余壓發(fā)電在甲醇合成中節(jié)能與投資效益研究

吳勝軍 航天長(zhǎng)征化學(xué)工程股份有限公司蘭州分公司 蘭州 730010

甲醇是重要的碳一產(chǎn)品，可作為多種化工產(chǎn)品的原料，也可作為清潔燃料。隨著甲醇需求量的不斷增加，裝置大型化、擴(kuò)能擴(kuò)產(chǎn)、淘汰落后工藝的步伐進(jìn)一步加快，面對(duì)世界能源緊缺的局面，節(jié)能減排、降低產(chǎn)品成本以提高企業(yè)自身的競(jìng)爭(zhēng)能力是許多化工企業(yè)實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)和取得良好經(jīng)濟(jì)效益的重要手段之一。

余壓發(fā)電是一種成熟、可靠的能量回收技術(shù)，主要利用系統(tǒng)余壓，將其壓力能轉(zhuǎn)化為電能，達(dá)到節(jié)能降耗的目的[1]。目前，隨著甲醇合成技術(shù)的不斷進(jìn)步，甲醇合成裝置從高壓合成(德國(guó)BASF公司高壓合成技術(shù)，溫度300～400℃，壓力30～40MPa)發(fā)展到以低壓合成(英國(guó)JM.公司和德國(guó)Air liquide公司低壓合成技術(shù)，溫度210～270℃，壓力5～10MPa)為主[2]，其裝置逐漸向大型化方向發(fā)展，單套生產(chǎn)能力從18萬(wàn)t/a發(fā)展到220萬(wàn)t/a，生產(chǎn)成本、綜合能耗也進(jìn)一步降低。甲醇合成工藝在每次改進(jìn)及優(yōu)化過(guò)程中，研究的重點(diǎn)大多放在催化劑、反應(yīng)器及熱力學(xué)平衡方面，其它方面的研究較少，比如：甲醇在高壓工況合成、低壓工況儲(chǔ)存和輸送，造成了甲醇液體富余壓力能的浪費(fèi)。余壓發(fā)電技術(shù)的使用，可以有效回收系統(tǒng)余壓，不僅節(jié)約能源，也為企業(yè)降低生產(chǎn)成本，有極廣的應(yīng)用前景。

1 余壓發(fā)電技術(shù)應(yīng)用分析

1.1 甲醇合成工藝流程

在普遍采用的低壓法甲醇合成工藝中，有Air liquide、JM、Casale、托普索等工藝技術(shù)[2]。為了降低單位甲醇的生產(chǎn)成本，在裝置規(guī)模大型化發(fā)展的趨勢(shì)下，國(guó)內(nèi)外工藝提供方對(duì)催化劑、合成塔結(jié)構(gòu)及工藝方面做了大量的改進(jìn)，但對(duì)系統(tǒng)余壓回收利用方面改進(jìn)較少。

甲醇合成工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 工藝流程

粗煤氣經(jīng)等溫變換、低溫甲醇洗凈化后得到合格的新鮮氣，新鮮氣與循環(huán)氣經(jīng)合成氣壓縮機(jī)壓縮至7.67MPa(G)，溫度為45℃后，進(jìn)入中間換熱器與出甲醇反應(yīng)器的甲醇反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行熱交換，將合成氣升溫至196℃左右進(jìn)入甲醇合成塔，在催化劑的作用下，進(jìn)行甲醇合成反應(yīng)。

從甲醇合成塔出來(lái)、溫度225℃的反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入中間換熱器，與合成氣換熱降溫至82℃左右后送入甲醇水冷器，經(jīng)空冷器冷卻至40℃后送入甲醇分離器進(jìn)行氣液分離，分離出的循環(huán)氣送壓縮工段，一部分弛放氣送燃料氣系統(tǒng)。從甲醇分離器底部分離的粗甲醇操作壓力為7.41MPa(G)，經(jīng)減壓閥減壓至0.45MPa(G)送粗甲醇中間槽進(jìn)一步閃蒸，閃蒸氣送燃料氣系統(tǒng)，甲醇產(chǎn)品經(jīng)液位控制閥送甲醇罐區(qū)。

