200 kt/a煤制乙二醇裝置蒸汽平衡核算及優(yōu)化

郭志強(qiáng)

(新鄉(xiāng)中新化工有限責(zé)任公司，河南 獲嘉 453800)

0 引 言

新鄉(xiāng)永金化工有限公司(簡(jiǎn)稱永金化工)200 kt/a煤制乙二醇裝置采用草酸酯催化加氫制乙二醇工藝，于2012年3月29日成功投產(chǎn)；所需8.8 MPa、1.7 MPa、1.0 MPa、0.5 MPa四個(gè)等級(jí)的蒸汽分別由界外9.8 MPa、2.5 MPa(1.7 MPa蒸汽、1.0 MPa蒸汽均由2.5 MPa蒸汽減壓而得)、0.6 MPa等級(jí)蒸汽管網(wǎng)供給，界內(nèi)蒸汽主要為汽輪機(jī)(C201)1.7 MPa背壓蒸汽減壓產(chǎn)生。飽和蒸汽有關(guān)物理參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 飽和蒸汽有關(guān)物理參數(shù)

由于工藝設(shè)計(jì)方面存在一些不足等，實(shí)際生產(chǎn)中，永金化工乙二醇裝置經(jīng)常出現(xiàn)1.7 MPa蒸汽放空而0.5 MPa蒸汽供應(yīng)不足的情況，蒸汽管網(wǎng)各等級(jí)蒸汽的供需不平衡，不僅造成浪費(fèi)，而且不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。為此，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)熱量衡算，計(jì)算出各用戶的蒸汽需求量，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行工藝優(yōu)化，以助力系統(tǒng)的蒸汽供需平衡，降低乙二醇的生產(chǎn)成本。以下對(duì)有關(guān)情況作一簡(jiǎn)介。

1 0.2 MPa蒸汽系統(tǒng)供需平衡

0.2 MPa蒸汽主要來(lái)源為0.5 MPa蒸汽經(jīng)閥門(mén)減壓以及羰化反應(yīng)副產(chǎn)、脫氫反應(yīng)副產(chǎn)，0.2 MPa蒸汽用戶為草酸酯精餾塔(T202)和溴化鋰制冷機(jī)組。

1.1 羰化反應(yīng)系統(tǒng)0.2 MPa蒸汽產(chǎn)量

乙二醇裝置100%負(fù)荷下CO的加入量為20 000 m3/h(標(biāo)態(tài)，下文無(wú)特別說(shuō)明處均為標(biāo)態(tài))，10%負(fù)荷下CO加入量為2 000 m3/h，即10%負(fù)荷下的羰化反應(yīng)熱Q羰化=2000×1000/(22.4×2)×173.35=7 738 839 kJ/h，0.2 MPa蒸汽汽化熱(Q汽化)為2 204.6 kJ/kg，則乙二醇裝置10%負(fù)荷下羰化反應(yīng)熱副產(chǎn)0.2 MPa蒸汽量m=Q羰化/Q汽化=7738839/2204.6=3 510.3 kg/h≈3.51 t/h。

乙二醇合成系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)較多，CO含量約45%、N2含量約20%，且CH3ONO(MN)、NO等物性數(shù)據(jù)難以查出，而N2和CO的比熱容相近，簡(jiǎn)化處理，假設(shè)乙二醇合成系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)全部為N2，羰化反應(yīng)預(yù)熱器(E109)出口溫度100 ℃，羰化反應(yīng)器(R201)出口溫度133 ℃，循環(huán)氣量180 000 m3/h，循環(huán)氣的定容比熱容Cv=0.741 kJ/(kg·℃)。循環(huán)氣吸熱量Q循環(huán)=m×Cv×△T=180000×0.741/22.4×28×(133-100)=5 501 924 kJ/h，循環(huán)氣吸熱量折合0.2 MPa蒸汽量m循環(huán)=Q循環(huán)/Q汽化=5501924/2204.6=2 495.65 kg/h≈2.50 t/h，即循環(huán)氣移熱量相當(dāng)于0.2 MPa蒸汽2.50 t/h。

