张 鹏
(湖北化肥乙二醇部,湖北 武汉 430062)
煤制乙二醇作为我国“贫油、富煤”能源结构条件下具有中国特色的乙二醇生产工艺,是实现煤炭清洁高效利用、提高乙二醇自给率的重要化工生产组成部分。通过近几年的发展,目前国内煤制乙二醇的产能达到900万t左右,占国内乙二醇总产能约40%,在国民经济生产生活中占据重要地位。
但自去年起煤炭市场供应紧张,煤价长期稳定在1 000元/t以上,大多数没有煤炭资源的煤制乙二醇企业基本均处于严重亏损状态。加上不断推出的“双碳”、“高耗能行业能效指标”等国家政策,煤制乙二醇企业要想求得生存、获得效益,必须通过技术改造,降低消耗,提升能效。
一方面,煤制乙二醇装置节能降耗要重点攻克催化剂长周期、高负荷运行的技术瓶颈;另一方面,通过工艺流程优化、技改技革等措施,做好生产节能优化。以下就煤制乙二醇装置工艺流程节能优化设计方案进行详细分析。
煤制乙二醇装置反应系统主要有两个:亚硝酸甲酯与CO偶联反应系统、草酸二甲酯与氢气加氢反应系统。反应系统常见的工艺流程主要是进料加热、催化反应、出料冷却分离三个过程。而对于偶联反应系统,反应产物气相不经冷却,直接送入草酸二甲酯回收塔,相当于提高精馏塔进料温度,可以有效降低精馏塔再沸器蒸汽加入量。但对草酸二甲酯加氢反应单元而言,由于反应系统压力较高,直接送入精馏塔分离,精馏系统设计压力需要提高等级,大大增加了装置的投资,也不利于能量的回收利用,因此加氢反应生成的产物需要通过冷却、分离出液相产品后,才能送入精馏系统分离,因此有较多的节能优化空间。
草酸二甲酯加氢反应系统最佳节能思路主要围绕减少进料加热量、回收反应热量、降低反应产物分离冷量消耗三个方面。以下介绍常见的节能设计方案。
1.1 进出料换热设计
采用进出料换热是最常见,也是最有效回收热量的一种节能方式。对煤制乙二醇草酸二甲酯加氢反应单元进行优化设计,增加进出料换热,能够有效利用反应热量降低系统加热和冷却消耗。详细方案及流程见图1。
图1 进出料换热设计方案
(1)在反应器出口设置进出料换热器,利用反应出料对反应原料气进行预热。一方面,可以减少进料加热器加热蒸汽量;另一方面,可以减少对反应产物降温冷量消耗。
(2)对反应出料冷却器(一)进行改造,将分离后的液相产物与反应器出料进行换热,利用反应热量进行液相物料预热。一方面,可以提高液相物料带入精馏系统的热量;另一方面,可以进一步减少出料冷却器的冷量消耗。
1.2 反应产物多次分离设计
草酸二甲酯加氢后的反应产物可以根据沸点的不同,将反应产物换热后进行多次分离,分离出多个不同温度、不同沸点组成的反应产物,然后根据液相组成,分别送入相对应的精馏塔或者某个精馏塔不同的进料位置,可以充分利用反应热量,减少后续换热器冷量消耗,但是该方案设备台(套)数较多,需核算投资回报期长短。详细方案及流程见图2。
图2 反应产物多次分离设计方案
1.3 副产饱和蒸汽充分利用
草酸二甲酯加氢反应器最常见的是采用列管式固定床反应器,可以采取设置汽包自然循环或机泵强制循环的措施,控制床层温度,回收反应热量。但由于催化剂不同阶段反应温度的不同,会在催化剂低温运行期出现汽包产生的蒸汽压力偏低、无法并入装置原有蒸汽管网的情况,被迫放空或通过换热器冷凝为冷凝液,造成蒸汽的浪费。可以采取增设如反应产物预热器、精馏塔进料预热器等,对加热效果要求不严格的物料进行预热,充分利用汽包蒸汽。如果系统有更低等级的蒸汽管网,可以通过增加减压器,降压送至低等级蒸汽管网使用,或者根据压力等级的不同,寻找合适换热器或再沸器,采用专线供给的方式,提高汽包产汽的利用效率。常见的汽包副产饱和蒸汽利用方案见图3。
图3 副产饱和蒸汽充分利用设计方案
煤制乙二醇精馏系统的主要作用是分离反应生成的各种产物,实现产品的分离提纯。而精馏塔的运行主要是依靠外加的热量使液体经过多次蒸发冷凝、传质传热,实现混合物的分离,是整个生产过程中的能耗大户。
对于一个精馏塔来说,其热量平衡计算公式可以简化为:
Q再+Q进=Q顶采+Q顶冷+Q底采
