大型對(duì)二甲苯裝置的節(jié)能設(shè)計(jì)與優(yōu)化

張 方 方

(中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

隨著市場(chǎng)對(duì)化工原料需求的不斷增長(zhǎng)，越來(lái)越多的煉油企業(yè)選擇煉化一體化的原油加工方案。對(duì)二甲苯裝置作為連續(xù)催化重整裝置(簡(jiǎn)稱重整裝置)的下游裝置和聚酯產(chǎn)品的原料生產(chǎn)裝置，成為了煉化一體化原油加工方案的核心裝置。目前，新建的10Mt/a級(jí)煉化企業(yè)中，對(duì)二甲苯裝置的單套產(chǎn)能多數(shù)在1.50Mt/a以上。對(duì)二甲苯裝置的原料主要來(lái)自重整裝置的C6+重整生成油、乙烯裝置的甲苯和C8+芳烴等；其產(chǎn)物主要有對(duì)二甲苯、苯、鄰二甲苯等，可以作為產(chǎn)品直接外賣，也可以作為下游化工裝置的原料，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成高附加值產(chǎn)品。

本課題以某企業(yè)1.50Mt/a對(duì)二甲苯裝置的設(shè)計(jì)為例，綜合分析該裝置中各單元的能耗分布及采用節(jié)能設(shè)計(jì)對(duì)裝置能耗的影響；進(jìn)而，結(jié)合對(duì)二甲苯裝置的特點(diǎn)，深入探討提高加熱爐熱效率、優(yōu)化低溫?zé)崂梅桨傅却胧?duì)降低裝置能耗的重要性，為進(jìn)一步提高裝置經(jīng)濟(jì)性、降低操作成本、增強(qiáng)對(duì)二甲苯產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力提供參考。

1 裝置簡(jiǎn)介

某煉化一體化項(xiàng)目擬以重整裝置生產(chǎn)的C6+重整生成油和乙烯裝置生產(chǎn)的甲苯及裂解汽油C8+餾分為原料，生產(chǎn)對(duì)二甲苯、苯、混合二甲苯等芳烴產(chǎn)品，因此擬新建1.50 Mt/a對(duì)二甲苯裝置，其流程示意見(jiàn)圖1。由圖1可知，該裝置包括芳烴抽提、歧化、苯-甲苯分離、對(duì)二甲苯分離、二甲苯異構(gòu)化、二甲苯分餾等6個(gè)工藝單元。其中，芳烴抽提單元主要包括抽提塔和溶劑回收塔等設(shè)備，采用環(huán)丁砜萃取精餾工藝；歧化單元主要包括重芳烴塔、歧化穩(wěn)定塔、歧化汽提塔、歧化反應(yīng)器、循環(huán)氫壓縮機(jī)、重芳烴塔重沸爐、歧化進(jìn)料加熱爐等設(shè)備，采用TransPlus 5工藝；苯-甲苯分離單元包括苯塔、甲苯塔等設(shè)備，采用精餾工藝；對(duì)二甲苯分離單元包括吸附塔、抽出液塔、抽余液塔、成品塔、解吸劑再蒸餾塔、蒸汽升壓系統(tǒng)等設(shè)備，采用Eluxyl對(duì)二甲苯吸附分離工藝；二甲苯異構(gòu)化單元包括異構(gòu)化反應(yīng)器、循環(huán)氫壓縮機(jī)、脫庚烷塔等設(shè)備，采用Xymax2乙苯脫烷基工藝；二甲苯分餾單元包括重整油分餾塔、二甲苯塔、脫烯烴反應(yīng)器、裂解汽油脫重組分塔等設(shè)備，采用精餾工藝。此外，這6個(gè)工藝單元共用一套公用工程系統(tǒng)，包括儀表風(fēng)系統(tǒng)、氮?dú)庀到y(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)等。綜上，該對(duì)二甲苯裝置屬于大型聯(lián)合裝置，設(shè)備眾多，包括12臺(tái)反應(yīng)器、19套精餾塔、6臺(tái)加熱爐、6臺(tái)壓縮機(jī)、107臺(tái)換熱器、176片空氣冷卻器(簡(jiǎn)稱空冷器)、131臺(tái)泵等，合計(jì)約722臺(tái)(套)設(shè)備。

