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針對甲醇制烯烴裝置（MTO）反應產(chǎn)物余熱和凝結(jié)水的余熱沒有得到利用的現(xiàn)象，采用?分析方法對原料甲醇-反應產(chǎn)物換熱過程進行分析，提出兩個優(yōu)化措施，一是采用VHEX高效換熱器回收反應系統(tǒng)余熱，二是采用SER蒸汽能量回收技術回收凝結(jié)水余熱。針對一套30萬t/a的MTO裝置優(yōu)化后，烯烴用汽量降低0.3 t/t，烯烴生產(chǎn)成本降低45元/t，經(jīng)濟效益1362萬元/a。
關鍵詞：甲醇；烯烴；余熱節(jié)能；MTO
甲醇制烯烴(MTO)技術已經(jīng)實現(xiàn)工業(yè)化，作為一個新興的工藝，發(fā)展時間較晚，在能量利用上不夠充分，因此在節(jié)能方面有較大的提升空間[1,2]。MTO裝置的原料為液體甲醇，需要通過換熱和蒸汽加熱氣化后進入反應器。一套30萬t/a(以烯烴產(chǎn)量計)的MTO裝置，原料預熱需要消耗熱量12600萬kW，其中消耗蒸汽70 t/h，費用9408萬￥/a，占成本的12%。與此同時，該裝置產(chǎn)生大量的凝結(jié)水，凝結(jié)水的余熱沒有得到有效利用。
浦江龍等[3]通過Aspen plus進行了熱力學模擬得到了在反應過程的影響因素中(溫度、壓力、水含量等)，溫度對于反應的影響最大的結(jié)論。神華甲醇制烯烴(SHMTO)技術經(jīng)過工藝流程和催化劑性能方面的優(yōu)化后，首次給出的生產(chǎn)結(jié)果也達到了同行業(yè)領先水平[4]。周立進等[5]引入高溫脫硫反應單元并優(yōu)化產(chǎn)品高溫熱回收網(wǎng)絡后，與傳統(tǒng)工藝相比，總能耗降低24.5%。神華包頭煤化工公司對MTO裝置再生取熱系統(tǒng)進行了優(yōu)化改造[6]，改造內(nèi)容有：提高再生壓力；降低催化劑循環(huán)量、提高待生定碳，增加再生輸送蒸汽比例；濃縮水回煉改入油水分離系統(tǒng)。提高再生藏量，降低再生溫度等技改方案，不僅將生產(chǎn)負荷提高到110%，而且還額外產(chǎn)出3.5 MPa蒸汽，取得了良好的經(jīng)濟效益。孫高攀[7]將甲醇合成和甲醇制烯烴原料預熱工藝進行了優(yōu)化，提出甲醇合成工序的脫輕塔后移至MTO進料預熱工段，降低裝置操作難度，節(jié)約投資，降低能耗。
針對降低MTO原料甲醇的氣化過程用能優(yōu)化方面的研究鮮有報道，華賁[8]提出的“三環(huán)節(jié)”理論從能量利用的本質(zhì)出發(fā)，對煉油廠催化裝置的余熱進行優(yōu)化回收利用，取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。華賁等[9]闡述了節(jié)能降耗的基本觀念和全面規(guī)劃的重要意義，論述了總流程和能量綜合優(yōu)化之間的密切關系，并針對老裝置深入節(jié)能和系統(tǒng)優(yōu)化提出了改進意見；張高博等[10]采用“三環(huán)節(jié)”理論分別對柴油加氫裝置的塔、換熱網(wǎng)絡、加熱爐和機泵進行系統(tǒng)優(yōu)化，取得了裝置能耗下降38.9%的顯著效果，該方法也可用于其他裝置的全面節(jié)能優(yōu)化。
本文以國內(nèi)已經(jīng)開工的一套30萬t/a的MTO裝置為例，采用“三環(huán)節(jié)”理論對原料預熱流程進行優(yōu)化，提出回收凝結(jié)水余熱，替代原料氣化用汽的優(yōu)化方案。
