聚酯裝置能源優化措施

上海石油化工股份有限公司滌綸事業部 張莉瓊

前言：

近幾年國內聚酯行業的競爭日趨激烈，各企業除產品品種、質量外，主要表現在成本的競爭上。幾乎所有的聚酯企業都在盈虧平衡線附近生存，降低成本幾乎成為企業生存的主要手段，而降低成本又較多地集中在能耗方面。通過能源優化措施降低產品成本已成為目前裝置提高競爭力的主要手段之一。

1 裝置概述

上海石化共有三套聚酯裝置，產能為55萬噸。其中1#聚酯裝置于2004年9月投產，裝置采用國產化三釜流程聚酯生產技術，年生產能力為15萬t。2#聚酯裝置1983年11月建成投產，采用日本鐘紡公司專利技術為基礎的五釜聚酯生產工藝，共有六條生產能力原設計為101 t/d的聚酯生產線，年生產能力為20萬t；近幾年經過對裝置的擴產改造，目前裝置各線的生產能力達到160 t/d的水平，裝置年產能達到了30萬t以上。3#PET聚酯裝置是1987年從美國杜邦公司引進的二手設備，共有兩條生產線，原設計年生產能力為5.27萬t，通過對CP-2預聚釜、酯化蒸發器等的改造，裝置年產能達到10萬t。

1.1 生產工藝

聚酯裝置以對苯二甲酸粉體和乙二醇液體為原料，通過酯化、縮聚兩個主要反應過程生產聚酯切片。

1)酯化單元

1#、3#聚酯裝置為三釜流程,其酯化反應器為單一的外循環反應器,從漿料供應槽送來的EG/PTA漿料由酯化加熱器(以氣相熱媒加熱)的下端管線上注入酯化反應系統，在加熱器的加熱騰升作用下，新注入的物料與老的物料一起在酯化反應系統中形成一個由“U型管→加熱器→酯化蒸發器”的大循環，在這個循環過程中，酯化反應不斷地進行，達到酯化率要求的齊聚物不斷地從U型管的底部送往下一道縮聚工序。

2#聚酯裝置為五釜流程,其酯化工序有兩個反應器,漿料由漿料泵連續供應給第一酯化釜。在第一酯化釜PTA與EG被加熱進行酯化反應，它是一臺立式返混反應器，設有二段透平式攪拌器，內有加熱盤管和釜外加熱夾套(以液相熱媒加熱)，達到一定酯化率后物料送到第二酯化反應器中進一步酯化；第二酯化釜是一個內分三槽的臥式反應器，各槽有立式攪拌器，釜內有加熱盤管和釜外加熱夾套，達到酯化率要求后的齊聚物用齒輪泵經粗濾器過濾后，送往下一道縮聚工序。

2）縮聚單元

1#、3#聚酯裝置縮聚分預縮聚和終縮聚,在進行縮聚反應前，必須要加入縮聚催化劑溶液，液體DEG，穩定EG，根據不同的產品添加相應的消光劑量,還可以添加其它添加劑生產新產品。齊聚物進入一個上流式塔式反應器(UFPP)進行預縮聚反應,在該反應器中將酯化單元送來的酯化率為92%～96%、聚合度為4～5左右的齊聚物，進行第一次縮聚，使物料的酯化率達到99%～99.5%、聚合度達到15～35，送往終縮聚。終縮聚反應器(FIN)是一個帶鼠籠攪拌的反應器,在該反應器酯化率為99%～99.5%、聚合度為15～35左右的齊聚物，進行最終的縮聚反應，使物料的酯化率達到99.8%以上、聚合度達到100左右的成品熔體，再經濾網孔徑為20 μm的熔體過濾器過濾以供制成聚酯切片。

2#聚酯裝置縮聚分預縮聚和終縮聚,酯化后齊聚物經過濾器首先進入預聚系統的第一縮聚反應器(立式反應釜)，在該反應器中，聚合體的聚合度由5.1提高到26左右。而后由出料齒輪泵輸送至第二縮聚反應器(臥式單軸反應釜)。在該反應器中，聚合體的聚合度由26提高到63左右。再由出料齒輪泵輸送至第三縮聚反應器 (臥式雙軸攪拌反應釜)，在該反應器中，聚合體的聚合度由63提高到100左右。由出料齒輪泵送出，再經濾網孔徑為20μm的F-33熔體過濾器過濾，部分送到切片化工序造粒、另一部分經增壓齒輪泵送紡絲車間直接紡絲。

