn)行的綜合能耗為440.59 kgEO/t，符合新建或改擴(kuò)建裝置單位產(chǎn)品綜合能耗準(zhǔn)入值≤485 kgEO/t要求，但距先進(jìn)值≤435 kgEO/t還有一定差距。

2.2.2 設(shè)計(jì)與運(yùn)行能耗簡要分析

乙苯裝置2016年生產(chǎn)負(fù)荷約為設(shè)計(jì)符合的60%，運(yùn)行期間噸乙苯產(chǎn)品的綜合能耗為173.86 kgEO/t，略低于176.33 kgEO/t的設(shè)計(jì)指標(biāo)。綜合分析來看，在60%生產(chǎn)負(fù)荷下，能耗仍低于設(shè)計(jì)能耗說明裝置設(shè)計(jì)及運(yùn)行處于較高的技術(shù)水平。如裝置滿負(fù)荷生產(chǎn)，循環(huán)水和電耗等可進(jìn)一步降低能耗。

苯乙烯裝置2016年生產(chǎn)負(fù)荷為100%，運(yùn)行期間噸苯乙烯產(chǎn)品的綜合能耗為266.73 kgEO/t（扣除PSA相關(guān)能耗），低于283.46 kgEO/t的設(shè)計(jì)指標(biāo)；因該乙苯裝置和苯乙烯裝置分開建設(shè)和運(yùn)營，乙苯通過長輸管道轉(zhuǎn)運(yùn)至乙苯原料罐區(qū)而不能實(shí)現(xiàn)乙苯熱供料至苯乙烯裝置，按乙苯從90℃降低至25℃測算，每小時(shí)的熱損失約為1.79 GJ，對(duì)噸苯乙烯產(chǎn)品的能耗影響為119.3 MJ，與乙苯—苯乙烯聯(lián)合裝置同比折算要增加能耗2.85 kgEO/t；另外，目前運(yùn)行中脫氫液經(jīng)中間罐區(qū)靜置脫水后再進(jìn)分離單元也存在20℃左右的熱損失，折合每小時(shí)需補(bǔ)充熱量約947 MJ，對(duì)噸苯乙烯產(chǎn)品能耗影響約63.12 MJ（1.51 kgEO/t）；裝置截至2016年12月催化劑已運(yùn)行44個(gè)月，較裝置運(yùn)行前期水比有所提高，乙苯轉(zhuǎn)化率有所降低，能耗也相對(duì)偏高。綜合來看，該裝置綜合能耗仍低于設(shè)計(jì)能耗，說明裝置設(shè)計(jì)及運(yùn)行處于較高的技術(shù)水平，如運(yùn)行負(fù)荷及能量優(yōu)化能進(jìn)一步改善，單位苯乙烯產(chǎn)品（從苯/干氣到苯乙烯產(chǎn)品全過程）的綜合能耗有望優(yōu)于先進(jìn)值水平。

3 部分苯乙烯裝置能耗簡要對(duì)比

部分苯乙烯裝置能耗簡要對(duì)比見表4。某A苯乙烯裝置設(shè)計(jì)規(guī)模為8.5萬噸/年，正常開車工況時(shí)苯乙烯單元副產(chǎn)脫氫尾氣作為蒸汽過熱爐燃料，設(shè)計(jì)噸苯乙烯副產(chǎn)脫氫尾氣0.045 3噸，能量折算值按68 533 MJ/t換算，噸苯乙烯副產(chǎn)脫氫尾氣所貢獻(xiàn)的熱值為3 051.73 MJ。統(tǒng)一相關(guān)能耗計(jì)算規(guī)則后，由表4可知，該裝置噸苯乙烯產(chǎn)品的綜合能耗為324.05 kgEO/t，在101%生產(chǎn)負(fù)荷下的能耗水平與設(shè)計(jì)值基本吻合。某B苯乙烯裝置設(shè)計(jì)規(guī)模為10萬噸/年，在某運(yùn)行周期的裝置生產(chǎn)負(fù)荷在60%左右時(shí)，裝置能耗較設(shè)計(jì)能耗偏離較大；另外，可能受計(jì)量因素等制約，蒸汽凝液等未作為輸出能源抵扣裝置能耗也是運(yùn)行能耗偏高的因素之一。某C裝置的相關(guān)情況已在前文詳細(xì)分析，在此不再敘述。因未對(duì)D裝置進(jìn)行詳細(xì)調(diào)研，在此僅分析了設(shè)計(jì)相關(guān)指標(biāo)。

從四個(gè)不同裝置的設(shè)計(jì)和運(yùn)行能耗分析來看，C和D裝置采用順序分離＋恒沸熱回收技術(shù)的能耗水平基本相當(dāng)，但C和D裝置的能耗明顯低于采用中國石化常規(guī)ST技術(shù)的A和B裝置，比如C裝置采用節(jié)能新工藝的運(yùn)行能耗較A裝置降低了17.69%，節(jié)能效果較為明顯。

4 結(jié)論及建議

通過對(duì)國內(nèi)干氣法乙苯脫氫制苯乙烯工藝相關(guān)裝置的設(shè)計(jì)和實(shí)際運(yùn)行能耗進(jìn)行了簡要的統(tǒng)計(jì)和分析，并列出了能耗計(jì)算的范例。相關(guān)分析表明，相關(guān)裝置能耗均符合《苯乙烯單位產(chǎn)品能源消耗限額》（GB 32053—2015）要求。

表4 部分苯乙烯裝置能耗簡要對(duì)比

在GB 32053—2015中，乙苯脫氫法（純乙烯法）的新建或改擴(kuò)建裝置單位產(chǎn)品綜合能耗準(zhǔn)入值為≤285 kgEO/t，而目前干氣法乙苯脫氫制苯乙烯技術(shù)僅苯乙烯單元的單位產(chǎn)品能耗就與其相當(dāng)乃至高于其能耗指標(biāo)，需進(jìn)一步開展節(jié)能降耗研究。

建議在GB 32053—2015基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善能耗計(jì)算指標(biāo)和方法，如對(duì)電能的能耗換算系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一，增加各裝置間能耗數(shù)值的可比性。