其中,Q再为再沸器的加热量;Q进为进料液带入的热量;Q顶采为塔顶产品带出的热量;Q顶冷为塔顶冷凝器带走的热量;Q底采为塔底产品带走的热量。
从精馏塔的热量平衡可以看出,要想达到精馏塔的节能目的,主要采取的手段就是减少精馏塔Q再供应,提高Q进带入量,回收Q顶采、Q顶冷、Q底采带出量[1]。根据这个指导思路,介绍煤制乙二醇精馏系统常见的节能设计方案。
2.1 塔釜或侧线采出产品热量回收
精馏塔塔釜和侧线采出物料的温度较高,有较多可以回收的能量,而塔釜或侧线采出的产品,除个别需要伴热储存外,一般均需要常温储存,因此,常见的设计方案是在塔釜或侧线产品采出后,设置冷却器进行降温冷却,将塔釜或侧线产品所携带的热量转移至循环冷却水中。这种方案无疑造成了产品携带的能量浪费,可以将这些产物冷凝器改为换热器或蒸汽发生器,回收热量。详细方案及流程见图4。
(1)将塔釜或侧线产品冷却器改为换热器,对精馏塔进料或者其他的物料进料换热预热,回收该部分产品带出的热量,可以达到节能的目的。
(2)将塔釜或侧线产品冷却器改为蒸汽发生器,回收物料热量,产出饱和蒸汽回收利用。
2.2 塔顶气相热量回收
精馏塔内物料要想实现分离,就必须依靠塔釜再沸器向系统内输入大量热能,将液体物料加热变成气相,还需要塔顶冷凝器向系统内输入大量冷量,将这部分变成气相物质所携带的热量移走,使气相重新冷凝成为液相送回系统,然后气液两相在精馏塔内反复进行传质和传热,实现提高产品纯度,达到组分分离的目的。
在这个过程中,塔釜再沸器输入的热量大部分被塔顶冷凝器移出系统,最后通过冷却系统逸散在空气中,无疑会造成能量的大量损失。因此,精馏塔节能首先要考虑回收的就是来自精馏塔塔顶气相所携带的热量。同时,由于塔顶气相在换热时会放出大量相变热,与精馏塔其他采出的液相产品相比,此处物料的热量回收具有更大的回收价值。常见的方案及流程见图5。
(1)对具有较高温度的精馏塔气相加装蒸汽发生器,产生饱和蒸汽直接利用。
图4 塔釜或侧线采出产品热量回收设计方案
图5 蒸汽发生器热量回收设计方案
(2)对具有较高温度的精馏塔气相增加热水循环系统,并串入吸收式制冷装置(如溴化锂机组等),用于制取冷量。常见的溴化锂机组制取的冷冻水温度一般在5℃左右,目前也有相关的技术可以利用热水制取0℃以下的低温冷冻水,如TC工质吸收制冷技术。余热制冷热量回收设计方案见图6。
(3)对于有部分精馏塔塔顶气相采用蒸汽发生器回收热量后,产出的蒸汽品级较低,无利用用户,可以将蒸汽发生器产生的低压蒸汽收集后,驱动透平来开展余热发电(见图7)。
图6 余热制冷热量回收设计方案
图7 余热发电热量回收设计方案
2.3 双效变压精馏热量回收
将加热蒸汽通入第一个塔作为热源,该塔受热沸腾的物料蒸汽引入第二个塔再沸器作为加热热源的精馏过程称为多效精馏,这其实也是一种特殊的塔顶气相热量回收设计方案。不过如果要采用这种流程,则要求第二个塔的物料沸点低于第一个塔,且第一个塔产生的蒸汽热量能够满足第二个塔的需求,这样第二个塔的再沸器相当于第一个塔的冷凝器,能够实现加热蒸汽能量的充分利用。
对煤制乙二醇装置中甲醇和碳酸二甲酯的分离,比较适合这种双效变压精馏操作。常见的双效变压精馏方案和流程见图8。
图8 双效变压精馏热量回收设计方案
2.4 再沸器凝液控制方案优化
对于煤制乙二醇精馏系统来讲,各个精馏产品的纯度要求很高,精馏塔操作的精细度要求较高。而一般常见的精馏塔再沸器蒸汽及凝液设计方案是在蒸汽管线上设置调节阀控制蒸汽流量,在凝液管线上设置疏水器,防止蒸汽窜入凝液管网,使用塔釜温度与蒸汽流量串级控制方案。但是这种再沸器控制方案对疏水器质量要求较高,当疏水器出现卡涩或其他问题时,将直接影响凝液正常排出,造成精馏塔温度波动,或者大量蒸汽随凝液排出,造成蒸汽浪费。同时采用疏水器控制凝液排放的方案,在精馏塔开车初期升温操作时,凝液现场就地排放量大、开车操作复杂、人员烫伤风险高,采取对再沸器凝液控制方案进行优化,详细方案及流程见图9。
图9 再沸器凝液控制优化设计方案