1.2 用能狀況

聚酯裝置生產工藝主要消耗的能源品種有電、蒸汽、燃料油(氣)、氮氣和水等。電主要用于整個工藝流程中的電機設備；蒸汽主要用于外圍導生爐子噴槍、漿料預熱、蒸汽真空泵和儀表設備伴熱等；燃料油（氣）用于導生爐加熱熱媒油；氮氣用于PTA輸送和料倉氮封和松動；各種品質的水主要用作工藝系統的冷卻、沖洗和消防等。其中燃料油（氣）為裝置主要耗能品種，其能耗占裝置總能耗的50%以上，其次為電和蒸汽。聚酯裝置用能情況如圖1所示。

2 能源優化方案

2.1 分析1#PET裝置工藝特點及能源綜合利用的優勢。

1#PET裝置采用的三釜聚酯技術立足于工藝及裝備的國產化，其中第一和第二反應器為塔式反應器，沒有機械攪拌設備，在酯化工序中使用了較低摩爾比、外循環加熱的雙室雙壓反應器和加壓酯化及蒸汽回收等國內開發的專利技術；在縮聚反應真空獲得系統中，采用了國內開發的乙二醇蒸汽噴射泵和噴淋冷凝器的低溫循環乙二醇系統技術，裝置使用的冷凍水來自酯化產生的工藝蒸汽推動的溴化鋰制冷機組；加熱采用了流程更為簡潔的就地蒸發氣相熱媒加熱技術。裝置能源消耗少，能源的綜合利用和節能體現在兩個方面：1）將過程中耗能最大的酯化工序產生的工藝蒸汽推動溴化鋰制冷機組，產生的冷量用于縮聚蒸汽的回收和切粒機循環水系統的冷卻，節省了由公用工程供應的冷凍水量；2）高溫液相熱媒在車間就地閃蒸產生氣相熱媒送給用戶，優化了各不同加熱等級的需求，降低了系統熱能損耗。如何借鑒1#PET裝置的能源綜合利用方法，是降低二套聚酯裝置能耗最有效的方法之一。

2.2 能源優化方案在2#PET、3#PET裝置上的應用

1)乙二醇真空泵替代水蒸汽噴射泵

2#、3#二套聚酯裝置在縮聚反應真空獲得系統中，縮聚反應器的真空由水蒸汽噴射泵產生，而水蒸汽噴射泵不僅存在著齊聚物堵塞，水蒸汽噴射泵系統會將反應過程的有機物抽掉而造成原料損失，還存在污染大和能耗大的問題。這些是水蒸汽噴射泵的工作原理和自身結構所造成的固有缺陷，無法克服。

而乙二醇（EG）蒸汽噴射泵是近年來在聚酯工業中應用的新技術，該技術日趨成熟，已得到廣泛的應用。EG蒸汽真空噴射泵是降低裝置蒸汽單耗的關鍵設備。通過對1#PET裝置工藝分析及對國內新建的聚酯裝置進行廣泛調研，同時對裝置自身的生產工藝設備進行深入的研究，不改變2#、3#二套聚酯裝置原來的生產工藝，保留反應釜和EG循環系統等大部分設備，只對水蒸汽噴射泵部分的設備進行改造，就可應用乙二醇（EG）蒸汽噴射泵。改造后的裝置利用一臺蒸發器將EG蒸發為氣體，作為噴射泵的驅動蒸汽；將反應器系統抽出的帶有EG的蒸汽合為一股后，由另外一個冷EG循環、噴淋系統冷凝吸收；回收下來的廢EG全部作為原料循環利用。用乙二醇蒸汽噴射泵取代原來使用的蒸汽噴射泵,可以使整個裝置生產主流程中不再使用蒸汽，這樣可以減少熱損失和蒸汽的跑冒滴漏，而且乙二醇蒸汽噴射泵可以把真空抽出的乙二醇全部回收使用，減少廢水、廢氣排出，節能減排效果非常明顯。

