煤制甲醇裝置的節(jié)能改造分析

蔣 凱

（廣發(fā)化學(xué)工業(yè)有限公司，山西 大同 037001）

0 引言

煤制甲醇裝置節(jié)能改造中常用技術(shù)為夾點技術(shù)，此技術(shù)主要用于換熱網(wǎng)絡(luò)、精餾塔用能、精餾塔塔系熱集成的優(yōu)化分析，并在應(yīng)用中取得較好的應(yīng)用成效[1]。據(jù)此，以換熱網(wǎng)絡(luò)作為節(jié)能改造對象，通過夾點技術(shù)進(jìn)行節(jié)能改造分析，獲取具有可行性的節(jié)能改造方案，將具有一定的現(xiàn)實意義。

1 煤制甲醇裝置數(shù)據(jù)提取

通過Aspen Plus 軟件中的能量分析模塊導(dǎo)入煤制甲醇裝置具體運行數(shù)據(jù)，并通過軟件實施煤制甲醇裝置流量分析，最終獲取到煤制甲醇裝置的熱物流和冷物流分別為7 股和5 股。

1）熱物流：包括循環(huán)水、變換合成氣冷卻、粗合成氣預(yù)冷、T0107 塔頂冷凝、二氧化碳一段/二段/三段冷卻、粗甲醇冷卻、甲醇吸收液冷卻、粗硫化氫冷卻變換器出口冷卻。

2）冷物流：水蒸氣預(yù)熱、合成器預(yù)熱、空氣預(yù)熱、循環(huán)器預(yù)熱、T0106/T0104/T0103/T010/塔底再沸。

數(shù)據(jù)導(dǎo)入后，于Aspen Plus 軟件中形成煤制甲醇裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)模型。

3）煤制甲醇裝置的公用工程冷卻水和加熱爐燃料費用及參數(shù)如表1 所示。

表1 公用工程費用及參數(shù)

根據(jù)以上公用工程費用及參數(shù)，通過軟件實施煤制甲醇裝置管殼式換熱單元費用計算，具體計算過程中將管殼式換熱單元的投資回報率設(shè)置為10%，具體設(shè)備壽命設(shè)置為5 a，聯(lián)運行時間為8 400 h，則管殼式換熱單元的年費用為192 493 元。同樣對加熱爐進(jìn)行費用計算，進(jìn)而獲取到加熱爐的年費用為13 293 100 元。

2 煤制甲醇裝置節(jié)能改造能量目標(biāo)

煤制甲醇裝置的過程物流主要包括冷物流和熱物流兩部分，根據(jù)煤制甲醇裝置的實際過程物流特點，將其冷物流和熱物流組合成冷熱組合曲線，并通過溫度-焓圖進(jìn)行表示。

煤制甲醇裝置的最優(yōu)夾點溫度差需要對操作費用和投資費用進(jìn)行合理確定。但考慮到此種綜合分析結(jié)果大多適用于理論分析過程，而工程實踐分析中則常用經(jīng)驗分析法[2-3]，所以基于理論和實踐分析后，最終確定最優(yōu)夾點溫度差為10 ℃，以此夾點溫度差繪制煤制甲醇裝置的冷熱組合曲線和總組合曲線如圖1和圖2 所示。

圖1 煤制甲醇裝置冷熱組合曲線

圖2 煤制甲醇裝置總組合曲線

由圖1 和圖2 可知，煤制甲醇裝置的節(jié)能改造目標(biāo)是一種閾值問題，其冷公用工程目標(biāo)熱負(fù)荷為138.62 MW。

3 煤制甲醇裝置的節(jié)能改造分析

3.1 改造思路

煤制甲醇裝置的具體改造思路如下：

1）利用T0107 塔頂冷凝的熱量依次加熱T0104塔底再沸、T0103 塔底再沸、水蒸氣預(yù)熱、合成氣預(yù)熱。

2）利用變換器出口冷卻的熱量依次加熱T0106塔底再沸、循環(huán)器預(yù)熱[4]。

3）利用變換合成氣冷卻的熱量依次加熱合成氣預(yù)熱、水蒸氣預(yù)熱、T0103 塔底再沸。

4）對煤制甲醇裝置全流程工程進(jìn)行繼續(xù)改造，在不影響裝置正常運行情況下實現(xiàn)裝置余熱的最大化余量。對于無法通過工藝流程提供熱量結(jié)構(gòu)，則采用公用工程進(jìn)行熱量供應(yīng)。

3.2 改造步驟

煤制甲醇裝置的具體改造步驟如下：

1）利用T0107 塔頂冷凝熱量：在熱物流和冷物流之間增設(shè)負(fù)荷為10.80 MW 的換熱器實施熱物流和冷物流換熱，換熱后熱物流和冷物流溫度分別從95.32 ℃和55.62 ℃變?yōu)?5.27 ℃和69.27 ℃；另在熱物流和冷物流之間增設(shè)負(fù)荷為37.39 MW、3.664 MW、5.096 MW 的換熱器實施熱物流和冷物流換熱，換熱后熱物流和冷物流溫度分別從95.27 ℃和70.82 ℃變?yōu)?5.18 ℃和70.96 ℃、從95.18 ℃和50 ℃變?yōu)?5.17℃和85.17 ℃、從95.17 ℃和20.16 ℃變?yōu)?5.16 ℃和85.17 ℃。

