煤制乙二醇常見節(jié)能設(shè)計(jì)綜述

張 鵬

(湖北化肥乙二醇部,湖北 武漢 430062)

煤制乙二醇作為我國“貧油、富煤”能源結(jié)構(gòu)條件下具有中國特色的乙二醇生產(chǎn)工藝,是實(shí)現(xiàn)煤炭清潔高效利用、提高乙二醇自給率的重要化工生產(chǎn)組成部分。通過近幾年的發(fā)展,目前國內(nèi)煤制乙二醇的產(chǎn)能達(dá)到900萬t左右,占國內(nèi)乙二醇總產(chǎn)能約40%,在國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)生活中占據(jù)重要地位。

但自去年起煤炭市場供應(yīng)緊張,煤價(jià)長期穩(wěn)定在1 000元/t以上,大多數(shù)沒有煤炭資源的煤制乙二醇企業(yè)基本均處于嚴(yán)重虧損狀態(tài)。加上不斷推出的“雙碳”、“高耗能行業(yè)能效指標(biāo)”等國家政策,煤制乙二醇企業(yè)要想求得生存、獲得效益,必須通過技術(shù)改造,降低消耗,提升能效。

一方面,煤制乙二醇裝置節(jié)能降耗要重點(diǎn)攻克催化劑長周期、高負(fù)荷運(yùn)行的技術(shù)瓶頸;另一方面,通過工藝流程優(yōu)化、技改技革等措施,做好生產(chǎn)節(jié)能優(yōu)化。以下就煤制乙二醇裝置工藝流程節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 反應(yīng)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)方案

煤制乙二醇裝置反應(yīng)系統(tǒng)主要有兩個(gè):亞硝酸甲酯與CO偶聯(lián)反應(yīng)系統(tǒng)、草酸二甲酯與氫氣加氫反應(yīng)系統(tǒng)。反應(yīng)系統(tǒng)常見的工藝流程主要是進(jìn)料加熱、催化反應(yīng)、出料冷卻分離三個(gè)過程。而對于偶聯(lián)反應(yīng)系統(tǒng),反應(yīng)產(chǎn)物氣相不經(jīng)冷卻,直接送入草酸二甲酯回收塔,相當(dāng)于提高精餾塔進(jìn)料溫度,可以有效降低精餾塔再沸器蒸汽加入量。但對草酸二甲酯加氫反應(yīng)單元而言,由于反應(yīng)系統(tǒng)壓力較高,直接送入精餾塔分離,精餾系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力需要提高等級,大大增加了裝置的投資,也不利于能量的回收利用,因此加氫反應(yīng)生成的產(chǎn)物需要通過冷卻、分離出液相產(chǎn)品后,才能送入精餾系統(tǒng)分離,因此有較多的節(jié)能優(yōu)化空間。

草酸二甲酯加氫反應(yīng)系統(tǒng)最佳節(jié)能思路主要圍繞減少進(jìn)料加熱量、回收反應(yīng)熱量、降低反應(yīng)產(chǎn)物分離冷量消耗三個(gè)方面。以下介紹常見的節(jié)能設(shè)計(jì)方案。

1.1 進(jìn)出料換熱設(shè)計(jì)

采用進(jìn)出料換熱是最常見,也是最有效回收熱量的一種節(jié)能方式。對煤制乙二醇草酸二甲酯加氫反應(yīng)單元進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),增加進(jìn)出料換熱,能夠有效利用反應(yīng)熱量降低系統(tǒng)加熱和冷卻消耗。詳細(xì)方案及流程見圖1。

圖1 進(jìn)出料換熱設(shè)計(jì)方案

(1)在反應(yīng)器出口設(shè)置進(jìn)出料換熱器,利用反應(yīng)出料對反應(yīng)原料氣進(jìn)行預(yù)熱。一方面,可以減少進(jìn)料加熱器加熱蒸汽量;另一方面,可以減少對反應(yīng)產(chǎn)物降溫冷量消耗。

(2)對反應(yīng)出料冷卻器(一)進(jìn)行改造,將分離后的液相產(chǎn)物與反應(yīng)器出料進(jìn)行換熱,利用反應(yīng)熱量進(jìn)行液相物料預(yù)熱。一方面,可以提高液相物料帶入精餾系統(tǒng)的熱量;另一方面,可以進(jìn)一步減少出料冷卻器的冷量消耗。