據(jù)上述計(jì)算，10%負(fù)荷下羰化反應(yīng)系統(tǒng)凈副產(chǎn)0.2 MPa蒸汽量為3.51-2.50=1.01 t/h。采用同樣的計(jì)算方法可得出不同負(fù)荷下羰化反應(yīng)系統(tǒng)副產(chǎn)0.2 MPa蒸汽量，見(jiàn)表2。

表2 羰化反應(yīng)系統(tǒng)副產(chǎn)0.2 MPa蒸汽量

1.2 脫氫反應(yīng)系統(tǒng)0.2 MPa蒸汽產(chǎn)量

乙二醇裝置10%負(fù)荷下原料氣CO的加入量為2 000 m3/h，脫氫前原料氣CO中的H2含量為0.25%(體積分?jǐn)?shù)，下同)，脫氫后原料氣CO中的H2含量為0.02%，脫氫反應(yīng)的H2反應(yīng)量=2000×(0.25%-0.02%)=4.6 m3/h，則脫氫反應(yīng)熱Q脫氫=4.6×1000/(22.4×2)×483.6=49 655 kJ/h，0.2 MPa蒸汽的汽化熱為2 204.6 kJ/kg，則10%負(fù)荷下脫氫反應(yīng)系統(tǒng)副產(chǎn)0.2 MPa蒸汽量m脫氫=Q脫氫/Q汽化=49655/2204.6=22.52 kg/h≈0.023 t/h。

采用同樣的計(jì)算方法，可得出不同負(fù)荷下脫氫反應(yīng)系統(tǒng)副產(chǎn)0.2 MPa蒸汽量，見(jiàn)表3。

表3 脫氫反應(yīng)系統(tǒng)副產(chǎn)0.2 MPa蒸汽量

1.3 草酸酯精餾塔蒸汽耗量

當(dāng)乙二醇裝置負(fù)荷大于10%后，草酸酯精餾塔(T202)進(jìn)料組分和進(jìn)料量不再變化，亦即T202再沸器0.2 MPa蒸汽耗量不再變化，耗量約為10 t/h。

1.4 溴化鋰制冷機(jī)組蒸汽耗量

單臺(tái)溴化鋰制冷機(jī)組額定蒸汽消耗量10 t/h，乙二醇裝置100%負(fù)荷下(日產(chǎn)乙二醇600 t)，溴化鋰制冷機(jī)組需運(yùn)行2臺(tái)才可滿足工況所需，蒸汽耗量約為20 t/h。

1.5 0.2 MPa蒸汽系統(tǒng)供需平衡情況

據(jù)上述0.2 MPa蒸汽系統(tǒng)熱量衡算，乙二醇裝置100%負(fù)荷下副產(chǎn)0.2 MPa蒸汽總量約32.60+0.225=32.825 t/h(含羰化、脫氫)，而0.2 MPa蒸汽原始設(shè)計(jì)的用戶為溴化鋰制冷機(jī)組和草酸酯精餾塔再沸器，合計(jì)這兩個(gè)用戶0.2 MPa蒸汽用量約30 t/h，即0.2 MPa蒸汽富余32.825-30=2.825 t/h，供需不平衡，造成羰化反應(yīng)器汽包副產(chǎn)的0.2 MPa蒸汽放空，導(dǎo)致能源浪費(fèi)。

2 0.5 MPa蒸汽系統(tǒng)供需平衡

0.5 MPa蒸汽管網(wǎng)蒸汽來(lái)源為界外0.6 MPa蒸汽、加氫反應(yīng)副產(chǎn)、精餾區(qū)1.7 MPa閃蒸罐副產(chǎn)、反應(yīng)區(qū)(包括乙二醇裝置脫氫、酯化、羰化、加氫單元，下同)1.7 MPa閃蒸罐副產(chǎn)、反應(yīng)區(qū)4.2 MPa閃蒸罐副產(chǎn)，0.5 MPa蒸汽用戶為羰化反應(yīng)預(yù)熱器、草酸酯加氫預(yù)熱器、甲醇精餾塔再沸器、脫醇塔A再沸器、脫氫預(yù)熱器、雙酯分離塔再沸器。