1.1 ?的計算
?，即有效能。對于一股物流，當系統(tǒng)由任意狀態(tài)可逆變化到環(huán)境狀態(tài)時，其能量最大限度轉(zhuǎn)化的有用功，稱為?[11]，計算公式如下：
(1)
式中：Ex,q—?，kW；T0—基準溫度，K；T—絕對溫度，K；Q—熱負荷，kW。
1.2 換熱器?評價
對一個換熱器的能量利用效率的評價通常采用熱力學第一定律，評價其熱效率η，熱效率越高，該換熱器的能量回收效果越好。但這種評價方法無法評價出換熱器熱流和冷流溫位的科學匹配，以及換熱器的科學選型。采用熱力學第二定律，用?效率ηex來評價傳熱過程，可以得到更科學的結(jié)果，對于后續(xù)的換熱器的改造方案指出方向。所用的公式如下：
(2)
(3)
式中：Ex,c、Ex,h—分別為冷量?、熱量?，kW；T0、Tc、Th—分別為基準溫度(298 K)、冷流溫度、熱流溫度，K；E—傳熱量，kW；DKH—換熱器的?損，kW。
MTO裝置主要包括反應再生系統(tǒng)和急冷水洗系統(tǒng)，以及配套的熱力工程系統(tǒng)。反應再生系統(tǒng)采用循環(huán)流化床和不完全再生工藝；自裝置外來的液體甲醇經(jīng)加熱氣化和過熱后以氣態(tài)進入反應器，反應產(chǎn)物經(jīng)旋風分離器回收夾帶的少量細粉后進入急冷水洗系統(tǒng)。再生系統(tǒng)通過主風機為再生器提供燒焦空氣。
急冷水洗系統(tǒng)的主要設備包括急冷塔、水洗塔和污水汽提塔。反應產(chǎn)物在急冷塔中脫除過熱，在水洗塔中洗滌出攜帶的催化劑。急冷塔和水洗塔底部排出的洗滌水送至污水汽提塔回收其中的甲醇、二甲醚等有機物。
熱力工程系統(tǒng)主要包括CO焚燒爐、余熱鍋爐和再生器外取熱器，其作用是用水取出系統(tǒng)的熱量產(chǎn)生蒸汽。
2.1 原料甲醇氣化流程
原料甲醇自罐區(qū)至MTO裝置的原料緩沖罐，經(jīng)甲醇泵升壓后，依次與凈化水和凝結(jié)水換熱器后，進入甲醇氣化器，由蒸汽作為熱源進行氣化，氣化后的甲醇再次與氣相反應產(chǎn)物換熱后進入反應器。見圖1。
圖1 原料氣化流程圖
液體甲醇氣化流程中有3組換熱器。對其進行分析，換熱器E1201AB、E1104AB、E1102AB的對數(shù)平均溫差分別為107℃、32℃、54℃，對應的?損費用分別為306￥/h、35￥/h、51￥/h?？梢?，E1201AB的對數(shù)傳熱溫差明顯高于E1104AB和E1102AB，?損費用也同時顯著高于E1104AB、E1102AB，可見，降低?損的措施是降低傳熱溫差。措施來自兩個方面，一方面是從熱源側(cè)入手降低入口溫度，另一方面從熱阱側(cè)入手，提高甲醇在進入甲醇氣化器之前的溫度。見表2。
表2 原料甲醇預熱流程?分析
|
名 稱 |
甲醇氣化器E1201AB |
甲醇-凈化水 換熱器E1104AB |
甲醇-凝結(jié)水 換熱器E1102AB |
|
流量/(t/h) |
160 |
160 |
160 |
|
熱負荷/kW |
6391 |
1743 |
1504 |
|
熱源入口溫度/℃ |
210 |
97 |
130 |
|
熱源出口溫度/℃ |
176 |
88 |
121 |
|
熱側(cè)平均溫度/℃ |
193 |
92 |
125 |
|
冷測入口溫度/℃ |
73 |
50 |
70 |
|
冷側(cè)出口溫度/℃ |
99 |
70 |
73 |
|
冷側(cè)平均溫度/℃ |