2）利用變換器出口冷卻熱量：在熱物流和冷物流之間增設(shè)負(fù)荷為22.01 MW 的換熱器實施熱物流和冷物流換熱，換熱后熱物流和冷物流溫度分別從500 ℃和188.3 ℃變?yōu)?97.2 ℃和189.6 ℃；另在熱物流和冷物流之間增設(shè)負(fù)荷為0.04 MW、0.01 MW 的換熱器實施熱物流和冷物流換熱，換熱后熱物流和冷物流溫度分別從297.2 ℃和154.3 ℃變?yōu)?96.9 ℃和156.1 ℃、從297.1 ℃和174.7 ℃變?yōu)?97 ℃和200 ℃。

3）利用變換合成氣冷卻熱量：在熱物流和冷物流之間增設(shè)負(fù)荷為17.12 MW 的換熱器實施熱物流和冷物流換熱，換熱后熱物流和冷物流溫度分別從371.8 ℃和85.17 ℃變?yōu)?68.5 ℃和270 ℃；另在熱物流和冷物流之間增設(shè)負(fù)荷為18.39 MW、2.894 MW 的換熱器實施熱物流和冷物流換熱，換熱后熱物流和冷物流溫度分別從268.5 ℃和85.17 ℃變?yōu)? 547.5 ℃和249.9 ℃、從157.5 ℃和74.47 ℃變?yōu)?40 ℃和2.894 ℃。

4）利用循環(huán)水熱量：在熱物流和冷物流之間增設(shè)負(fù)荷為2.627 MW 的換熱器實施熱物流和冷物流換熱，換熱后熱物流和冷物流溫度分別從1 370 ℃和156.1 ℃變?yōu)? 188 ℃和270 ℃；另在熱物流和冷物流之間增設(shè)負(fù)荷為16.41 MW、8.924 MW 的換熱器實施熱物流和冷物流換熱，換熱后熱物流和冷物流溫度分別從1 188 ℃和69.27 ℃變?yōu)?52.9 ℃和71.22 ℃、從252.9 ℃和135.5 ℃變?yōu)?45.5 ℃和147.6 ℃。

5）匹配冷物流：對于無法通過工藝流程提供熱量結(jié)構(gòu)，則采用公用工程進(jìn)行熱量供應(yīng)[5]。

3.3 改造結(jié)果

根據(jù)煤制甲醇裝置改造思路對整個裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行節(jié)能改造。在完成節(jié)能改造后，整個換熱網(wǎng)絡(luò)中共設(shè)置為13 個冷卻器、15 個換熱器以及1 個加熱器，煤制甲醇裝置節(jié)能改造前后的公用工程熱負(fù)荷如表2 所示。

表2 煤制甲醇裝置節(jié)能改造前后公用工程用量

由表2 可知，在煤制甲醇裝置節(jié)能改造完成后，裝置中換熱網(wǎng)絡(luò)的冷公用工程熱負(fù)荷為141.2 MW，相較于節(jié)能改造前的冷公用工程熱負(fù)荷317.4 MW 來說，下降176.2 MW，節(jié)能55.51%；裝置中換熱網(wǎng)絡(luò)的熱公用工程熱負(fù)荷為2.593 MW，相較于節(jié)能改造前的熱公用工程熱負(fù)荷178.8 MW 來說，下降176.207 MW，節(jié)能98.55%.總體來說，節(jié)能改造后的煤制甲醇裝置節(jié)能效果較為優(yōu)異，已經(jīng)可以滿足煤制甲醇裝置換熱網(wǎng)絡(luò)節(jié)能改造目標(biāo)。

4 煤制甲醇裝置節(jié)能改造的工程應(yīng)用

將煤制甲醇裝置節(jié)能改造方案應(yīng)用于某煤制甲醇生產(chǎn)項目，并在裝置節(jié)能改造優(yōu)化后，實施節(jié)能改造優(yōu)化前后煤制甲醇裝置的經(jīng)濟(jì)費用對比，具體對比結(jié)果如表3 所示。

表3 煤制甲醇裝置節(jié)能改造前后經(jīng)濟(jì)費用對比

如表3 所示，相較于節(jié)能改造前，節(jié)能改造后煤制甲醇裝置的總費用從4 250 萬元/a 下降至2 690 萬元/a，下降1 560 萬元/a，下降幅度為36.71%，證明此煤制甲醇裝置節(jié)能改造經(jīng)濟(jì)形成較高。

5 結(jié)語

基于煤制甲醇裝置的基本數(shù)據(jù)信息，介紹一種煤制甲醇裝置的節(jié)能改造方案。具體節(jié)能改造方案分析過程中引入Aspen Plus 軟件和夾點技術(shù)，可實現(xiàn)煤制甲醇裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)改造優(yōu)化。結(jié)合工程應(yīng)用實踐來看，節(jié)能改造后的煤制甲醇裝置綜合經(jīng)濟(jì)效益較高，因而可在后續(xù)煤制甲醇裝置節(jié)能改造中進(jìn)行參考應(yīng)用。