2.1 草酸酯加氫反應(yīng)系統(tǒng)0.5 MPa蒸汽產(chǎn)量

乙二醇裝置單套草酸酯加氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)循環(huán)H2量為450 000 m3/h(生產(chǎn)控制中，草酸酯加氫系統(tǒng)循環(huán)H2量保持不變，與系統(tǒng)負(fù)荷無(wú)關(guān))，氫氣的比熱容為14.3 kJ/(kg·℃)，為提升草酸酯在加氫反應(yīng)器床層反應(yīng)效率，加氫反應(yīng)器入口氣溫度控制高于加氫反應(yīng)器汽包控制溫度，當(dāng)溫差為1 ℃時(shí)，單套加氫系統(tǒng)因加氫反應(yīng)器入口氣預(yù)熱帶來(lái)的熱量為(450000×2×14.3×1)/22.4=574 553 kJ/h，0.5 MPa蒸汽的汽化熱為2 113.2 kJ/kg，則單套加氫系統(tǒng)因溫差放熱副產(chǎn)0.5 MPa蒸汽量為574553/2113.2=272 kg/h=0.272 t/h；實(shí)際生產(chǎn)中，經(jīng)預(yù)熱后加氫反應(yīng)器入口氣溫度168 ℃，加氫反應(yīng)器副產(chǎn)蒸汽溫度158 ℃，溫差10 ℃，則2套加氫系統(tǒng)因溫差放熱副產(chǎn)0.5 MPa蒸汽0.272×10×2=5.44 t/h。

乙二醇裝置100%負(fù)荷下加O2量為5 000 m3/h，10%負(fù)荷下加O2量500 m3/h、加H2量為4 000 m3/h，加氫反應(yīng)熱Q加氫=4000×1000/(22.4×4)×92.42=4 125 892 kJ/h，0.5 MPa蒸汽的汽化熱為2113.2 kJ/kg，則10%負(fù)荷下加氫反應(yīng)熱可副產(chǎn)0.5 MPa蒸汽量m′=Q加氫/Q汽化=4125892/2113.2=1 952 kg/h≈1.95 t/h。

據(jù)上述計(jì)算，10%負(fù)荷下草酸酯加氫反應(yīng)系統(tǒng)副產(chǎn)0.5 MPa蒸汽量=5.44+1.95=7.39 t/h。采用同樣的計(jì)算方法可得出不同負(fù)荷下加氫反應(yīng)系統(tǒng)副產(chǎn)0.5 MPa蒸汽量，見(jiàn)表4。

表4 加氫反應(yīng)系統(tǒng)副產(chǎn)0.5 MPa蒸汽量

2.2 1.7 MPa閃蒸罐0.5 MPa蒸汽產(chǎn)量

乙二醇裝置100%負(fù)荷下，1.7 MPa蒸汽耗量約為脫醇塔C 7 t/h、脫脂塔28 t/h、脫重塔再沸器1.5 t/h、產(chǎn)品精餾塔17.5 t/h、加氫預(yù)熱器30 t/h，則進(jìn)入1.7 MPa蒸汽緩沖罐凝液量約84 t/h，1.7 MPa蒸汽冷凝液減壓為0.5 MPa蒸汽冷凝液的同時(shí)可副產(chǎn)一定量的0.5 MPa蒸汽。

設(shè)1.7 MPa蒸汽冷凝液減壓為0.5 MPa蒸汽冷凝液過(guò)程中副產(chǎn)0.5 MPa蒸汽量為m，則據(jù)熱量守恒及飽和蒸汽有關(guān)物理參數(shù)，可得算式870.58×84=639.59×(84-m)+2752.8×m，則m=9.18 t/h，即100%負(fù)荷下1.7 MPa蒸汽緩沖罐內(nèi)84 t/h蒸汽冷凝液減壓閃蒸可得0.5 MPa蒸汽9.18 t/h。