從甲醇分離器底部分離出的甲醇經(jīng)減壓閥減壓后進(jìn)行閃蒸，這部分壓力能沒(méi)有利用而白白損失掉了，如果能夠?qū)⑦@部分能量回收利用，對(duì)于裝置的運(yùn)行成本和節(jié)能降耗具有重要意義。

1.2 余壓回收方案分析

透平是一種成熟、簡(jiǎn)單、可靠的余壓回收技術(shù)[3]。高壓液體通過(guò)葉輪時(shí)流體沖擊葉片推動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)透平軸旋轉(zhuǎn)，透平軸直接或經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)其他機(jī)械，輸出機(jī)械功或電能。透平通過(guò)高壓液體驅(qū)動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)將高壓液體變?yōu)榈蛪旱倪^(guò)程中，可實(shí)現(xiàn)余能的回收利用，其能量回收率高，具有結(jié)構(gòu)科學(xué)合理、制造成本低、性能穩(wěn)定和節(jié)能效果顯著的特點(diǎn)。透平余壓回收方式有以下三種[4]：

(1)泵/壓縮機(jī)+電機(jī)+超速離合器+透平

當(dāng)透平回收的能量不能完全驅(qū)動(dòng)泵或壓縮機(jī)時(shí)，往往采用透平輔助電機(jī)做功的方式，電機(jī)和透平之間安裝超越離合器，即使在透平出現(xiàn)故障的情況下, 也能保證設(shè)備穩(wěn)定操作，靈活性較大。但此種方式由于傳動(dòng)軸較長(zhǎng)，設(shè)備加工、制造難度較大。

(2)泵/壓縮機(jī)+透平

當(dāng)透平回收的能量完全驅(qū)動(dòng)泵或壓縮機(jī)時(shí)，往往采用透平直接驅(qū)動(dòng)設(shè)備做功的方式。該方式能量回收效率高，且機(jī)組可靠性好，但需要考慮備機(jī)，一次投資相對(duì)較高。

(3)發(fā)電機(jī)+透平

當(dāng)透平回收的能量與裝置內(nèi)或鄰近裝置泵或壓縮機(jī)功率相差較大，無(wú)法高效回收利用時(shí)，可采用透平驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。該方式能量回收效率高，調(diào)節(jié)和控制方便，回收的電能可并網(wǎng)或驅(qū)動(dòng)其它機(jī)械，靈活性較好。

甲醇合成裝置內(nèi)動(dòng)設(shè)備較少，如透平回收的能量驅(qū)動(dòng)鄰近裝置的泵或壓縮機(jī)，會(huì)造成管道長(zhǎng)、投資較高、壓力損失大，并受裝置間工藝操作限制，實(shí)施難度較大，因此，甲醇合成裝置適合采用余壓發(fā)電技術(shù)回收系統(tǒng)高位能。在甲醇分離器后增加余壓透平發(fā)電機(jī)組，從甲醇分離器底部分離出的高壓粗甲醇(操作壓力7.41 MPa(G))經(jīng)透平發(fā)電機(jī)組做功發(fā)電后壓力減至0.45 MPa(G)，從而取代改造前工藝中減壓閥，實(shí)現(xiàn)高位能的回收利用，改造工藝流程見(jiàn)圖1虛線(xiàn)部分。