再沸器流程可以设置增加蒸汽凝液罐,将凝液罐顶部气相与蒸汽管线相连,保持凝液罐内压力平衡,塔釜温度与蒸汽流量进行串级控制;将凝液罐液位与凝液调节阀串级控制,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换热面积,保持控制系统稳定性,消除蒸汽波动对精馏塔工况造成的影响[2]。在调节阀选型时,也尽量避免选择蝶阀等调节性差的阀门,为后期精馏塔开展先进控制打下基础,保证先进控制系统调节精度。
2.5 蒸汽凝液闪蒸蒸汽回收利用
对于煤制乙二醇精馏系统来说,精馏塔加热蒸汽常采用压力大于1.0MPa的中压蒸汽,蒸汽加热后的凝液压力等级高,回收后送入凝液罐会因压力降低闪蒸出较多的低压饱和蒸汽,由于精馏塔蒸汽耗量动辄百吨以上,这股闪蒸出来的低压饱和蒸汽量非常可观。除了采用空冷器冷凝之外,还可以将这股蒸汽分等级并入相应的蒸汽管网,或作为加热效果要求不高的预热器加热热源使用。详细方案及流程见图10。
图10 高压蒸汽凝液闪蒸蒸汽回收利用设计方案
如果现场条件允许,可以更进一步细分蒸汽凝液,将系统的高压蒸汽凝液、中压蒸汽凝液等分类收集,高压蒸汽凝液闪蒸蒸汽可以送入中压蒸汽管网,中压蒸汽凝液闪蒸蒸汽可以送入低压蒸汽管网,分级回收、利用。
2.6 其他常见节能方案
2.6.1精馏塔侧线采出方案
当一个精馏塔需要获取浓度不同的两种或多种产品,或者精馏塔内的某组分在某几塔块板上存在富集现象,为获得该组分产品或消除该组分对精馏塔两端产品的影响,在相应组成的塔板上安装液体收集内件,增加采出口抽出产品。这样的侧采方案一方面相当于减少了一个塔,另一方面也减少了该股物料继续加热所需的热量,是化工生产较为常见的节能设计方案。常见的侧线采出方案和流程见图11。
图11 精馏塔侧线采出设计方案
煤制乙二醇装置中的大部分产品如乙二醇、碳酸二甲酯、乙醇塔等,均可以采用侧线采出,消除产品精制塔内轻组分、重组分对产品纯度的影响,提高产品纯度。
2.6.2精馏塔多点进料方案
当一个精馏塔有多路组分相同、浓度不同的进料,如果将多路物料混合后在同一个点进入精馏塔,则势必会造成分离的物料出现返混,增加了分离的能耗。如果将多路物料分别进入多个精馏塔进行分离,则势必造成设备投资增加,分离能耗上升。如果按照组分浓度的不同,在一个塔分为多个点单独进料,将物料送至浓度组成相近的塔盘,则可以有效避免物料返混。这种精馏塔多点进料方案与多股物料分别进入多个塔相比,减少了设备投资;与多股物料混合进入同一个塔相比,减少物料返混、能耗浪费。常见的多点进料方案和流程对比见图12。
图12 精馏塔多点进料设计方案
2.6.3系统降压操作
根据介质的沸点随压力下降而降低的特性,同时考虑煤制乙二醇装置中乙二醇等物质的热敏特性,采用降压或真空操作,降低物料沸点和在塔内的精馏分离温度,减少物料汽化蒸汽消耗量,也是煤制乙二醇装置常见的节能方案。
目前,越来越多的新兴节能技术被开发出来,也有很多新兴节能技术也正逐步被应用到煤制乙二醇生产上来,如采用径向等温反应器替代目前常用的轴向列管式反应器,这种改造可以大大降低催化剂床层阻力降,延长催化剂使用寿命,降低压缩机能耗;如采用分壁精馏等高效精馏的方式代替目前现有的普通精馏,可以提高产品回收率;如采用萃取精馏对煤制乙二醇分离体系中的碳酸二甲酯+甲醇、乙二醇+丁二醇等共沸体系进行分离[3],可代替现有的普通精馏,提高分离出的产品质量;如采用热泵精馏,将塔顶物料蒸汽直接压缩作为再沸器热源,可实现节能减排、提高经济效益等[4]。相信随着技术的进步和新技术的不断推广应用,煤制乙二醇装置能耗会越来越低,市场竞争力会越来越强。
煤制乙二醇生产作为煤炭清洁高效利用的一种手段,是满足我国能源结构现状、减少石油资源消耗、解决国内乙二醇产品供需矛盾的重要措施。加强对煤制乙二醇生产工艺的研究,不断开发更多节能技术,优化设计方案,降低装置能耗,提高产品成本优势,对于煤制乙二醇企业生产发展至关重要。
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