1.2 反應(yīng)產(chǎn)物多次分離設(shè)計(jì)

草酸二甲酯加氫后的反應(yīng)產(chǎn)物可以根據(jù)沸點(diǎn)的不同,將反應(yīng)產(chǎn)物換熱后進(jìn)行多次分離,分離出多個(gè)不同溫度、不同沸點(diǎn)組成的反應(yīng)產(chǎn)物,然后根據(jù)液相組成,分別送入相對應(yīng)的精餾塔或者某個(gè)精餾塔不同的進(jìn)料位置,可以充分利用反應(yīng)熱量,減少后續(xù)換熱器冷量消耗,但是該方案設(shè)備臺(套)數(shù)較多,需核算投資回報(bào)期長短。詳細(xì)方案及流程見圖2。

圖2 反應(yīng)產(chǎn)物多次分離設(shè)計(jì)方案

1.3 副產(chǎn)飽和蒸汽充分利用

草酸二甲酯加氫反應(yīng)器最常見的是采用列管式固定床反應(yīng)器,可以采取設(shè)置汽包自然循環(huán)或機(jī)泵強(qiáng)制循環(huán)的措施,控制床層溫度,回收反應(yīng)熱量。但由于催化劑不同階段反應(yīng)溫度的不同,會在催化劑低溫運(yùn)行期出現(xiàn)汽包產(chǎn)生的蒸汽壓力偏低、無法并入裝置原有蒸汽管網(wǎng)的情況,被迫放空或通過換熱器冷凝為冷凝液,造成蒸汽的浪費(fèi)。可以采取增設(shè)如反應(yīng)產(chǎn)物預(yù)熱器、精餾塔進(jìn)料預(yù)熱器等,對加熱效果要求不嚴(yán)格的物料進(jìn)行預(yù)熱,充分利用汽包蒸汽。如果系統(tǒng)有更低等級的蒸汽管網(wǎng),可以通過增加減壓器,降壓送至低等級蒸汽管網(wǎng)使用,或者根據(jù)壓力等級的不同,尋找合適換熱器或再沸器,采用專線供給的方式,提高汽包產(chǎn)汽的利用效率。常見的汽包副產(chǎn)飽和蒸汽利用方案見圖3。

圖3 副產(chǎn)飽和蒸汽充分利用設(shè)計(jì)方案

2 精餾系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)方案

煤制乙二醇精餾系統(tǒng)的主要作用是分離反應(yīng)生成的各種產(chǎn)物,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的分離提純。而精餾塔的運(yùn)行主要是依靠外加的熱量使液體經(jīng)過多次蒸發(fā)冷凝、傳質(zhì)傳熱,實(shí)現(xiàn)混合物的分離,是整個(gè)生產(chǎn)過程中的能耗大戶。

對于一個(gè)精餾塔來說,其熱量平衡計(jì)算公式可以簡化為:

Q再+Q進(jìn)=Q頂采+Q頂冷+Q底采

其中,Q再為再沸器的加熱量;Q進(jìn)為進(jìn)料液帶入的熱量;Q頂采為塔頂產(chǎn)品帶出的熱量;Q頂冷為塔頂冷凝器帶走的熱量;Q底采為塔底產(chǎn)品帶走的熱量。

從精餾塔的熱量平衡可以看出,要想達(dá)到精餾塔的節(jié)能目的,主要采取的手段就是減少精餾塔Q再供應(yīng),提高Q進(jìn)帶入量,回收Q頂采、Q頂冷、Q底采帶出量[1]。根據(jù)這個(gè)指導(dǎo)思路,介紹煤制乙二醇精餾系統(tǒng)常見的節(jié)能設(shè)計(jì)方案。

