夾點(diǎn)技術(shù)在CO變換工段換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化改造中的應(yīng)用分析

溫 艷， 趙 興,2

(1.寧夏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院能源化工學(xué)院，寧夏 銀川 750021;2.中國石油寧夏石化分公司，寧夏 銀川 750021 )

在新建甲醇生產(chǎn)廠中應(yīng)用夾點(diǎn)技術(shù)，有助于企業(yè)節(jié)約50%的能量，且至少減少10%的資金投入成本。因此，夾點(diǎn)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)甲醇工藝降資節(jié)能最有效的渠道。在化工企業(yè)開展甲醇生產(chǎn)項(xiàng)目時(shí)，可在CO變換工段進(jìn)一步擴(kuò)大夾點(diǎn)技術(shù)的應(yīng)用范圍，從而確保它在換熱網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮出真正的效用，實(shí)現(xiàn)化工企業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展。

1 夾點(diǎn)技術(shù)的原理

夾點(diǎn)技術(shù)最早出現(xiàn)在1970年左右，它是由英國Bodo Linnhoff教授所提出的一種改造換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化方法[1]。在工業(yè)生產(chǎn)過程中涉及到許多能量轉(zhuǎn)化問題，為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)能源的合理配置與成本的有效縮減，通過應(yīng)用集成技術(shù)對具體操作流程加以規(guī)范，由此在化工能量轉(zhuǎn)化過程中進(jìn)行能量的科學(xué)回收與利用。從相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)可知：應(yīng)用夾點(diǎn)技術(shù)所形成的新?lián)Q熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)裝置，可達(dá)到30%到50%之間的節(jié)能效果。當(dāng)能量有所減少時(shí)自然也會(huì)造成投資額度縮減。因此，夾點(diǎn)技術(shù)在化工生產(chǎn)環(huán)節(jié)具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。夾點(diǎn)技術(shù)在化工工藝操作過程中包含許多冷熱物流，它主要是利用能量轉(zhuǎn)換焓值對物流走向進(jìn)行確定，由此保證夾點(diǎn)技術(shù)發(fā)揮出真正的節(jié)能降耗作用。

2 CO變換工段寬溫耐硫工藝流程

CO變換工段是甲醇工藝中較為重要的變換部分。它主要是指CO與H2O經(jīng)過催化劑的催化反應(yīng)后形成一定比例的CO2與H2，由此滿足甲醇生產(chǎn)工藝要求。以黔?；槔邆?0萬t·a-1規(guī)格的乙二醇生產(chǎn)裝置，具體是借助寬溫耐硫變換工藝提取乙二醇。首先，它需將氣化裝置中儲(chǔ)存的71.1%水氣比的煤氣進(jìn)行冷凝分離，然后對其進(jìn)行預(yù)熱，待達(dá)到220℃之后可將其排入到過濾器中，由此實(shí)現(xiàn)CO的有效變換。CO變換反應(yīng)屬于放熱過程，故而可利用這部分熱量作為后續(xù)預(yù)熱供應(yīng)能量，以免造成能量浪費(fèi)。最后在變換過程中還可進(jìn)行有機(jī)硫與無機(jī)硫的轉(zhuǎn)換，由此得到企業(yè)生產(chǎn)所需物質(zhì)。

在CO變換工段寬溫耐硫工藝中一般所具備的特點(diǎn)包括以下內(nèi)容：其一，CO變換工段中所采用的催化劑作用溫度為180℃，且最高耐溫度可達(dá)到500℃，如此大的溫變范圍可為CO變換工段中濃度升高引發(fā)的高溫升提供重要保障；其二，CO變換工段自由調(diào)節(jié)方式較為多樣，由此可極大程度上滿足碳?xì)浔茸兓枨?；其三，CO變換工段涉及到能量利用，而借助寬溫耐硫工藝可為反應(yīng)流程提供等級回收途徑；其四，在粗煤氣進(jìn)行冷凝過濾之前可安裝低壓廢鍋，促使水氣比處于可控狀態(tài)下；其五，有機(jī)硫的轉(zhuǎn)化可對后期工段脫除工作提供便捷?；诖?，CO變換工段寬溫耐硫工藝確實(shí)具有一定的操作優(yōu)勢[2]。