圖1 舉例裝置工藝流程示意

擬建對(duì)二甲苯裝置6個(gè)工藝單元的原料處理量及整套裝置的物料平衡數(shù)據(jù)分別見(jiàn)表1和表2。

表1 對(duì)二甲苯裝置各工藝單元的原料處理量

表2 對(duì)二甲苯裝置的物料平衡數(shù)據(jù)

2 對(duì)二甲苯裝置能耗分布

對(duì)二甲苯裝置由于設(shè)備眾多、流程復(fù)雜，其燃料、蒸汽、電等消耗量很大，是企業(yè)的能耗大戶。該裝置的總能耗情況見(jiàn)表3；其各工藝單元的能耗情況見(jiàn)表4。其中，能耗計(jì)算指標(biāo)依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50441—2016《石油化工設(shè)計(jì)能耗計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》。

表3 對(duì)二甲苯裝置總能耗情況

從表3可知：燃料氣消耗在整套對(duì)二甲苯裝置的能耗中占比最大，為68.27%；其次是電能消耗，占比為19.66%；蒸汽消耗位列第三，占比為10.22%。因此，對(duì)二甲苯裝置節(jié)能的努力方向主要在于控制燃料、電和蒸汽消耗。

從表4可以看出，按年開(kāi)工時(shí)數(shù)8 400 h計(jì)算，該1.5 Mt/a對(duì)二甲苯裝置的能耗以對(duì)二甲苯產(chǎn)品計(jì)為10 824.3 MJ/t，其中對(duì)二甲苯吸附分離、二甲苯異構(gòu)化、二甲苯分餾3個(gè)工藝過(guò)程的能耗共為5 190.9 MJ/t，在整個(gè)流程中能耗占比最大，達(dá)48.0%。相對(duì)來(lái)說(shuō)，其他單元能耗占比較低，如芳烴抽提單元能耗占比為11.9%，歧化單元能耗占比為15.7%，苯-甲苯分離單元能耗占比為25.1%。

表4 對(duì)二甲苯裝置各單元能耗情況

3 裝置節(jié)能設(shè)計(jì)

3.1 全裝置能耗分析

在“碳中和、碳達(dá)峰”的“雙碳”背景下，進(jìn)一步降低石油、石化企業(yè)的能耗勢(shì)在必行。對(duì)于一個(gè)原油加工能力為15 Mt/a的煉化一體化企業(yè)，規(guī)模為1.5 Mt/a對(duì)二甲苯裝置的燃料消耗占全廠燃料消耗的30%以上；對(duì)二甲苯裝置中壓縮機(jī)、重沸器等蒸汽用戶多，涉及高壓、中壓、低壓及低低壓蒸汽，同時(shí)裝置內(nèi)還設(shè)置多臺(tái)蒸汽發(fā)生器，與全廠蒸汽平衡方案關(guān)聯(lián)度非常高。因此，降低對(duì)二甲苯裝置的能耗對(duì)全廠節(jié)能降耗至關(guān)重要。

表5為不同時(shí)期設(shè)計(jì)的對(duì)二甲苯裝置(編號(hào)分別為裝置1～裝置4)中對(duì)二甲苯分離、二甲苯異構(gòu)化(采用乙苯轉(zhuǎn)化為對(duì)二甲苯技術(shù))、二甲苯分餾等3個(gè)單元的設(shè)計(jì)能耗。從表5可以看出：對(duì)二甲苯裝置由于原料來(lái)源、產(chǎn)品方案及產(chǎn)品質(zhì)量要求不同，會(huì)導(dǎo)致其在工藝選擇、裝置設(shè)置、流程長(zhǎng)短等方面的差異；不同的公用工程條件，不同的系統(tǒng)配套設(shè)施也會(huì)使對(duì)二甲苯裝置的水、電、汽、風(fēng)等公用工程消耗差別顯著。因此，不同對(duì)二甲苯裝置間的能耗差別很大，但是隨著生產(chǎn)工藝的優(yōu)化和設(shè)計(jì)水平的提高，新設(shè)計(jì)的對(duì)二甲苯裝置3個(gè)單元的產(chǎn)品能耗呈逐漸下降趨勢(shì)[1]，總體上越來(lái)越節(jié)能。