2.1 塔釜或側(cè)線采出產(chǎn)品熱量回收

精餾塔塔釜和側(cè)線采出物料的溫度較高,有較多可以回收的能量,而塔釜或側(cè)線采出的產(chǎn)品,除個(gè)別需要伴熱儲存外,一般均需要常溫儲存,因此,常見的設(shè)計(jì)方案是在塔釜或側(cè)線產(chǎn)品采出后,設(shè)置冷卻器進(jìn)行降溫冷卻,將塔釜或側(cè)線產(chǎn)品所攜帶的熱量轉(zhuǎn)移至循環(huán)冷卻水中。這種方案無疑造成了產(chǎn)品攜帶的能量浪費(fèi),可以將這些產(chǎn)物冷凝器改為換熱器或蒸汽發(fā)生器,回收熱量。詳細(xì)方案及流程見圖4。

(1)將塔釜或側(cè)線產(chǎn)品冷卻器改為換熱器,對精餾塔進(jìn)料或者其他的物料進(jìn)料換熱預(yù)熱,回收該部分產(chǎn)品帶出的熱量,可以達(dá)到節(jié)能的目的。

(2)將塔釜或側(cè)線產(chǎn)品冷卻器改為蒸汽發(fā)生器,回收物料熱量,產(chǎn)出飽和蒸汽回收利用。

2.2 塔頂氣相熱量回收

精餾塔內(nèi)物料要想實(shí)現(xiàn)分離,就必須依靠塔釜再沸器向系統(tǒng)內(nèi)輸入大量熱能,將液體物料加熱變成氣相,還需要塔頂冷凝器向系統(tǒng)內(nèi)輸入大量冷量,將這部分變成氣相物質(zhì)所攜帶的熱量移走,使氣相重新冷凝成為液相送回系統(tǒng),然后氣液兩相在精餾塔內(nèi)反復(fù)進(jìn)行傳質(zhì)和傳熱,實(shí)現(xiàn)提高產(chǎn)品純度,達(dá)到組分分離的目的。

在這個(gè)過程中,塔釜再沸器輸入的熱量大部分被塔頂冷凝器移出系統(tǒng),最后通過冷卻系統(tǒng)逸散在空氣中,無疑會造成能量的大量損失。因此,精餾塔節(jié)能首先要考慮回收的就是來自精餾塔塔頂氣相所攜帶的熱量。同時(shí),由于塔頂氣相在換熱時(shí)會放出大量相變熱,與精餾塔其他采出的液相產(chǎn)品相比,此處物料的熱量回收具有更大的回收價(jià)值。常見的方案及流程見圖5。

(1)對具有較高溫度的精餾塔氣相加裝蒸汽發(fā)生器,產(chǎn)生飽和蒸汽直接利用。

圖4 塔釜或側(cè)線采出產(chǎn)品熱量回收設(shè)計(jì)方案

圖5 蒸汽發(fā)生器熱量回收設(shè)計(jì)方案

(2)對具有較高溫度的精餾塔氣相增加熱水循環(huán)系統(tǒng),并串入吸收式制冷裝置(如溴化鋰機(jī)組等),用于制取冷量。常見的溴化鋰機(jī)組制取的冷凍水溫度一般在5℃左右,目前也有相關(guān)的技術(shù)可以利用熱水制取0℃以下的低溫冷凍水,如TC工質(zhì)吸收制冷技術(shù)。余熱制冷熱量回收設(shè)計(jì)方案見圖6。

(3)對于有部分精餾塔塔頂氣相采用蒸汽發(fā)生器回收熱量后,產(chǎn)出的蒸汽品級較低,無利用用戶,可以將蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的低壓蒸汽收集后,驅(qū)動(dòng)透平來開展余熱發(fā)電(見圖7)。

圖6 余熱制冷熱量回收設(shè)計(jì)方案

圖7 余熱發(fā)電熱量回收設(shè)計(jì)方案

2.3 雙效變壓精餾熱量回收

將加熱蒸汽通入第一個(gè)塔作為熱源,該塔受熱沸騰的物料蒸汽引入第二個(gè)塔再沸器作為加熱熱源的精餾過程稱為多效精餾,這其實(shí)也是一種特殊的塔頂氣相熱量回收設(shè)計(jì)方案。不過如果要采用這種流程,則要求第二個(gè)塔的物料沸點(diǎn)低于第一個(gè)塔,且第一個(gè)塔產(chǎn)生的蒸汽熱量能夠滿足第二個(gè)塔的需求,這樣第二個(gè)塔的再沸器相當(dāng)于第一個(gè)塔的冷凝器,能夠?qū)崿F(xiàn)加熱蒸汽能量的充分利用。