86 |
60 |
72 |
|
對數(shù)平均溫差/℃ |
107 |
32 |
54 |
|
環(huán)境溫度/℃ |
25 |
25 |
25 |
|
?損價格/(￥/MJ) |
0.07 |
0.07 |
0.07 |
|
?損/(MJ/h) |
4377 |
496 |
733 |
|
?損費用/(￥/h) |
306 |
35 |
51 |
|
?損費用/(104￥/a) |
257 |
29 |
43 |
|
?損合計/(MJ/h) |
5606 |
||
|
?損費用合計/(104￥/a) |
329 |
||
2.2 反應產(chǎn)物換熱過程
反應產(chǎn)物(125 t/h，460℃)的換熱流程是首先與來自甲醇氣化器的氣相甲醇換熱至340℃，然后再進入急冷、水洗塔，洗滌催化劑，脫除過熱，將反應產(chǎn)物水冷凝后，反應氣(40℃)進入烯烴分離裝置。
2.2.1 熱量分析
反應產(chǎn)物的熱量按照回收至60℃計算，可以回收的總熱量為209160 MJ/h，實際回收的余熱一部分用于與甲醇換熱，換熱量為62748 MJ/h；剩余的熱量進入急冷塔和水洗塔，通過急冷水和水洗水作為烯烴分離塔底熱源，換熱量為134197 MJ/h，熱量回收率為94%，剩余的熱量由循環(huán)水和空冷器帶出系統(tǒng)。
2.2.2 ?分析
反應產(chǎn)物換熱過程的?損較大，尤其是急冷、水洗塔的?損占總?損的67%。說明反應產(chǎn)物的熱量未得到充分利用。目前反應產(chǎn)物-甲醇換熱器采用普通的立式換熱器，熱側(cè)進出口溫度為460~340℃，冷側(cè)進出口溫度為100~144℃，對數(shù)平均傳熱溫差高達277℃。一般情況下，合理的傳熱溫差在20~50℃。該工藝中由于熱側(cè)物料中含有催化劑顆粒，容易結(jié)垢，造成傳熱效果下降，影響了反應產(chǎn)物余熱的充分利用，導致大量余熱進入急冷塔由循環(huán)水帶出裝置，致使?損增大。采用?分析方法對該換熱過程進行分析，與通常的換熱溫差相比，?損帶來的效益損失高達3492萬￥/a。反應產(chǎn)物換熱流程?見表3。
表3 反應產(chǎn)物換熱流程?
|
名 稱 |
反應氣-甲醇立式 換熱器E1202 |
急冷、水洗塔 T201/T202 |
|
流量/(t/h) |
125 |
125 |
|
熱負荷/kW |
17360 |
44156 |
|
熱源入口溫度/℃ |
460 |
340 |
|
熱源出口溫度/℃ |
340 |
36 |
|
熱側(cè)平均溫度/℃ |
400 |
188 |
|
冷測入口溫度/℃ |
100 |
35 |
|
冷側(cè)出口溫度/℃ |
144 |
83 |
|
冷側(cè)平均溫度/℃ |
122 |
59 |
|
對數(shù)平均溫差/℃ |
277 |
46 |
|
環(huán)境溫度/℃ |
25 |
25 |
|
?損價格/(￥/MJ) |
0.07 |
0.07 |
|
?損/(MJ/h) |
19479 |
39904 |
|
?損費用/(￥/h) |
1364 |
2793 |
|
?損費用/(104￥/a) |
1146 |
2346 |
|
?損合計/(MJ/h) |
59383 |
|
|
?損費用合計/(104￥/a) |
3492 |
|
|
?損占比/% |
33% |
67% |
2.3 凝結(jié)水系統(tǒng)的余熱利用情況