表5 不同時(shí)期設(shè)計(jì)的對(duì)二甲苯裝置中3個(gè)主要單元的設(shè)計(jì)能耗

表6為不同時(shí)期設(shè)計(jì)的對(duì)二甲苯裝置及本研究舉例裝置的加熱爐熱效率和節(jié)能措施。由表6可以看出：隨著綠色、低碳、節(jié)能、減排的要求越來(lái)越嚴(yán)格，優(yōu)化對(duì)二甲苯裝置設(shè)計(jì)對(duì)于其實(shí)現(xiàn)節(jié)能有重要意義；在新對(duì)二甲苯裝置的設(shè)計(jì)上，越來(lái)越重視提高加熱爐熱效率、優(yōu)化低溫?zé)崂玫裙?jié)能措施，使新建對(duì)二甲苯裝置的能耗越來(lái)越低。本研究舉例裝置通過(guò)改進(jìn)加熱爐設(shè)計(jì)、優(yōu)化低溫?zé)崂梅桨傅纫幌盗械墓?jié)能措施，使對(duì)二甲苯分離、二甲苯異構(gòu)化、二甲苯分餾等單元的設(shè)計(jì)產(chǎn)品能耗僅為5 190.9 MJ/t。與同類裝置相比，能耗顯著降低，能耗水平國(guó)內(nèi)領(lǐng)先。

表6 不同時(shí)期設(shè)計(jì)的對(duì)二甲苯裝置加熱爐熱效率和節(jié)能措施

3.2 加熱爐優(yōu)化設(shè)計(jì)

燃料消耗在對(duì)二甲苯裝置能耗中的占比最大，因此降低加熱爐的排煙溫度、提高加熱爐的熱效率、減少燃料消耗是對(duì)二甲苯裝置降低能耗的首要措施。目前，多數(shù)國(guó)內(nèi)同類裝置是基于加熱爐熱效率為92%設(shè)計(jì)的；而舉例裝置在保證工藝平穩(wěn)運(yùn)行的基礎(chǔ)上，最大限度地回收煙氣余熱，加熱爐設(shè)計(jì)基于“95+”的設(shè)計(jì)技術(shù)，使加熱爐熱效率超過(guò)95%，能耗指標(biāo)達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平[2]。

舉例裝置包括3臺(tái)二甲苯塔重沸爐(A，B，C)、1臺(tái)重芳烴塔重沸爐、1臺(tái)歧化反應(yīng)加熱爐、1臺(tái)異構(gòu)化反應(yīng)加熱爐和2套煙氣余熱回收系統(tǒng)。其中，二甲苯塔重沸爐、歧化反應(yīng)加熱爐、異構(gòu)化反應(yīng)加熱爐為立式加熱爐，重芳烴塔重沸爐為輻射-對(duì)流型圓筒爐。加熱爐對(duì)流段煙氣經(jīng)余熱回收系統(tǒng)處理后通過(guò)煙囪排至大氣中。表7為舉例裝置加熱爐的設(shè)計(jì)熱負(fù)荷及燃料消耗情況。從表7可以看出，該裝置中各加熱爐的設(shè)計(jì)熱負(fù)荷總和為348.209 MW，燃料消耗量總和為28.336 t/h，燃料利用率明顯高于同類裝置。