對煤制乙二醇裝置中甲醇和碳酸二甲酯的分離,比較適合這種雙效變壓精餾操作。常見的雙效變壓精餾方案和流程見圖8。

圖8 雙效變壓精餾熱量回收設(shè)計(jì)方案

2.4 再沸器凝液控制方案優(yōu)化

對于煤制乙二醇精餾系統(tǒng)來講,各個(gè)精餾產(chǎn)品的純度要求很高,精餾塔操作的精細(xì)度要求較高。而一般常見的精餾塔再沸器蒸汽及凝液設(shè)計(jì)方案是在蒸汽管線上設(shè)置調(diào)節(jié)閥控制蒸汽流量,在凝液管線上設(shè)置疏水器,防止蒸汽竄入凝液管網(wǎng),使用塔釜溫度與蒸汽流量串級控制方案。但是這種再沸器控制方案對疏水器質(zhì)量要求較高,當(dāng)疏水器出現(xiàn)卡澀或其他問題時(shí),將直接影響凝液正常排出,造成精餾塔溫度波動(dòng),或者大量蒸汽隨凝液排出,造成蒸汽浪費(fèi)。同時(shí)采用疏水器控制凝液排放的方案,在精餾塔開車初期升溫操作時(shí),凝液現(xiàn)場就地排放量大、開車操作復(fù)雜、人員燙傷風(fēng)險(xiǎn)高,采取對再沸器凝液控制方案進(jìn)行優(yōu)化,詳細(xì)方案及流程見圖9。

圖9 再沸器凝液控制優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

再沸器流程可以設(shè)置增加蒸汽凝液罐,將凝液罐頂部氣相與蒸汽管線相連,保持凝液罐內(nèi)壓力平衡,塔釜溫度與蒸汽流量進(jìn)行串級控制;將凝液罐液位與凝液調(diào)節(jié)閥串級控制,保持一定凝液罐液位。此方案可以最大限度充分利用再沸器換熱面積,保持控制系統(tǒng)穩(wěn)定性,消除蒸汽波動(dòng)對精餾塔工況造成的影響[2]。在調(diào)節(jié)閥選型時(shí),也盡量避免選擇蝶閥等調(diào)節(jié)性差的閥門,為后期精餾塔開展先進(jìn)控制打下基礎(chǔ),保證先進(jìn)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度。

2.5 蒸汽凝液閃蒸蒸汽回收利用

對于煤制乙二醇精餾系統(tǒng)來說,精餾塔加熱蒸汽常采用壓力大于1.0MPa的中壓蒸汽,蒸汽加熱后的凝液壓力等級高,回收后送入凝液罐會因壓力降低閃蒸出較多的低壓飽和蒸汽,由于精餾塔蒸汽耗量動(dòng)輒百噸以上,這股閃蒸出來的低壓飽和蒸汽量非?？捎^。除了采用空冷器冷凝之外,還可以將這股蒸汽分等級并入相應(yīng)的蒸汽管網(wǎng),或作為加熱效果要求不高的預(yù)熱器加熱熱源使用。詳細(xì)方案及流程見圖10。

圖10 高壓蒸汽凝液閃蒸蒸汽回收利用設(shè)計(jì)方案

如果現(xiàn)場條件允許,可以更進(jìn)一步細(xì)分蒸汽凝液,將系統(tǒng)的高壓蒸汽凝液、中壓蒸汽凝液等分類收集,高壓蒸汽凝液閃蒸蒸汽可以送入中壓蒸汽管網(wǎng),中壓蒸汽凝液閃蒸蒸汽可以送入低壓蒸汽管網(wǎng),分級回收、利用。

2.6 其他常見節(jié)能方案

2.6.1精餾塔側(cè)線采出方案

當(dāng)一個(gè)精餾塔需要獲取濃度不同的兩種或多種產(chǎn)品,或者精餾塔內(nèi)的某組分在某幾塔塊板上存在富集現(xiàn)象,為獲得該組分產(chǎn)品或消除該組分對精餾塔兩端產(chǎn)品的影響,在相應(yīng)組成的塔板上安裝液體收集內(nèi)件,增加采出口抽出產(chǎn)品。這樣的側(cè)采方案一方面相當(dāng)于減少了一個(gè)塔,另一方面也減少了該股物料繼續(xù)加熱所需的熱量,是化工生產(chǎn)較為常見的節(jié)能設(shè)計(jì)方案。常見的側(cè)線采出方案和流程見圖11。