MTO裝置凝結(jié)水主要來自原料預熱和污水汽提兩個單元。兩路凝結(jié)水同時進入到凝結(jié)水閃蒸罐V1205，閃蒸罐頂壓力為0.17 MPa，凝結(jié)水中的閃蒸汽變?yōu)榉ζ趴?，排汽量? t/h。罐底的凝結(jié)水繼續(xù)通過甲醇-凝結(jié)水換熱器E1102AB換熱，以及通過空冷器冷卻至93℃送出裝置，見圖2。
圖2 凝結(jié)水系統(tǒng)工藝流程圖
凝結(jié)水的余熱沒有得到回收。兩路凝結(jié)水可回收的余熱16733 MJ/h，其中：
(1)污水汽提塔凝結(jié)水：該凝結(jié)水由污水汽提塔使用1.0 MPa蒸汽產(chǎn)生，流量25 t/h，溫度176℃。如果回收余熱至100℃，可回收的余熱7949 MJ/h。實際生產(chǎn)中，該路凝結(jié)水與物料換熱，溫度從176℃降至116℃，回收的余熱僅為6275 MJ/h，余熱回收率為79%。
(2)甲醇汽化器凝結(jié)水：該凝結(jié)水由甲醇氣化器使用的0.4 MPa蒸汽產(chǎn)生，流量70 t/h，溫度130℃。按照凝結(jié)水降溫至100℃，可回收余熱8784 MJ/h。各路凝結(jié)水的情況見表4。
表4 DMTO裝置凝結(jié)水基礎數(shù)據(jù)表
|
序號 |
系統(tǒng)名稱 |
凝結(jié)水/乏汽來源 |
凝結(jié)水/乏汽去向 |
產(chǎn)量/(t/h) |
|
1 |
原料進料系統(tǒng) |
原料氣化器0.45 MPa蒸汽冷凝 |
進入凝結(jié)水罐(三) |
70 |
|
2 |
污水汽提系統(tǒng) |
污水汽提塔底1.0 MPa蒸汽冷凝 |
進入凝結(jié)水罐(一、二) |
15 |
|
合計 |
|
|
|
85 |
3.1 優(yōu)化方案
3.1.1 改造立式換熱器。
VHEX高效換熱器是一種防結(jié)垢換熱器[12]，采用了高效換熱管+螺旋折流板，具有防止固體顆粒結(jié)垢的能力，同時提高了管程和殼程的流速，顯著提高了換熱效果，因此適合用在含有催化劑顆粒的反應產(chǎn)物的換熱流程中。將目前的立式換熱器更換為VHEX高效換熱器，可以強化反應產(chǎn)物和氣相甲醇換熱，充分回收反應產(chǎn)物余熱，降低甲醇氣化蒸汽量。其特點是具有良好的防堵性能，可以有效減少由于反應產(chǎn)物中催化劑的沉積導致的換熱效率下降的問題。改造后，立式換熱器出口氣相甲醇的溫度由144℃提高至180℃，提高了36℃。優(yōu)化后的甲醇氣化流程如圖3所示(圖中虛線框內(nèi)為優(yōu)化后結(jié)果)。
圖3 甲醇氣化優(yōu)化后的流程圖
3.1.2 回收凝結(jié)水余熱。
目前的蒸汽能量回收技術包括低溫熱發(fā)電、蒸汽引射和蒸汽壓縮三種。蒸汽壓縮機技術路線采用蒸汽壓縮機對凝結(jié)水閃蒸的乏汽進行加壓[13]，回收凝結(jié)水的余熱，熱能轉(zhuǎn)換效率達到80%以上。上?；鄣霉緦υ摷夹g進行了轉(zhuǎn)化，開發(fā)了SER蒸汽能量回收機組。采用電為動力，對凝結(jié)水余熱進行回收和升級利用，機組產(chǎn)生0.3 MPa蒸汽6.6 t/h可用于原料氣化，回收蒸汽之后的凝結(jié)水溫度100~105℃仍然采用原有的流程與甲醇原料換熱之后送出裝置。該技術既回收了凝結(jié)水的余熱，又降低空冷器的電耗。
優(yōu)化后的流程見圖4(圖中虛線框內(nèi)為優(yōu)化后結(jié)果)。
圖4 凝結(jié)水優(yōu)化流程圖
3.2 優(yōu)化后的?分析
優(yōu)化后，再次采用?分析法對甲醇氣化流程和反應產(chǎn)物的換熱流程進行分析。