表7 舉例裝置加熱爐的設(shè)計(jì)熱負(fù)荷與燃料消耗情況

在舉例裝置設(shè)計(jì)時(shí)，加熱爐提供的熱量在加熱自身的工藝物料外，其對(duì)流段的余熱優(yōu)先用于其他工藝物料的加熱。例如：二甲苯塔重沸爐對(duì)流段余熱用于加熱異構(gòu)化單元物料，歧化反應(yīng)加熱爐和異構(gòu)化反應(yīng)加熱爐對(duì)流段余熱用于加熱塔底重沸物料等；對(duì)流段煙氣在加熱工藝物料后，利用先進(jìn)的回收技術(shù)對(duì)余熱進(jìn)行回收，使加熱爐的排煙溫度大幅降低至85 ℃后由煙囪排放。經(jīng)過(guò)以上優(yōu)化設(shè)計(jì)，加熱爐熱效率可達(dá)95%以上。

以舉例裝置的熱負(fù)荷為例，若加熱爐熱效率基于92%設(shè)計(jì)，則對(duì)應(yīng)的燃料消耗為29.265 t/h，比加熱爐熱效率基于95%設(shè)計(jì)時(shí)多消耗天然氣燃料7 800 t/a。若天然氣價(jià)格按3 000元/t計(jì)算，則加熱爐熱效率基于95%設(shè)計(jì)時(shí)比基于92%設(shè)計(jì)可節(jié)省燃料費(fèi)用2 340萬(wàn)元/a，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3.3 低溫?zé)崂梅桨竷?yōu)化

對(duì)二甲苯裝置流程長(zhǎng)、循環(huán)物料多、分餾塔多，因而塔頂冷凝器交換熱量也多。大部分冷凝交換低溫余熱因品位較低(80～150 ℃)，難以在裝置內(nèi)部得到利用，只能采用空冷器或水冷卻器(簡(jiǎn)稱水冷器)冷卻。因此，對(duì)二甲苯裝置能耗高，低溫?zé)岬貌坏接行Ю檬侵匾蛑籟3]。

3.3.1 低溫?zé)岚l(fā)生蒸汽方案優(yōu)化

基于低溫?zé)犭y以有效利用的問(wèn)題，在舉例裝置的設(shè)計(jì)過(guò)程中嘗試將低溫余熱用于發(fā)生蒸汽。舉例裝置共有107臺(tái)換熱器，26個(gè)蒸汽用戶，因而設(shè)置了高壓(3.5 MPa)、次高壓(1.8 MPa)、中壓(1.2 MPa)、低壓(0.6 MPa)4個(gè)等級(jí)蒸汽管網(wǎng)，滿足各種加熱物料的需求。這4個(gè)壓力等級(jí)的蒸汽管網(wǎng)間設(shè)有降溫減壓器，用于平衡管網(wǎng)間的蒸汽用量波動(dòng)，保證用戶平穩(wěn)利用蒸汽。裝置內(nèi)的蒸汽缺口由界區(qū)外來(lái)的3.5 MPa蒸汽給予補(bǔ)充，這樣也為全裝置蒸汽管網(wǎng)的穩(wěn)定提供了保障。在正常操作時(shí)，僅需界區(qū)外補(bǔ)充53.6 t/h的3.5 MPa蒸汽即可滿足舉例裝置的蒸汽需求。

抽余液塔和抽出液塔是對(duì)二甲苯裝置中的2個(gè)大型精餾塔，進(jìn)料組成波動(dòng)小，操作相對(duì)穩(wěn)定，不生產(chǎn)最終產(chǎn)品，塔頂冷凝熱多，非常適合發(fā)生穩(wěn)定的蒸汽，由此給蒸汽管網(wǎng)帶來(lái)的波動(dòng)可控。當(dāng)然，蒸汽發(fā)生器的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，通過(guò)結(jié)構(gòu)性優(yōu)化保證蒸汽不會(huì)進(jìn)入工藝介質(zhì)的方案已經(jīng)得到工業(yè)應(yīng)用并運(yùn)行多年[4]。

(1)針對(duì)對(duì)二甲苯裝置中的抽出液塔，常規(guī)設(shè)計(jì)采用空冷器冷卻塔頂物料，操作壓力為0.03 MPa，溫度為148 ℃左右；優(yōu)化設(shè)計(jì)采用加壓操作方案，操作壓力調(diào)整至0.49 MPa，塔頂溫度升至219 ℃左右。優(yōu)化設(shè)計(jì)后，抽出液塔塔頂冷凝交換熱可以發(fā)生1.2 MPa蒸汽，蒸汽量為89.2 t/h，滿足裝置內(nèi)甲苯塔蒸汽重沸器、脫庚烷塔蒸汽重沸器等3個(gè)用戶使用。

