費(fèi)托合成裝置節(jié)能降耗研究

丁文瑤，王瑞航，李虎，井云環(huán)，溫潤娟

（1.國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750411；2.浙江大學(xué) 化學(xué)工程與生物工程學(xué)院，浙江 杭州 310000）

我國能源資源不平衡，富煤、貧油、少氣，2020年人均能源占有量不足世界平均水平的50%，而人均石油能源量約為世界人均水平的10%左右，石油對外依存度高達(dá)70%，能源結(jié)構(gòu)問題十分突出，加之近年來復(fù)雜的國際形勢，制約了我國化工生產(chǎn)自主能力，嚴(yán)重影響了我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[1]。因此，針對我國煤炭資源豐富的現(xiàn)狀，通過先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，調(diào)整我國“富煤、貧油、少氣”的資源結(jié)構(gòu)，緩解國家油氣資源短缺，推進(jìn)國家中長期能源發(fā)展戰(zhàn)略，降低原油對外依存度，增強(qiáng)國家能源安全保障能力。煤炭液化是以煤為原料發(fā)展煤制油產(chǎn)業(yè)的技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)煤炭清潔轉(zhuǎn)化、降低石油對外依存度的有效途徑，但由于煤制油工藝技術(shù)特點(diǎn)，導(dǎo)致其能耗高[2-3]，因此只有通過減少裝置能耗，才能使煤制油在過程經(jīng)濟(jì)上具有競爭力，在環(huán)境上滿足綠色要求。

針對我國提高能源利用率、節(jié)能減排的基本國策以及綠色制造體系建設(shè)的發(fā)展需求，提高煤制油裝置的能源梯級(jí)利用率將是“十四五”時(shí)期全面推進(jìn)綠色制造體系建設(shè)迫切需要突破的重點(diǎn)和難點(diǎn)。基于以上因素，本文針對煤間接液化項(xiàng)目的核心費(fèi)托合成裝置開展節(jié)能降耗優(yōu)化研究。

1 費(fèi)托合成裝置能耗成本分析

費(fèi)托合成裝置是一個(gè)復(fù)雜的工藝系統(tǒng)，用能種類繁多，較難實(shí)現(xiàn)整體優(yōu)化，因此需通過能耗成本分析，如圖1所示，確定重點(diǎn)用能項(xiàng)目為電、次中壓蒸汽、低低壓蒸汽，應(yīng)用化工工藝過程模擬技術(shù)，從提高換熱效率、余熱利用效率、優(yōu)化裝置工藝等方面，提出了優(yōu)化進(jìn)汽提塔重質(zhì)油加熱效率、輕質(zhì)油氣ORC余熱發(fā)電、輕質(zhì)油氣對進(jìn)汽提塔輕質(zhì)油加熱、循環(huán)換熱分離系統(tǒng)工藝優(yōu)化等節(jié)能降耗優(yōu)化方案。

圖1 費(fèi)托合成裝置能耗成本對比圖

2 節(jié)能降耗優(yōu)化方案

2.1 優(yōu)化進(jìn)汽提塔重質(zhì)油換熱效率

費(fèi)托合成裝置中進(jìn)汽提塔的重質(zhì)油在重質(zhì)油穩(wěn)定蠟換熱器中被穩(wěn)定蠟加熱，再經(jīng)過重質(zhì)油加熱器被次高壓過熱蒸汽加熱，穩(wěn)定蠟則在重質(zhì)油穩(wěn)定蠟換熱器中被重質(zhì)油冷卻后，在穩(wěn)定蠟換熱器中經(jīng)由除氧水冷卻，如圖2所示。

圖2 汽提塔重質(zhì)油加熱示意圖

針對經(jīng)過重質(zhì)油穩(wěn)定蠟換熱器后外送穩(wěn)定蠟需除氧水冷卻而重質(zhì)油需用蒸汽提溫的問題，經(jīng)過分析得到，將原換熱流程優(yōu)化為穩(wěn)定蠟首先進(jìn)入重質(zhì)油加熱器中，逆向與重質(zhì)油穩(wěn)定蠟換熱器出口的重質(zhì)油換熱，可提高進(jìn)汽提塔重質(zhì)油加熱效率，如圖3所示。

圖3 優(yōu)化進(jìn)汽提塔重質(zhì)油加熱效率示意圖

在滿足工藝生產(chǎn)需求的條件下，根據(jù)優(yōu)化方案模型計(jì)算，該方案的實(shí)施每小時(shí)可節(jié)約4 t次高壓飽和蒸汽，裝置節(jié)能估算為1.556×106MJ·a-1。

2.2 輕質(zhì)油氣ORC余熱發(fā)電提高余熱利用率

費(fèi)托合成裝置費(fèi)托反應(yīng)器頂部排出的高溫油氣與原料氣換熱，經(jīng)降溫分離出重質(zhì)油后成為輕質(zhì)油氣，進(jìn)入油氣空冷器被冷卻后分離出輕質(zhì)油[4-9]。

輕質(zhì)油氣流量巨大，是較好的余熱利用資源，但是其溫度不高，作為低品位熱量難以直接利用，而其冷卻所需的油氣空冷器功率大、耗電量高。針對這一問題，提出了將輕質(zhì)油氣的熱量通過ORC余熱發(fā)電技術(shù)[10-13]進(jìn)行回收發(fā)電，輕質(zhì)油氣被冷卻至75 ℃，之后再經(jīng)由油氣空冷器進(jìn)一步冷卻的換熱方案，如圖4所示。