1.3 液力透平發(fā)電機(jī)組控制

為使透平發(fā)電機(jī)組連續(xù)穩(wěn)定發(fā)電，必須保證通過(guò)透平的甲醇溶液的壓力、流量穩(wěn)定。目前的控制方式主要有調(diào)節(jié)閥控制、變頻調(diào)速控制等[5]。調(diào)節(jié)閥控制操作簡(jiǎn)便、投資低；變頻調(diào)速控制一次投資高，控制較復(fù)雜。經(jīng)綜合考慮投資及操作實(shí)用性后，甲醇合成裝置透平發(fā)電機(jī)組采用調(diào)節(jié)閥控制方式。當(dāng)甲醇分離器出口甲醇流量低于透平發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)流量時(shí)，通過(guò)開(kāi)大調(diào)節(jié)閥流量達(dá)到穩(wěn)流的目的；當(dāng)甲醇流量高于透平發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)流量時(shí)，通過(guò)打開(kāi)全流量旁通閥實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)的目的；同時(shí)，透平發(fā)電機(jī)組需要設(shè)置超速跳閘裝置，超速跳閘轉(zhuǎn)速設(shè)定在額定轉(zhuǎn)速的115%～120%范圍內(nèi)[6]，防止透平超速造成設(shè)備損壞，透平發(fā)電機(jī)組控制方案見(jiàn)圖1虛線(xiàn)部分。

1.4 透平發(fā)電并網(wǎng)

在甲醇合成裝置穩(wěn)定運(yùn)行、負(fù)荷滿(mǎn)足設(shè)計(jì)工況的情況下，甲醇分離器出口甲醇流量趨于穩(wěn)定，此時(shí)可投入余壓透平發(fā)電機(jī)組?？紤]到異步發(fā)電機(jī)操作簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、對(duì)透平轉(zhuǎn)速要求不高、穩(wěn)定性好等因素[7]，透平發(fā)電機(jī)組采用異步發(fā)電機(jī)，當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，余壓透平發(fā)電機(jī)組與市電并網(wǎng)，通過(guò)調(diào)節(jié)甲醇溶液的壓力、流量控制透平轉(zhuǎn)速，當(dāng)透平轉(zhuǎn)速超過(guò)發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)輸送電能。

2 甲醇合成系統(tǒng)能耗及節(jié)能改造模擬分析

2.1 甲醇合成系統(tǒng)能耗

甲醇合成裝置系統(tǒng)消耗包括原料消耗、公用工程消耗、催化劑及化學(xué)品消耗等。甲醇合成裝置原料氣來(lái)自低溫甲醇洗系統(tǒng)凈化處理后的新鮮氣，其氫碳比、總硫含量滿(mǎn)足甲醇合成系統(tǒng)的生產(chǎn)要求，新鮮氣主要成分見(jiàn)表1。

表1 新鮮氣組成(溫度=30℃，壓力=3.1MPa)

系統(tǒng)能耗按單套120萬(wàn)t/a合成甲醇為計(jì)算基準(zhǔn)，計(jì)算范圍從輸入裝置界區(qū)新鮮氣至產(chǎn)出粗甲醇為止，能耗總量系指生產(chǎn)系統(tǒng)、輔助生產(chǎn)系統(tǒng)及系統(tǒng)損失的總消耗量。原料氣消耗、副產(chǎn)弛放氣及裝置公用工程消耗按《石油化工設(shè)計(jì)能耗計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50441-2016進(jìn)行折算，甲醇合成裝置設(shè)計(jì)單耗、設(shè)計(jì)能耗及總能耗見(jiàn)表2。

表2 設(shè)計(jì)能耗表

2.2 改造后節(jié)能模擬分析

對(duì)甲醇合成工藝改造后，余壓透平機(jī)組采用調(diào)節(jié)閥及旁路流量調(diào)節(jié)控制，保證機(jī)組連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行。余壓透平回收能量利用PROII軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，選擇SRKM狀態(tài)方程，透平入口粗甲醇?jí)毫?.41MPa(G)，出口粗甲醇?jí)毫?.45MPa(G)，由于粗甲醇經(jīng)透平減壓后，絕大部分氣相組分從粗甲醇中閃蒸出來(lái)，即透平出口物料為氣液兩相流，因此透平出口管道設(shè)計(jì)要考慮兩相流，可適當(dāng)縮小管徑，增大管道流速，防止形成柱狀流造成管道振動(dòng)破壞。為驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性，對(duì)余壓透平進(jìn)出口物料進(jìn)行模擬值與設(shè)計(jì)值的對(duì)比分析，模擬偏差均在1%以?xún)?nèi)，模擬結(jié)果是可行的，余壓透平節(jié)能模擬結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 余壓透平節(jié)能模擬結(jié)果