2）用酯化反應廢氣加熱生產原料

2#聚酯聯合裝置的生產工藝流程主要由漿料調制部分（原料）、反應部分、造粒包裝部分等組成。反應部分由5臺反應釜組成，第一、第二反應釜為酯化反應釜，位號為R-21和R-22,第三、四、五反應釜為縮聚反應釜，位號為R-31、R-32和R-33，酯化反應釜的輔助部分為酯化分離塔系統，位號為T-21和T-22，縮聚反應釜的輔助部分為真空系統。原設計漿料在進入R-21前的溫度為30℃，R-21的反應溫度為270℃，反應壓力為0.7kg/cm2（表壓），R-21第一酯化釜需要的熱媒流量為120m3/h。而漿料在R-21第一酯化釜進行反應過程中會產生大量的含有EG蒸汽、水蒸汽以及各類醛類的高溫氣體，酯化反應廢氣具有危害性和污染性，不能直接排入大氣中，同時EG為生產原料、且價值較高，所以含有EG的高溫廢氣從底部進入分離塔T-21，利用塔的精餾原理，經過10層塔板的分離作用，EG蒸汽從反應廢氣中冷卻成液態（溫度約為110℃左右，低于EG的沸點），重新流回R-21第一酯化釜作為生產原料再次使用。經過分離塔的反應廢氣，雖然已經分離出EG，但反應廢氣中還是含有大量的水蒸氣和醛類，溫度也大于100℃。高溫反應廢氣繼續通過一只管式冷凝器，被冷卻成為50℃左右的廢水和一些不凝性氣體，廢水從冷凝器的溜出水管中流出，到公用系列的廢水收集槽，一些不凝性氣體從冷凝器頂部的放空管排入大氣。若能采用第一酯化反應分離塔頂產生的低品質反應廢蒸汽加熱進第一酯化釜前（R-21）的漿料，不僅可減少現有熱媒加熱量，還可減少冷卻酯化廢汽所需的循環冷卻水量。

3）用酯化廢氣驅動溴化鋰冷凍機組，為裝置切片化系統提供冷量

3#PET聯合裝置能耗組成中，冷凍系統的能耗在總能耗中所占比例約為5%。而酯化系統每小時產生60kPa壓力的蒸汽約4t，其向外排出的熱量僅汽化潛熱就達200余萬kcal/h，為了冷卻這些蒸汽需耗用循環水360t/h。

目前該裝置使用冷凍水由動力冷凍站提供，冷凍站溴機使用事業部PTA裝置產生的副產蒸汽，PTA裝置將實施能源優化項目（氧化單元空壓系統采用氧化反應副產低壓蒸汽供透平驅動工藝空氣壓縮機），待項目實施后，將無副產蒸汽外供。若能利用酯化產生60kPa壓力的酯化蒸汽去驅動150萬kcal溴化鋰冷凍機組，可滿足裝置所需冷量。不僅可降低冷凍系統用能，還能降低冷卻酯化蒸汽所需的循環水量。

4)熱煤爐燃燒介質由燃料油改為天然氣（干氣）

事業部三套聚酯裝置共有熱煤爐7臺，正常投用4臺，3臺為備臺。按目前生產負荷，1#聚酯的爐油耗量在845kg/h左右，2#聚酯的爐油耗量在1320kg/h左右，3#聚酯的爐油耗量在755kg/h左右，其用能占裝置總能耗的50%以上。熱媒爐作為聚酯裝置的主要設備之一，其安全運行將直接影響到各裝置的正常生產。使用燃料油時，隨著工藝上油壓變化，出口熱媒溫度變化大，嚴重會造成熱媒爐熄火，影響生產運行。燃油爐子的熱效率較低，爐管和空氣預熱器容易結垢和列管容易腐蝕爛穿，經常要進行清洗，設備維修費用較高。油改氣后，在燃燒系統中省去了由于重油的燃燒結焦等堵塞噴嘴而帶來頻繁對噴槍噴嘴的清洗；同時由于燃氣的成分是碳氫化合物，燃燒的尾氣對空氣預熱器內積灰的影響甚微，改變了對熱煤爐的吹灰周期；另外油改氣后，爐子的排煙溫度有所降低，爐子熱效率也得以提高。