(2)針對(duì)對(duì)二甲苯裝置中的抽余液塔，優(yōu)化設(shè)計(jì)同樣采用加壓操作方案，操作壓力由常規(guī)設(shè)計(jì)的0.03 MPa調(diào)整至0.23 MPa，塔頂溫度由常規(guī)設(shè)計(jì)的150 ℃左右升至190 ℃左右。優(yōu)化設(shè)計(jì)后，抽余液塔塔頂冷凝交換熱可發(fā)生0.6 MPa蒸汽，蒸汽量為254.2 t/h，可滿足裝置內(nèi)歧化循環(huán)氫壓縮機(jī)、重整油分餾塔進(jìn)料蒸汽加熱器、歧化穩(wěn)定塔蒸汽重沸器、歧化汽提塔重沸器、苯塔蒸汽重沸器、異構(gòu)化汽提塔蒸汽重沸器等6個(gè)用戶使用需求，消耗蒸汽量約為145.7 t/h；其余約108.5 t/h的蒸汽送至蒸汽壓縮系統(tǒng)提高蒸汽品質(zhì)，為更多用戶提供熱量。

因此，通過(guò)優(yōu)化舉例裝置精餾塔操作參數(shù)設(shè)計(jì)，利用塔頂冷凝交換熱發(fā)生低壓蒸汽，為裝置內(nèi)多個(gè)蒸汽用戶提供熱源，大大提高了低溫?zé)岬睦眯?，減少了空冷器的使用臺(tái)數(shù)，對(duì)二甲苯裝置的節(jié)能降耗作用明顯。

3.3.2 蒸汽壓縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在常規(guī)設(shè)計(jì)中，芳烴抽提單元常將3.5 MPa蒸汽降溫減壓后用于塔底重沸器加熱物料，而白土精制塔進(jìn)料加熱器常采用3.5 MPa蒸汽或高溫工藝物料進(jìn)行加熱。

優(yōu)化低溫?zé)岚l(fā)生蒸汽設(shè)計(jì)后，為充分利用抽余液塔塔頂冷凝交換熱發(fā)生的0.6 MPa蒸汽，舉例裝置特別設(shè)計(jì)了蒸汽壓縮系統(tǒng)，采用三段離心式蒸汽壓縮機(jī)將富余蒸汽升壓至1.8 MPa，滿足抽提蒸餾塔重沸器、非芳烴溶劑回收塔重沸器、回收塔重沸器、溶劑再生塔重沸器、重整油白土塔蒸汽加熱器、歧化穩(wěn)定塔白土塔進(jìn)料加熱器、抽提混合芳烴白土塔進(jìn)料蒸汽加熱器、脫庚烷塔蒸汽加熱器、異構(gòu)化白土塔進(jìn)料蒸汽加熱器等9個(gè)用戶使用。

蒸汽壓縮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)讓裝置自產(chǎn)的低壓蒸汽轉(zhuǎn)化為次高壓蒸汽，替代原有外來(lái)高壓蒸汽，讓更多加熱設(shè)備多了一種蒸汽熱源選擇[5]。

3.3.3 熱水制冷方案設(shè)計(jì)

在舉例裝置中，重整油分餾塔塔頂溫度約為131 ℃，其余熱部分由除鹽水冷凝回收。根據(jù)用戶需要，換熱后除鹽水的溫度約為110 ℃，產(chǎn)出量約為746.2 t/h。換熱后的除鹽水由裝置外的制冷單元制冷，得到溫度為5 ℃的冷凍水。這部分冷凍水除滿足對(duì)二甲苯裝置用量(268.8 t/h)外，其余供應(yīng)其他冷凍水用戶。