圖11 精餾塔側(cè)線采出設(shè)計(jì)方案

煤制乙二醇裝置中的大部分產(chǎn)品如乙二醇、碳酸二甲酯、乙醇塔等,均可以采用側(cè)線采出,消除產(chǎn)品精制塔內(nèi)輕組分、重組分對產(chǎn)品純度的影響,提高產(chǎn)品純度。

2.6.2精餾塔多點(diǎn)進(jìn)料方案

當(dāng)一個(gè)精餾塔有多路組分相同、濃度不同的進(jìn)料,如果將多路物料混合后在同一個(gè)點(diǎn)進(jìn)入精餾塔,則勢必會造成分離的物料出現(xiàn)返混,增加了分離的能耗。如果將多路物料分別進(jìn)入多個(gè)精餾塔進(jìn)行分離,則勢必造成設(shè)備投資增加,分離能耗上升。如果按照組分濃度的不同,在一個(gè)塔分為多個(gè)點(diǎn)單獨(dú)進(jìn)料,將物料送至濃度組成相近的塔盤,則可以有效避免物料返混。這種精餾塔多點(diǎn)進(jìn)料方案與多股物料分別進(jìn)入多個(gè)塔相比,減少了設(shè)備投資;與多股物料混合進(jìn)入同一個(gè)塔相比,減少物料返混、能耗浪費(fèi)。常見的多點(diǎn)進(jìn)料方案和流程對比見圖12。

圖12 精餾塔多點(diǎn)進(jìn)料設(shè)計(jì)方案

2.6.3系統(tǒng)降壓操作

根據(jù)介質(zhì)的沸點(diǎn)隨壓力下降而降低的特性,同時(shí)考慮煤制乙二醇裝置中乙二醇等物質(zhì)的熱敏特性,采用降壓或真空操作,降低物料沸點(diǎn)和在塔內(nèi)的精餾分離溫度,減少物料汽化蒸汽消耗量,也是煤制乙二醇裝置常見的節(jié)能方案。

3 新興節(jié)能技術(shù)

目前,越來越多的新興節(jié)能技術(shù)被開發(fā)出來,也有很多新興節(jié)能技術(shù)也正逐步被應(yīng)用到煤制乙二醇生產(chǎn)上來,如采用徑向等溫反應(yīng)器替代目前常用的軸向列管式反應(yīng)器,這種改造可以大大降低催化劑床層阻力降,延長催化劑使用壽命,降低壓縮機(jī)能耗;如采用分壁精餾等高效精餾的方式代替目前現(xiàn)有的普通精餾,可以提高產(chǎn)品回收率;如采用萃取精餾對煤制乙二醇分離體系中的碳酸二甲酯+甲醇、乙二醇+丁二醇等共沸體系進(jìn)行分離[3],可代替現(xiàn)有的普通精餾,提高分離出的產(chǎn)品質(zhì)量;如采用熱泵精餾,將塔頂物料蒸汽直接壓縮作為再沸器熱源,可實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、提高經(jīng)濟(jì)效益等[4]。相信隨著技術(shù)的進(jìn)步和新技術(shù)的不斷推廣應(yīng)用,煤制乙二醇裝置能耗會越來越低,市場競爭力會越來越強(qiáng)。

4 結(jié)語

煤制乙二醇生產(chǎn)作為煤炭清潔高效利用的一種手段,是滿足我國能源結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀、減少石油資源消耗、解決國內(nèi)乙二醇產(chǎn)品供需矛盾的重要措施。加強(qiáng)對煤制乙二醇生產(chǎn)工藝的研究,不斷開發(fā)更多節(jié)能技術(shù),優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,降低裝置能耗,提高產(chǎn)品成本優(yōu)勢,對于煤制乙二醇企業(yè)生產(chǎn)發(fā)展至關(guān)重要。