3.2.1 原料甲醇氣化流程
采取增上SER機組的優(yōu)化措施后，E1201AB的熱側(cè)入口溫度由210℃降低至190℃，降低了20℃；E1102AB冷側(cè)出口溫度由73℃提高至80℃，提高了7℃。換熱過程的?損由優(yōu)化前的5606 MJ/h降低至優(yōu)化后的4812 MJ/h，降低了14%。?損費用由329萬￥/a降低到283萬￥/a，降低了14%。結(jié)果見表5。
表5 優(yōu)化后甲醇氣化流程?分析
|
名 稱 |
甲醇氣化器 E1201AB |
甲醇-凈化水 換熱器E1104AB |
甲醇-凝結(jié)水 換熱器E1102AB |
|
流量/(t/h) |
160 |
160 |
160 |
|
熱負荷/kW |
6391 |
1743 |
1504 |
|
熱源入口溫度/℃ |
190 |
97 |
130 |
|
熱源出口溫度/℃ |
156 |
88 |
73 |
|
熱側(cè)平均溫度/℃ |
173 |
92 |
102 |
|
冷測入口溫度/℃ |
76 |
50 |
70 |
|
冷側(cè)出口溫度/℃ |
99 |
70 |
80 |
|
冷側(cè)平均溫度/℃ |
88 |
60 |
75 |
|
對數(shù)平均溫差/℃ |
85 |
32 |
50 |
|
環(huán)境溫度/℃ |
25 |
25 |
25 |
|
?損價格/(￥/MJ) |
0.07 |
0.07 |
0.07 |
|
?損/(MJ/h) |
3638 |
496 |
678 |
|
?損費用/(￥/h) |
255 |
35 |
47 |
|
?損費用/(104￥/a) |
214 |
29 |
40 |
|
?損合計/( MJ/h) |
4812 |
||
|
?損費用合計/(104￥/a) |
283 |
||
3.2.2 反應產(chǎn)物換熱流程
采用VHEX高效換熱器對反應產(chǎn)物換熱器E1202AB進行改造，提高了甲醇進反應器的溫度，由優(yōu)化前的144℃提高至180℃，提高36℃。反應產(chǎn)物換熱流程的?損由優(yōu)化前的59383 MJ/h降低至優(yōu)化后的57383 MJ/h，降低了3.3%。?損費用由3492萬￥/a降低到3373萬￥/a，降低了3.3%。結(jié)果如下表6所示。
表6 優(yōu)化后反應產(chǎn)物氣化流程?分析
|
名 稱 |
反應氣-甲醇立式換熱器 E1202AB |
急冷、水洗塔 T201/T202 |
|
流量/(t/h) |
125 |
125 |
|
熱負荷/kW |
17360 |
44156 |
|
熱源入口溫度/℃ |
460 |
340 |
|
熱源出口溫度/℃ |
340 |
36 |
|
熱側(cè)平均溫度/℃ |
400 |
188 |
|
冷測入口溫度/℃ |
99 |
35 |
|
冷側(cè)出口溫度/℃ |
180 |
83 |
|
冷側(cè)平均溫度/℃ |
140 |
59 |
|
對數(shù)平均溫差/℃ |
260 |
46 |
|
環(huán)境溫度/℃ |
25 |
25 |
|
?損價格/(￥/MJ) |
0.07 |
0.07 |
|
?損/(MJ/h) |
17479 |
39904 |
|
?損費用/(￥/h) |
1224 |
2793 |
|
?損費用/(104￥/a) |
1028 |
2346 |
|
?損合計/(MJ/h) |
57383 |
|
|
?損費用合計/(104￥/a) |
3374 |
|
|
?損占比/% |