3 節能效果

3.1 乙二醇真空泵替代水蒸汽噴射泵

乙二醇蒸氣噴射泵改造從2005年10月起在2#、3#聚酯聯合裝置的各條聚合生產線上全面推廣實施，到2007年底已全部改造完畢，乙二醇蒸氣噴射泵的應用效益已逐步顯現。項目的實施，不僅消除了噴嘴的齊聚物堵塞的生產隱患，解決了水蒸汽噴射泵系統把反應有機物抽掉而造成的原料損失，同時降低了能耗、減少了環境污染，乙二醇真空泵替代水蒸汽噴射泵單線可減少用能56.6kg標油/h，全年運行時間按7880h計，兩套裝置8條生產線全年可降低能耗3568t標油。詳見表2。

表2 改造前后單線公用工程數據比較

3.2 酯化反應廢氣加熱生產原料

2#PET一條生產線就可以最大產出70kPa、114℃的低品質反應廢氣1.26t/h，如果全部利用將它轉化為114℃的飽和水，就可以每小時得到66.8萬kcal的熱量。而裝置單線的PTA漿料進料溫度從30℃升高到90℃，僅需要20.6萬kcal/h的熱量，漿料加熱可以使用掉31%廢蒸氣熱量。采用第一酯化反應分離塔頂產生的低品質反應廢蒸汽加熱進入第一酯化釜前（R-21）的漿料，不僅可減少現有熱煤加熱量，還可減少冷卻酯化廢氣所需的循環冷卻水量。

漿料升溫到90℃所需熱量為20.6萬kcal/h；單線生產負荷以7.1 t/h計，可節能2.9kg標油/t。

另漿料加熱器投用后每臺第一酯化塔冷凝器的循環水用量由136m3/h降為116m3/h，可節能（136-116）×0.1/7.1=0.28 kg標油/t。

項目全部實施后，2#PET裝置可降低能耗3.18 kg標油/t，年產量以34萬t計，全年可節能1000多t標油。

3.3 用酯化廢汽驅動溴化鋰冷凍機組

3#PET裝置產生的酯化廢氣可推動一臺150萬kcal溴機，150萬kcal溴機耗用新鮮蒸汽量約為3t/h，以全年運行7800h計，項目實施后可減少新鮮蒸汽23400t，節能1000t標油以上。目前該方案已在3#PET裝置上進行了試運行，基本上能滿足裝置所需冷量。

3.4 爐子油改氣

油改氣后，爐子的熱效率得到提高，爐子用能量也有較大幅度下降。其中1#PET裝置爐子用能較改造前減少2.24kg標油/t，下降幅度4.7%；2#PET裝置爐子用能較改造前減少13.03 kg標油/t，下降幅度22.57%；3#PET裝置爐子用能較改造前減少6.45 kg標油/t，下降幅度11.19%。表3為改造前后爐子用能情況比較。

表3 爐子油改氣前后能耗比較 kg標油/t

此外，爐子油改氣后，還可降低電、蒸汽、壓縮空氣的用量：

電：爐子改造后，可停用燃料泵、重油泵，燃料供給泵和輸出泵等，降低裝置電耗；

蒸汽：停用重油加熱器和爐子的噴霧蒸汽新鮮蒸汽及重油罐加熱器和底部盤管等一系列保溫蒸汽，聚酯外圍熱媒爐區域基本停用蒸汽；

壓縮空氣：原使用重油，由于爐子結灰嚴重，每天要定期吹灰兩次，改造后，吹灰次數明顯減少，減少了壓縮空氣用量。

3.5 聚酯能源優化方案實施后節能效果

上海石化聚酯裝置通過幾年的能源優化措施，綜合能耗不斷下降，其中3#聚酯裝置下降幅度最為明顯，由原來的179.91kg標油/t下降到目前的95.85kg標油/t，下降幅度高達46.72%；2#聚酯裝置由原來的129.7kg標油/t下降到目前的92.08kg標油/t，下降幅度29.01%；1#聚酯裝置由原來的93.08kg標油/t下降到目前73.8kg標油/t，下降幅度20.71%。見圖2。

4 結束語

不斷采取能源優化措施，使上海石化聚酯裝置能耗有了明顯下降，節能效果相當明顯，聚酯裝置綜合能耗水平已達到中石化集團公司行業先進水平。