3 夾點(diǎn)技術(shù)在CO變換工段換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化改造中的應(yīng)用要點(diǎn)

3.1 優(yōu)化CO變換工段系統(tǒng)

夾點(diǎn)技術(shù)可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)CO變換工段系統(tǒng)的合理優(yōu)化。

具體內(nèi)容如下：(1)在以往CO變換工段中粗煤氣的有效轉(zhuǎn)化率為70%，但系統(tǒng)并不能為其提供重要的壓力支持，導(dǎo)致粗煤氣中CO含量達(dá)不到實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上，需對甲醇工藝CO變換工段系統(tǒng)中所應(yīng)用的工藝手段進(jìn)行改造，比如在系統(tǒng)第一變爐口煤氣預(yù)熱器處加設(shè)高壓蒸汽接入裝置，從而將水氣比降至0.3到0.35范圍內(nèi)，以此為第一變爐器的正常使用提供保障。若甲醇工藝生產(chǎn)過程中CO變換工段所形成的CO濃度較大，應(yīng)及時(shí)開啟預(yù)熱器將高壓蒸汽進(jìn)行導(dǎo)入，這樣可有效提高第二變爐器的水氣比。當(dāng)爐前水氣比得到有效調(diào)整時(shí)，自然也能保證后續(xù)工段的順利進(jìn)行；(2)在提高變換系統(tǒng)的變換效率時(shí)，可及時(shí)對系統(tǒng)內(nèi)催化劑的使用情況，溫度變化等進(jìn)行合理化控制，以便達(dá)到最佳變換目的[3]。比如當(dāng)CO變換系統(tǒng)長期處于高溫狀態(tài)下，應(yīng)當(dāng)在氣壓超過2MPa的情況下進(jìn)行氣流導(dǎo)入，并適當(dāng)調(diào)節(jié)導(dǎo)入速度，這樣有助于變換爐內(nèi)的熱量及時(shí)排出。而在變換系統(tǒng)出現(xiàn)了壓力負(fù)荷驟減的情況下，應(yīng)重點(diǎn)控制變換爐的入口溫度與水氣比，可在降溫基礎(chǔ)上達(dá)到減小變換率的效果。甲醇工藝是化工企業(yè)中的關(guān)鍵步驟，要想保證CO變換工段的順利進(jìn)行，就需結(jié)合實(shí)際情況加大能量回收利用率，在夾點(diǎn)技術(shù)的輔助下促使CO變換工段換熱網(wǎng)絡(luò)得到適當(dāng)優(yōu)化，以此避免化工企業(yè)在發(fā)展自身經(jīng)濟(jì)的同時(shí)違背我國出臺(tái)的環(huán)保節(jié)能政策。

3.2 控制催化劑溫升速度

3.2.1 溫度

在CO變換工段換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化改造中應(yīng)用夾點(diǎn)技術(shù)時(shí)還應(yīng)合理控制CO變換所需催化劑溫升速度，以免系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)超溫現(xiàn)象[4]。在CO變換工段中可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如下：