30% |
70% |
3.3 節(jié)能效果
(1)反應產(chǎn)物換熱流程。采用VHEX高效換熱器對反應產(chǎn)物換熱器E1202AB進行改造，提高了甲醇進反應器的溫度，這部分熱量最終轉(zhuǎn)化為3.5 MPa蒸汽2.6 t/h，可降低蒸汽消耗4%。
(2)凝結(jié)水余熱回收。增上SER蒸汽能量回收機組可以從凝結(jié)水中回收0.3 MPa蒸汽6.6 t/h(5.5萬t/a)，降低蒸汽消耗9%。同時節(jié)約空冷器電功率101 kW，需要耗電452 kW，節(jié)能量折標煤5227 t/a。
3.4 經(jīng)濟效益
兩項措施后，按照每噸3.5 MPa蒸汽200元計、0.3 MPa蒸汽按120元計算，1 kWh電按0.7元計算，總效益1362萬￥/a，當前裝置的乙烯/丙烯產(chǎn)量為30萬t/a，平均降低乙烯/丙烯生產(chǎn)成本45元/t，具有良好的經(jīng)濟效益。
MTO裝置的規(guī)模越來越大，目前研究的這套裝置建成時間為2014年，建設年代較早。目前國內(nèi)大型的MTO裝置已經(jīng)達到80萬t/a(以產(chǎn)品計)。但各裝置的與原料氣化和反應產(chǎn)物余熱回收的流程相似，因此該方法可以推廣應用到其它規(guī)模的MTO裝置，同樣可以產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益。
甲醇制烯烴(MTO)裝置原料氣化流程和反應產(chǎn)物換熱流程存在溫差大，蒸汽耗量大的問題，以及凝結(jié)水余熱沒有得到利用的問題。采用?分析方法對甲醇回收系統(tǒng)進行分析，可以發(fā)現(xiàn)?損較大的換熱設備，確定節(jié)能方向。
使用兩項專利技術對系統(tǒng)進行改造，一是采用VHEX高效防垢換熱器更換反應產(chǎn)物-甲醇氣換熱器，解決反應產(chǎn)物側(cè)含有催化劑顆粒容易結(jié)垢，以及流速偏低換熱效率低的問題；二是使用SER蒸汽能量回收機組回收凝結(jié)水的余熱產(chǎn)生蒸汽，用于替代甲醇氣化器使用的0.4 MPa蒸汽。
以一套30萬t/a的MTO裝置為例，兩項措施實施后可以提高反應產(chǎn)物的?效率3.3%，可以降低甲醇氣化流程的?損14%。回收蒸汽9.2 t/h，降低原料甲醇的氣化用汽13%，總效益1362萬￥/a。每噸烯烴的耗汽量降低0.3 t，每噸烯烴的生產(chǎn)成本降低45元。
不同規(guī)模的MTO裝置換熱流程基本相同，該技術可以推廣到各種規(guī)模的甲醇制烯烴裝置。
該文章發(fā)表于天然氣化工(C1化學與化工). 2020年02期 第61-65+112頁（作者：張高博1，魏云輝1，汪廣春1，郭忠江2，陳平平3，1.上?；鄣霉?jié)能科技有限公司；2.山東聯(lián)泓新材料科技股份有限公司；3.福建聯(lián)合石油化工有限公司）
張高博
上海慧得節(jié)能科技有限公司技術總監(jiān)。發(fā)表了15篇論文，20余項專利。近年來開發(fā)了多種系統(tǒng)優(yōu)化產(chǎn)品：化工裝置系統(tǒng)能量優(yōu)化改造、單設備（塔、換熱器、爐、泵）優(yōu)化改造、蒸汽動力系統(tǒng)優(yōu)化、SER低溫余熱產(chǎn)汽機組、VHEX高效防垢換熱器、AVOS化工裝置操作優(yōu)化軟件。目前已完成60余個優(yōu)化項目。
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