2.3 羰化反應(yīng)預(yù)熱器蒸汽耗量

乙二醇合成系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)較多，CO含量約45%、N2含量約20%，且CH3ONO(MN)、NO等物性數(shù)據(jù)難以查出，而N2和CO的比熱容相近，簡(jiǎn)化處理，假設(shè)乙二醇合成系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)全部為N2，羰化反應(yīng)預(yù)熱器(E109)進(jìn)口溫度30 ℃、出口溫度100 ℃，循環(huán)氣量180 000 m3/h，循環(huán)氣的定容比熱容Cv=0.741 kJ/(kg·℃)。循環(huán)氣吸熱量Q循環(huán)′=m×Cv×△T=180000×0.741/22.4×28×(100-30)=11 670 750 kJ/h，0.5 MPa蒸汽的汽化熱2 113.2 kJ/kg，循環(huán)氣吸熱量折合0.5 MPa蒸汽量m循環(huán)′=Q循環(huán)′/Q汽化′=11670750/2113.2=5 536 kg/h≈5.5 t/h，即循環(huán)氣吸熱量相當(dāng)于0.5 MPa蒸汽5.5 t/h。

2.4 草酸酯加氫預(yù)熱器蒸汽耗量

草酸酯加氫預(yù)熱器通過(guò)0.5 MPa蒸汽將草酸酯預(yù)熱至100 ℃,100%負(fù)荷下草酸酯加氫預(yù)熱器0.5 MPa蒸汽耗量為14 t/h。

2.5 精餾區(qū)0.5 MPa蒸汽耗量

精餾區(qū)0.5 MPa蒸汽用戶為脫醇塔A、脫水塔、甲醇精餾塔，100%負(fù)荷下上述用戶0.5 MPa蒸汽用量分別為2 t/h、4 t/h、28 t/h，合計(jì)精餾區(qū)0.5 MPa蒸汽耗量為34 t/h。

2.6 0.5 MPa蒸汽系統(tǒng)供需平衡情況

據(jù)上述0.5 MPa蒸汽系統(tǒng)熱量衡算，乙二醇裝置100%負(fù)荷下副產(chǎn)0.5 MPa蒸汽總量約25.01+9.18=34.19 t/h，精餾區(qū)0.5 MPa蒸汽耗量為34 t/h，羰化反應(yīng)預(yù)熱器0.5 MPa蒸汽耗量5.5 t/h,草酸酯加氫預(yù)熱器0.5 MPa蒸汽耗量14 t/h，脫氫預(yù)熱器、雙酯分離塔再沸器0.5 MPa蒸汽耗量很少，忽略不計(jì)，則0.5 MPa蒸汽供應(yīng)缺口約34.19-34-5.5-14=-19.31 t/h，需要從界外引入0.5 MPa蒸汽約19.31 t/h。

3 1.7 MPa蒸汽系統(tǒng)供需平衡

1.7 MPa蒸汽管網(wǎng)蒸汽主要來(lái)源為汽輪機(jī)背壓蒸汽(8.8 MPa)和界外管網(wǎng)來(lái)，1.7 MPa蒸汽用戶為加氫預(yù)熱器、脫醇塔C再沸器、脫脂塔再沸器、脫重塔再沸器、產(chǎn)品精餾塔再沸器。

3.1 汽輪機(jī)系統(tǒng)1.7 MPa蒸汽產(chǎn)量

8.8 MPa蒸汽焓值為3 461.7 kJ/kg、耗量為80 t/h，1.7 MPa背壓蒸汽焓值為2 797.1 kJ/kg。據(jù)蒸汽焓值估算汽輪機(jī)背壓蒸汽減溫水量M，列式80×3461.7=(M+80)×2797.1，得M=19 t/h，即汽輪機(jī)背壓過(guò)熱蒸汽經(jīng)除氧水噴淋后減溫減壓可得1.7 MPa飽和蒸汽量80+19=99 t/h。

3.2 加氫預(yù)熱器1.7 MPa蒸汽耗量

加氫系統(tǒng)循環(huán)氣預(yù)熱器(E307、E307B、E305)加熱用1.7 MPa蒸汽，加熱蒸汽的作用是汽化DMO和甲醇以及循環(huán)氫氣升溫(顯熱)。