當(dāng)透平能量回收效率取85%[8]，則余壓透平回收能量為504.6kW。

經(jīng)模擬計(jì)算，工藝改造后余壓透平每小時(shí)可回收能量504.6kW，按生產(chǎn)噸甲醇(100%)設(shè)計(jì)單耗為3.79kW，能耗按照GB/T50441-2016標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行折算，生產(chǎn)噸甲醇可回收能量34.91MJ，改造后設(shè)計(jì)能耗表見(jiàn)表4。

表4 改造后設(shè)計(jì)能耗表

3 余壓發(fā)電節(jié)能及投資效益分析

3.1 節(jié)能分析

為有效回收甲醇合成裝置系統(tǒng)余壓，解決系統(tǒng)高位能浪費(fèi)的問(wèn)題，甲醇分離器出口增加透平發(fā)電機(jī)組取代減壓閥，余壓透平驅(qū)動(dòng)異步發(fā)電機(jī)做功，將系統(tǒng)余壓轉(zhuǎn)化為工廠所需的電能，產(chǎn)生的電能可直接驅(qū)動(dòng)廠區(qū)用電設(shè)備，也可并入電網(wǎng)送其他用戶(hù)使用。

以上述單套120萬(wàn)t/a合成甲醇為例，合成裝置采用8.0MPa(G)低壓合成工藝，甲醇分離器底部液相出口壓力7.41MPa(G)，經(jīng)透平發(fā)電機(jī)組回收能量后壓力降至0.45MPa(G)送中間槽，經(jīng)模擬計(jì)算，透平發(fā)電機(jī)組每小時(shí)回收能量約504.6kW，裝置年操作按8000小時(shí)計(jì)算，余壓透平發(fā)電機(jī)組每年回收功率4.04×106kW，余壓透平發(fā)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 余壓透平發(fā)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)

3.2 投資效益分析

通過(guò)工藝改造，甲醇合成裝置增加余壓發(fā)電機(jī)組1套，相應(yīng)增加管道、閥門(mén)、儀表、土建等一次投資約300.46萬(wàn)元，投資估算見(jiàn)表6。

表6 工藝改造投資估算表

改造后,余壓透平發(fā)電機(jī)組每年回收功率為4.04×106kW，每年節(jié)省電能約404萬(wàn)度，按每度電0.55元計(jì)算，折合人民幣約222萬(wàn)元，投資回收期約1.35年。從投資及效益角度考慮，采用余壓透平發(fā)電技術(shù)投資低，技術(shù)路線(xiàn)成熟、改造難度較小，操作和控制簡(jiǎn)單，投資回收期短，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)甲醇合成工藝進(jìn)行優(yōu)化和改造，采用余壓透平發(fā)電機(jī)組取代甲醇分離器底部出口減壓閥，對(duì)系統(tǒng)余壓有效回收利用，通過(guò)工藝流程控制、余壓透平機(jī)組配置、節(jié)能、投資和效益分析表明：甲醇合成裝置采用余壓透平發(fā)電技術(shù)工藝路線(xiàn)成熟可靠、投資低、操作和維護(hù)簡(jiǎn)單、投資回收期短、經(jīng)濟(jì)效益顯著，不僅節(jié)約能源，而且為企業(yè)降低運(yùn)行成本，符合國(guó)家節(jié)能減排政策，符合可持續(xù)發(fā)展的理念和要求，具有良好的市場(chǎng)推廣價(jià)值。