根據(jù)用戶需要，舉例裝置只回收了部分低溫余熱，制備了產(chǎn)量為746.2 t/h的110 ℃熱水，用于生產(chǎn)5 ℃的冷水。如果進(jìn)一步提高熱水的產(chǎn)出，預(yù)計(jì)產(chǎn)出量可超過(guò)1 200 t/h。此外，隨著熱水制冷技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)二甲苯裝置分餾塔塔頂余熱用于熱水制冷的方案將會(huì)服務(wù)于更多用冷裝置，對(duì)二甲苯裝置的能耗會(huì)進(jìn)一步降低。

3.3.4 其他優(yōu)化設(shè)計(jì)

(1)舉例裝置在二甲苯異構(gòu)化單元采用乙苯轉(zhuǎn)化為苯技術(shù)。與乙苯轉(zhuǎn)化為對(duì)二甲苯技術(shù)相比，乙苯轉(zhuǎn)化為苯的單程轉(zhuǎn)化率更高，可使裝置循環(huán)進(jìn)料中的乙苯含量大幅下降，從而明顯降低對(duì)二甲苯分離、C8芳烴異構(gòu)化、C8芳烴分離等裝置的處理量，大幅降低裝置能耗。例如：當(dāng)異構(gòu)化反應(yīng)循環(huán)進(jìn)料中乙苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)從16.7%降至12.6%時(shí)，生產(chǎn)對(duì)二甲苯的能耗可降低536.7 MJ/t[6]。

(2)舉例裝置的對(duì)二甲苯產(chǎn)量為1 500 kt/a、苯產(chǎn)量為694.6 kt/a、混合二甲苯產(chǎn)量為254.7 kt/a。其中，生產(chǎn)混合二甲苯的能耗約為242.8 MJ/t。此外，作為舉例裝置原料之一的裂解汽油C8+餾分有217.4 kt/a，其中不適合歧化的重芳烴組分為30.2 kt/a，而脫除這部分重芳烴組分的能耗約為221.9 MJ/t。上述兩項(xiàng)能耗合計(jì)為464.7 MJ/t。與同類對(duì)二甲苯裝置相比，這部分能耗屬于舉例裝置的額外能耗；若不考慮這部分能耗，對(duì)二甲苯分離、二甲苯異構(gòu)化、二甲苯分餾等3個(gè)單元的產(chǎn)品能耗僅為4 726.2 MJ/t，說(shuō)明其優(yōu)化節(jié)能設(shè)計(jì)效果更好。

4 結(jié) 論

優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)二甲苯裝置內(nèi)大型精餾塔的操作條件、充分利用塔頂冷凝交換熱、深度整合裝置低溫?zé)崂梅桨?，?duì)裝置節(jié)能降耗作用顯著。

舉例裝置基于“95+”的技術(shù)改進(jìn)加熱爐設(shè)計(jì)，最大限度地回收煙氣余熱，使加熱爐熱效率超過(guò)95%，明顯高于常規(guī)設(shè)計(jì)值(92%)，可節(jié)省燃料費(fèi)用2 340萬(wàn)元/a；通過(guò)采用低溫?zé)岚l(fā)生蒸汽技術(shù)，1.2 MPa蒸汽產(chǎn)出量為89.2 t/h、0.6 MPa蒸汽產(chǎn)出量為254.2 t/h，而且余熱采用蒸汽壓縮后可得1.8 MPa蒸汽，滿足多個(gè)蒸汽用戶需求；采用低溫?zé)嶂茻崴?，可制得?10 ℃熱水量為746.2 t/h，通過(guò)提高熱水產(chǎn)出量及利用先進(jìn)熱水制冷等技術(shù)，制備的冷凍水除滿足裝置自身需求外，還可服務(wù)于更多的用冷裝置；通過(guò)整體優(yōu)化設(shè)計(jì)，使對(duì)二甲苯分離、二甲苯異構(gòu)化、二甲苯分餾3個(gè)單元的產(chǎn)品能耗僅為5 190.9 MJ/t，與同類裝置相比大幅降低。

綜上所述，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)二甲苯裝置的操作條件和采用高效、環(huán)保的節(jié)能措施，對(duì)二甲苯裝置越來(lái)越節(jié)能。