甲醇汽化潛熱1 109 kJ/kg、DMO汽化潛熱805.5 kJ/kg，1.7 MPa飽和蒸汽焓值為2 797.1 kJ/kg，150 ℃蒸汽凝液焓值為632 kJ/kg，則1 t DMO汽化需1.7 MPa飽和蒸汽m1=805.5×1000÷(2797.1-632)=372 kg、1 t甲醇汽化需1.7 MPa飽和蒸汽m2=1109×1000÷(2797.1-632)=512.2 kg，加氫預(yù)熱器進(jìn)料DMO占65%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))、甲醇占35%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，則汽化1 t甲醇與DMO混合溶液的1.7 MPa飽和蒸汽耗量m3=65%×372+35%×512.2=421.07 kg。

采用同樣的計(jì)算方法，可得出不同負(fù)荷下加氫預(yù)熱器1.7 MPa蒸汽耗量，見(jiàn)表5。

表5 加氫預(yù)熱器1.7 MPa蒸汽耗量

3.3 精餾區(qū)再沸器1.7 MPa蒸汽耗量

精餾區(qū)1.7 MPa蒸汽用戶為脫醇塔C再沸器、脫脂塔再沸器、脫重塔再沸器、產(chǎn)品精餾塔再沸器，100%負(fù)荷下上述用戶1.7 MPa蒸汽耗量分別為7 t/h、28 t/h、1.5 t/h、17.5 t/h，合計(jì)精餾區(qū)1.7 MPa蒸汽耗量為54 t/h。

3.4 1.7 MPa蒸汽系統(tǒng)供需平衡情況

乙二醇裝置100%負(fù)荷下，界內(nèi)副產(chǎn)1.7 MPa蒸汽量為99 t/h，界內(nèi)1.7 MPa蒸汽用戶消耗量為30.8+54=84.8 t/h，1.7 MPa蒸汽富余14.2 t/h，無(wú)法送至界外，在汽輪機(jī)背壓蒸汽管線處放空，造成1.7 MPa蒸汽浪費(fèi)，且放空噪音過(guò)大，危害員工身心健康。

4 乙二醇裝置蒸汽供需優(yōu)化

由于部分蒸汽用戶沒(méi)有流量計(jì)計(jì)量，依據(jù)乙二醇裝置區(qū)內(nèi)實(shí)際的蒸汽供需數(shù)據(jù)，并結(jié)合理論測(cè)算值，對(duì)乙二醇界區(qū)的蒸汽供需量進(jìn)行計(jì)算，裝置100%負(fù)荷下，0.2 MPa蒸汽富余量約2.825 t/h，0.5 MPa蒸汽需要從界外引入約19.31 t/h，1.7 MPa蒸汽富余約14.2 t/h?？傊鐓^(qū)內(nèi)0.5 MPa蒸汽不足，需要從界外引入，而0.2 MPa蒸汽、1.7 MPa蒸汽大量放空，造成能源浪費(fèi)。

為解決上述問(wèn)題，將部分富余1.7 MPa蒸汽減溫減壓后送至0.5 MPa蒸汽管網(wǎng)，可解決1.7 MPa蒸汽富余問(wèn)題，并部分解決0.5 MPa蒸汽供應(yīng)不足問(wèn)題；經(jīng)分析與論證，羰化反應(yīng)預(yù)熱器(E109)預(yù)熱后溫度需達(dá)100 ℃，0.2 MPa管網(wǎng)蒸汽溫度為120 ℃，滿足工藝需求，將羰化反應(yīng)預(yù)熱器(E109)所用0.5 MPa蒸汽改為0.2 MPa蒸汽，可解決0.2 MPa蒸汽富余問(wèn)題，并為0.5 MPa蒸汽管網(wǎng)減負(fù)。