圖4 輕質(zhì)油氣ORC余熱發(fā)電示意圖

根據(jù)優(yōu)化方案模型計(jì)算得到，ORC發(fā)電系統(tǒng)可產(chǎn)生的電量為4 880 kW，每年按照8 000 h計(jì)算，每年的發(fā)電量為3 904萬kW·h，其次經(jīng)過ORC發(fā)電系統(tǒng)后輕質(zhì)油氣被冷卻至75 ℃，每小時(shí)可降低空冷器電耗 6.90×104kW·h，每年可降低電耗55 200萬kW·h。

2.3 輕質(zhì)油氣對輕質(zhì)油加熱提高熱集成率

進(jìn)汽提塔的輕質(zhì)油在輕質(zhì)油加熱器中被低低壓蒸汽加熱后進(jìn)入汽提塔。費(fèi)托反應(yīng)器頂部經(jīng)過循環(huán)換熱分離器后的輕質(zhì)油氣被油氣空冷器由150 ℃冷卻至50 ℃進(jìn)入油氣分離系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 進(jìn)汽提塔輕質(zhì)油加熱示意圖

經(jīng)過分析得到，通過將進(jìn)汽提塔輕質(zhì)油與部分輕質(zhì)油氣換熱，優(yōu)化了能量利用系統(tǒng)，冷卻后的輕質(zhì)油氣并入輕質(zhì)油氣總管，如圖6所示。

圖6 輕質(zhì)油氣對進(jìn)汽提塔輕質(zhì)油加熱示意圖

根據(jù)優(yōu)化方案模型計(jì)算得到，該方案的實(shí)施每小時(shí)可節(jié)約5 t低低壓蒸汽，部分輕質(zhì)油氣被輕質(zhì)油冷卻后，油氣空氣冷卻器運(yùn)行負(fù)荷降低，每小時(shí)可節(jié)約電耗為2.54×103kW·h，裝置節(jié)能估算為5.27×105MJ·a-1。

2.4 循環(huán)換熱分離系統(tǒng)工藝優(yōu)化

費(fèi)托合成反應(yīng)器頂部排出的高溫油氣在循環(huán)換熱分離系統(tǒng)中與原料氣換熱以達(dá)到反應(yīng)余熱加熱原料的目的，提高余熱利用率。但是在工藝操作過程中易出現(xiàn)換熱效率低或重質(zhì)油帶水的問題。本文基于模擬軟件對循環(huán)換熱分離系統(tǒng)工藝流程開展模擬，研究了在高溫油氣壓力、組成條件不變的情況下循環(huán)換熱分離器最佳溫度控制區(qū)間。

通過模擬優(yōu)化得到最佳溫度控制區(qū)間，如圖7所示。在當(dāng)前工藝條件下，循環(huán)換熱分離系統(tǒng)溫度低于125.5 ℃時(shí)，分離出的重質(zhì)油中水含量快速上升，高于125.5 ℃時(shí)則趨于平穩(wěn)，這是因?yàn)楦邷赜蜌鉁囟鹊陀?25.5 ℃時(shí)，達(dá)到了水的露點(diǎn)，導(dǎo)致水以液體的形式被夾帶至重質(zhì)油中。此外，隨著循環(huán)換熱分離器溫度逐漸降低，來自費(fèi)托反應(yīng)器的高溫油氣將更多的熱量傳遞至原料氣，使得費(fèi)托反應(yīng)器產(chǎn)蒸汽量增多。同時(shí)，高溫油氣釋放出更多熱量后分離出的輕質(zhì)油氣溫度、流量均減少，在被油氣空冷器冷卻時(shí)，空冷器負(fù)荷降低，節(jié)約了裝置能耗。因此，在日常操作中，應(yīng)控制循環(huán)換熱分離系統(tǒng)溫度穩(wěn)定在125.5 ℃，使得能耗降低的同時(shí)實(shí)現(xiàn)工藝平穩(wěn)運(yùn)行。

圖7 循環(huán)換熱分離系統(tǒng)最佳溫度控制區(qū)間

3 結(jié) 論

1）通過對裝置能耗成本分析，確定了重點(diǎn)用能項(xiàng)目為電、次中壓蒸汽、低低壓蒸汽，為費(fèi)托合成裝置的節(jié)能降耗研究工作指明了方向。

2）在裝置能耗分析基礎(chǔ)上，提出了優(yōu)化進(jìn)汽提塔重質(zhì)油換熱效率、輕質(zhì)油氣ORC余熱發(fā)電、輕質(zhì)油氣對輕質(zhì)油加熱提高熱集成率、循環(huán)換熱分離系統(tǒng)工藝優(yōu)化等節(jié)能方案，理論上每年節(jié)約能源20 MJ以上。

3）提出的費(fèi)托合成裝置的余熱利用方案充分利用裝置余熱資源，減少了能源消耗，經(jīng)濟(jì)效益明顯，可以為煤化工相關(guān)企業(yè)的節(jié)能減排工作提供參考，從長遠(yuǎn)發(fā)展來看，符合“十四五”規(guī)劃經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求。