CO+H2O=CO2+H2

CO+H2S=COS+H2O

CO+3H2=CH4+H2O

在第三個(gè)反應(yīng)過程中所釋放的熱量為第一個(gè)化學(xué)反應(yīng)熱量的5倍左右，這也是引發(fā)CO變換工段出現(xiàn)溫升的主要原因。所以，對此可利用催化劑進(jìn)行緩解。通常情況下催化劑會(huì)受溫度的影響而造成變換率不明確。比如應(yīng)將化學(xué)放熱反應(yīng)所引發(fā)的溫升控制在合理范圍內(nèi)，盡量不超過催化劑正?；钚苑秶?。據(jù)相關(guān)調(diào)查，在硫化反應(yīng)中若反應(yīng)溫度處于275℃與425℃之間，催化劑活性將不受到影響，且在<275℃時(shí)，活性明顯下降，而>475℃情況下，硫化反應(yīng)相比會(huì)更強(qiáng)烈一些。因此，需在不同階段合理控制反應(yīng)溫度，這樣才能保證CO變換率滿足甲醇生產(chǎn)工藝要求。事實(shí)上，最為重要的溫控措施主要有：

第一，在反應(yīng)前對催化劑溫度進(jìn)行有效調(diào)節(jié)。比如在初步使用催化劑時(shí)，它的活性反應(yīng)溫度若為220℃，在系統(tǒng)運(yùn)行前應(yīng)將溫度控制在260℃，而隨著催化劑不斷為化學(xué)反應(yīng)發(fā)揮作用，它的活性溫度也會(huì)有所變化，此時(shí)也應(yīng)隨之調(diào)整系統(tǒng)環(huán)境問題。同時(shí)，還需在反應(yīng)末期及時(shí)采取降溫措施，避免催化劑在催化過程中引發(fā)系統(tǒng)前后工段壓差超標(biāo)，影響變換效果。

第二，控制CO的濃度變化情況。比如在甲烷化反應(yīng)中，若CO濃度過大極易增加反應(yīng)速率，由此引發(fā)溫升現(xiàn)象。因此，以100000m3的煤氣規(guī)格為例，應(yīng)將CO濃度控制在大約50%，并適當(dāng)加入4000m3N2，促使CO各項(xiàng)化學(xué)反應(yīng)所造成的溫度驟增狀況得到有效控制，以此為夾點(diǎn)技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)造有利條件。

3.2.2 水氣比

以煤制甲醇工藝為例，它在CO變換工段中，若水氣比有所增加將造成CO變換率升高。從經(jīng)濟(jì)性角度上來分析，增加水氣比會(huì)極大程度上增大蒸汽消耗量，且對甲烷化化學(xué)副反應(yīng)產(chǎn)生抑制效果，故而水氣比的增加不利于企業(yè)節(jié)約成本。然而從CH4含量與水氣比之間的變化曲線結(jié)果中可知：CH4含量會(huì)隨著水氣比變大而呈現(xiàn)遞減趨勢。因此，應(yīng)注重水氣比的控制，以便獲得換熱網(wǎng)絡(luò)最佳改造成果。具體可從以下兩個(gè)方面著手：

(1)控制第一變爐器入口水氣比。由于系統(tǒng)運(yùn)行之前煤氣溫度相對較低，而形成的水氣比也較低，若突然接氣易出現(xiàn)溫度驟升等不良現(xiàn)象。因此，相關(guān)人員應(yīng)對煤氣管線里的蒸汽進(jìn)行伴熱，一般在溫度達(dá)到140℃時(shí)才能進(jìn)行接氣。而伴熱所需能量可借助夾點(diǎn)技術(shù)從煤氣反應(yīng)過程中加以轉(zhuǎn)化，由此避免能量浪費(fèi)，影響企業(yè)經(jīng)濟(jì)收益。

(2)控制第二與第三變爐器入口水氣比。首先可在入口處對蒸汽量與淬冷水進(jìn)行控制，以此改變水氣比。承載淬冷水的淬冷器因其自身溫度較低，若馬上接入蒸汽、淬冷水會(huì)造成催化劑在發(fā)揮催化作用時(shí)因進(jìn)水而受到不良影響。基于此，需在第二與第三變爐器入口溫度超過220℃情況下實(shí)施接氣行為，從而保證水氣比在有效控制的前提下為夾點(diǎn)技術(shù)的節(jié)能降耗操作提供助力。