4.1 E109改用0.2 MPa蒸汽后供需情況

乙二醇合成系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)較多，CO含量約45%、N2含量約20%，且CH3ONO(MN)、NO等物性數(shù)據(jù)難以查出，N2和CO的比熱容相近，簡(jiǎn)化處理，假設(shè)乙二醇合成系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)全部為N2，羰化反應(yīng)預(yù)熱器(E109)進(jìn)口溫度30 ℃、出口溫度100 ℃，循環(huán)氣量180 000 m3/h，循環(huán)氣定容比熱容Cv=0.741 kJ/(kg·℃)。循環(huán)氣吸熱量Q循環(huán)=m×Cv×△T=180000×0.741/22.4×28×(100-30)=11 670 750 kJ/h，0.2 MPa蒸汽的汽化熱為2 204.6 kJ/kg，則羰化反應(yīng)預(yù)熱器(E109)0.2 MPa蒸汽耗量m=Q循環(huán)/Q汽化=11670750/2204.6=5 293 kg/h≈5.3 t/h，即羰化反應(yīng)預(yù)熱器(E109)改用0.2 MPa蒸汽后，0.2 MPa蒸汽耗量增加5.3 t/h，也就是說(shuō)，技改后100%負(fù)荷下0.2 MPa蒸汽耗量為30+5.3=35.3 t/h，0.2 MPa蒸汽不再放空，需0.5 MPa蒸汽減壓為0.2 MPa蒸汽35.3-32.825=2.475 t/h；羰化反應(yīng)預(yù)熱器(E109)改用0.2 MPa蒸汽，0.5 MPa蒸汽可少用5.5-2.475=3.025 t/h，如此一來(lái)，不僅0.5 MPa蒸汽供應(yīng)缺口可減至19.31-3.025=16.285 t/h，且可解決乙二醇合成系統(tǒng)副產(chǎn)蒸汽并網(wǎng)難的問(wèn)題。

4.2 增設(shè)減溫減壓器后1.7 MPa蒸汽供需情況

1.7 MPa蒸汽焓值為2 797.1 kJ/kg，100%負(fù)荷下1.7 MPa蒸汽富余量為14.2 t/h，減壓為0.5 MPa飽和蒸汽，0.5 MPa飽和蒸汽焓值為2 752.8 kJ/kg，據(jù)焓值估算蒸汽減溫水量(V)，可列式14.2×2797.1=(V+14.2)×2752.8，得V=0.23 t/h，即100%負(fù)荷下富余的1.7 MPa蒸汽減溫減壓后0.5 MPa蒸汽管網(wǎng)蒸汽可增加14.2+0.23=14.43 t/h，如此一來(lái)，0.5 MPa蒸汽供應(yīng)缺口可進(jìn)一步減至16.285-14.43=1.855 t/h，由界外供給。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于乙二醇裝置區(qū)內(nèi)的蒸汽供需實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)熱量衡算，計(jì)算出各壓力等級(jí)蒸汽的需求量，在此基礎(chǔ)上對(duì)蒸汽供需進(jìn)行優(yōu)化：系統(tǒng)100%負(fù)荷下，通過(guò)將部分1.7 MPa蒸汽減溫減壓送至0.5 MPa蒸汽管網(wǎng)，可解決1.7 MPa蒸汽富余問(wèn)題——減少1.7 MPa蒸汽放空約14.2 t/h；通過(guò)將羰化反應(yīng)預(yù)熱器(E109)所用0.5 MPa蒸汽改為0.2 MPa蒸汽，可解決0.2 MPa蒸汽富余問(wèn)題——減少0.2 MPa蒸汽放空約2.825 t/h，并為0.5 MPa蒸汽管網(wǎng)減負(fù)——減少?gòu)慕缤庖?.5 MPa蒸汽約19.31-1.855=17.455 t/h?？傊炯几耐顿Y低、操作簡(jiǎn)單，可助力各蒸汽管網(wǎng)供需平衡——系統(tǒng)100%負(fù)荷下的實(shí)際生產(chǎn)情況表明，永金化工乙二醇合成系統(tǒng)的蒸汽得以梯級(jí)利用，各壓力等級(jí)蒸汽實(shí)現(xiàn)了供需平衡，降低了乙二醇裝置的蒸汽消耗，提升了裝置的能效水平，助力了乙二醇裝置生產(chǎn)成本的降低。