3.2.3 空速

在CO變換工段換熱網(wǎng)絡(luò)改造中充分應(yīng)用夾點(diǎn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)能量合理轉(zhuǎn)化時(shí)還應(yīng)注重空速對化學(xué)反應(yīng)的影響程度。首先，空速會(huì)對催化劑裝填量等帶來一定影響，當(dāng)空速越大時(shí)，催化劑裝填量就越小，由此可降低投入成本。所以，相關(guān)人員可利用調(diào)節(jié)變換爐內(nèi)的壓力負(fù)荷控制空速，從而有效把控轉(zhuǎn)換率；其次，空速也會(huì)對甲烷反應(yīng)帶來抑制作用。比如從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)：在0.25水氣比、3.7MPa壓力值、入口溫度為220℃的條件下，當(dāng)空速分別為2000，3500，4500h-1時(shí)，甲烷出口含量為0.62%，0.38%，0.27%，由此可得出以下結(jié)論：甲烷出口量會(huì)隨著空速增加而減小。

對此可進(jìn)行的優(yōu)化措施如下：為了增加煤氣與催化劑之間的接觸時(shí)間，可結(jié)合催化劑溫升速度調(diào)節(jié)空速，待其達(dá)到熱點(diǎn)后可適當(dāng)增大空速，若在熱點(diǎn)超過指定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)應(yīng)通過降速的方法保證催化劑活性良好。夾點(diǎn)技術(shù)作為一種過程集成方法，在實(shí)際設(shè)計(jì)期間應(yīng)將CO變換工段換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)劃分為兩個(gè)分離式子系統(tǒng)。同時(shí)，還應(yīng)防止跨越夾點(diǎn)傳熱現(xiàn)象的發(fā)生。由于夾點(diǎn)技術(shù)應(yīng)用的范圍不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致它在系統(tǒng)中所發(fā)揮的作用也日益明顯。因此，應(yīng)根據(jù)企業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與甲醇生產(chǎn)工藝要求對換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，促使夾點(diǎn)技術(shù)為甲醇生產(chǎn)性質(zhì)企業(yè)提供良好的技術(shù)支撐。

3.3 注重能量利用效果

3.3.1 明確夾點(diǎn)

在應(yīng)用夾點(diǎn)技術(shù)改造CO變換工段換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時(shí)首先需進(jìn)一步明確夾點(diǎn)。通過在甲醇精餾工藝中可對夾點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)計(jì)算，進(jìn)而達(dá)到能量合理轉(zhuǎn)化目的。一般夾點(diǎn)計(jì)算方法共有兩種，其中一種為T-H圖法，另一種為問題表法。從兩種不同計(jì)算方法中可知：利用軟件對其換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行計(jì)算時(shí)可得出夾點(diǎn)溫度處于58℃左右，最小冷、熱公用工程量各自為60.76與57.69MW。而在問題表法計(jì)算下所得出的結(jié)果基本一致。與實(shí)際量相比有些許差異，主要是因?yàn)榭缭綂A點(diǎn)所產(chǎn)生的換熱負(fù)荷，進(jìn)而導(dǎo)致目標(biāo)值與計(jì)算值間出現(xiàn)差距。

此外，在設(shè)計(jì)換熱網(wǎng)絡(luò)時(shí)還應(yīng)考慮到夾點(diǎn)溫差對于夾點(diǎn)技術(shù)應(yīng)用效果的影響。通常溫差越大，熱量回收的可能性就越小，所需冷熱負(fù)荷會(huì)隨之增大，最終造成換熱網(wǎng)絡(luò)成本投入減少。要想保證夾點(diǎn)技術(shù)為換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)提供積極作用，可在10℃到30℃之間選擇一個(gè)適合的溫差，以此符合目標(biāo)值的要求。甲醇生產(chǎn)環(huán)節(jié)較為合理的冷熱公用工程量應(yīng)為12.34與34.63MW，且在90℃夾點(diǎn)溫度時(shí)能夠貼合換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化理念。同時(shí)，在確定夾點(diǎn)時(shí)還需遵循一定原則，比如不允許在CO變換工段安裝冷卻器，或者不應(yīng)刻意安裝加熱器等，并且只在冷熱公用工程換熱網(wǎng)絡(luò)實(shí)施加熱與冷卻步驟時(shí)設(shè)置夾點(diǎn)等，以此保證冷熱物流得到相應(yīng)的能量供應(yīng)，為企業(yè)甲醇生產(chǎn)工作增加能量回收利用率，促使能量得到妥善處理。

3.3.2 改造結(jié)構(gòu)

在傳統(tǒng)換熱網(wǎng)絡(luò)中常存在能量利用不到位等問題。比如在夾點(diǎn)下利用加熱公用工程等極易增加換熱負(fù)荷，又或者在夾點(diǎn)上應(yīng)用冷卻公用工程，這樣也會(huì)增加冷卻負(fù)擔(dān)。對此，應(yīng)實(shí)施優(yōu)化手段降低熱負(fù)荷對夾點(diǎn)的負(fù)面影響。實(shí)際上，夾點(diǎn)技術(shù)對于老廠換熱網(wǎng)絡(luò)的改造也有著重要作用，它所帶來的節(jié)能效果雖比新廠略小一些，但至少也能獲得20%的節(jié)能效益。因此，夾點(diǎn)技術(shù)的節(jié)能與降資效用確實(shí)值得引起相關(guān)行業(yè)的重視。

首先，可在原有基礎(chǔ)上適當(dāng)加裝一定數(shù)量的換熱器，這樣可防止公用工程能量同時(shí)消耗造成能量回收利用率下降；其次，可根據(jù)CO變換工段中產(chǎn)生的夾點(diǎn)溫度將其分為兩個(gè)溫度不等的時(shí)段，并在低溫段向放熱裝置汲取熱量，從而實(shí)現(xiàn)良性循環(huán)；最后，應(yīng)規(guī)范換熱網(wǎng)絡(luò)位置，比如在加裝換熱器時(shí)，應(yīng)對原有裝置的擺放位置加以調(diào)整，并對甲醇生產(chǎn)工藝中CO變換工段中化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量進(jìn)行回收，以此為蒸汽預(yù)熱等操作提供輔助作用。在CO寬溫耐硫變換工藝中設(shè)有變換裝置，為了保證下游工作的順利開展，應(yīng)結(jié)合夾點(diǎn)技術(shù)的應(yīng)用原理對CO含量進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，使其高于21.5%，且低于22.5%，以便甲醇生產(chǎn)平穩(wěn)進(jìn)行。另外，還需要適當(dāng)提取冷熱流股，一般在甲醇生產(chǎn)工藝中CO變換工段換熱網(wǎng)絡(luò)中所具備的換熱面積越大，就證明它擁有的改造空間更充足，即具有較大節(jié)能開發(fā)潛力。但在實(shí)際情況中，常由于無法制定科學(xué)的換熱方案，導(dǎo)致夾點(diǎn)技術(shù)在具體應(yīng)用流程中無法發(fā)揮出真正作用。對此，相關(guān)人員應(yīng)根據(jù)不同的流股類型確定流股信息。

4 結(jié)論

綜上所述，通過在CO變換工段換熱網(wǎng)絡(luò)升級改造中應(yīng)用夾點(diǎn)技術(shù)，可起到節(jié)約能量、降低成本的作用。因此，相關(guān)人員需結(jié)合夾點(diǎn)技術(shù)工作原理進(jìn)一步規(guī)劃甲醇生產(chǎn)工藝流程，促使夾點(diǎn)技術(shù)在能量利用方面達(dá)到最佳節(jié)能效果，促使化工企業(yè)在甲醇生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)冷熱流相互轉(zhuǎn)換，由此貼合新時(shí)代發(fā)展理念。