節能新技術在芳烴裝置改造中的應用

夏文女

(中國石化上海石油化工股份有限公司芳烴事業部, 200540)

項目評價

節能新技術在芳烴裝置改造中的應用

夏文女

(中國石化上海石油化工股份有限公司芳烴事業部, 200540)

針對該裝置存在的問題,結合實例介紹了芳烴裝置先進的節能技術和效果,并提出了具體的改造措施。預計改造后對二甲苯裝置的燃動能耗可降低 26.1%～39.2%,節能效果顯著。

芳烴裝置 節能新技術 改造 應用

中國石化上海石油化工股份有限公司 (以下簡稱上海石化)芳烴事業部共有 2套芳烴生產裝置,即芳烴 1#裝置 (包括 1#連續重整裝置及下游裝置)和芳烴 2#裝置 (包括 2#連續重整裝置及下游裝置)。芳烴 1#裝置建于上世紀 80年代,工藝技術比較落后,存在加熱爐多、空冷器 (水冷器)多、設備性能差、缺少熱集成系統等問題,因此裝置的能耗水平遠高于 2009年建成投用的芳烴 2#裝置。為降低芳烴 1#裝置能耗,擬采用節能新技術對該裝置進行改造。

1 裝置概況

1.1 工藝流程

芳烴 1#裝置以加氫裂化重石腦油為主要原料,通過催化重整、芳烴抽提、二甲苯精餾、吸附分離、歧化與烷基轉移和二甲苯異構化等工藝過程,生產苯和對二甲苯 (PX)。圖 1所示為芳烴 1#裝置工藝流程。

這 2套芳烴裝置工藝流程基本相同,均以加氫裂化重石腦油為主要原料,原料性質能夠滿足重整裝置的進料要求,因此工藝流程中沒有預加氫處理單元。

1.2 芳烴 1#裝置能耗構成與分布

表 1為芳烴 1#裝置對二甲苯能耗構成數據。由表 1可見,該裝置的能耗以燃料、蒸汽和電為主,其中燃料消耗最高,占總能耗的 56.17%,工業水、純水所占的比例很小。

表 2為按單元與產品類別劃分的芳烴 1#裝置燃動能耗分布數據。

從表 2數據可以看出,芳烴 1#裝置能耗以對二甲苯生產區域為主,占整個裝置總能耗的68.31%。

表 1 芳烴 1#裝置對二甲苯燃動能耗構成＊

表 2 芳烴 1#裝置燃動能耗分布 %

綜合以上分析,芳烴 1#裝置節能改造重點是降低對二甲苯生產區域的能耗,尤其是燃料消耗。因此,擬對芳烴 1#裝置的歧化單元、吸附分離單元、異構化單元和二甲苯分離單元進行以節能降耗為主、擴能為輔的技術改造。設想通過低溫熱的回收利用及采用新型催化劑 (吸附劑),降低對二甲苯生產區域的能耗;通過回收煙氣余熱降低加熱爐的燃料氣消耗;通過利用新型換熱設備(塔內件)及熱集成技術降低對二甲苯生產區域的能耗,特別是燃料氣的消耗。

2 節能改造措施

2.1 采用熱集成技術

芳烴 1#裝置中,對二甲苯生產區域的精餾塔數量較多,且負荷均較大,大部分精餾塔用加熱爐單獨供熱,塔頂潛熱采用空冷器和水冷器進行冷卻,能量浪費嚴重,而采用熱集成技術可改變這種情況。

所謂熱集成技術,就是根據烴類沸點及冷凝溫度,隨操作壓力升高而升高這一特點,當裝置中有幾個精餾塔同時運行時,可以通過設計使這幾個塔在不同的壓力和溫度下操作,將高溫塔塔頂流出氣體的冷凝熱提供給低溫塔塔底再沸器,將高溫塔的塔釜液提供給需要較高品位熱源的精餾塔再沸器熱源,以實現熱源的聯合應用。

以芳烴 2#裝置為例,其甲苯塔的熱聯合流程如圖 2所示。歧化單元中甲苯塔通過提壓操作,塔頂蒸汽作為苯塔再沸器的熱源,甲苯塔塔底采用再沸爐供熱。甲苯塔塔底再沸爐設計熱負荷約30.9 MW,在提供苯塔和甲苯塔熱量后,多余的熱量由甲苯塔塔頂空冷器進行調節,提高了熱量的利用率。

芳烴 1#裝置的節能改造中,擬對二甲苯塔、甲苯塔采用加壓操作,回收的二甲苯塔頂冷凝熱量用作吸附分離塔底重沸器的加熱熱源;回收的甲苯塔頂的冷凝熱用作苯塔底重沸熱源,使塔間的能量得到綜合利用,有效地降低燃料消耗,從而降低對二甲苯生產區域的能耗。

2.2 采用新型換熱設備 (塔內件)

2.2.1 板式換熱器

芳烴 1#裝置中,歧化單元和異構化單元進、出料換熱器均采用了普通管殼式換熱設備,回收到的熱量較小。

板式換熱器是采用波紋板片作為傳熱元件,每 2張板片對扣后形成一個傳熱單元,即板管,板束、板片間采用專用程控氬弧焊焊機進行焊接,全焊接式板束裝在壓力殼內。與傳統的普通殼式換熱設備相比,板式換熱器熱端溫差小、壓力低、回收的熱量多,其傳熱效率是管殼式換熱器的 2～3倍。

表 3為某芳烴歧化裝置的歧化反應器進、出料換熱器更換為板式換熱器后各設備的負荷變化情況[1]。從表 3中可以看出,更換為板式換熱器后,進料加熱爐熱負荷下降 70%以上。更換前所需的燃料氣流量為 1 400 m3/h,而更換后僅需545 m3/h,節能效果明顯。

表 3 更換換熱器前后設備熱負荷比較 MW

在這次節能改造中,擬將歧化進料換熱器、異構化進料換熱器將改換成焊板式換熱器,以降低燃料氣消耗。

2.2.2 高通量管換熱器

芳烴 1#裝置中,苯塔重沸器采用了普通的管殼式換熱設備,抽余液塔重沸器、抽出液塔重沸器以及脫庚烷塔重沸器等塔器均采用加熱爐加熱,燃料消耗量很大。

高通量管換熱器,又稱為多孔表面管換熱器,是一種通過傳熱表面處理,使管殼式換熱器再沸騰傳熱下得到強化的換熱器。與普通的換熱器相比,高通量管換熱器可較大幅度的提高傳熱系數,尤其適用于有相變的傳熱過程,換熱效果成倍提高。多孔高通量換熱管加工中過程中,采用了特定的噴涂技術,在換熱管束外表面或內表面燒結上一層微觀多孔微粒層[2],這一層多孔金屬既增加了表面熱交換面積,又為相變提供了大量的促進氣泡形成的活性核心,大大提高了傳熱速率。

表 4為某廠催化裂化裝置普通型換熱器更換成高通量換熱器后性能比較[1]。更換高通量換熱器后,總傳熱系數平均提高 89%,管束質量減少 25%,設備運行負荷提高 16%,所需加熱蒸汽的溫度降低,高通量換熱器強化傳熱效果顯著。

在這次節能改造中,擬將苯塔重沸器更換成高通量管換熱器,將抽余液塔、抽出液塔重沸器的加熱爐改為高通量管換熱器。新增的換熱器將全部采用高通量管換熱器,以使燃料氣消耗降低,從而降低對二甲苯生產區域的能耗。

表 4 使用不同換熱器運行參數對比

2.2.3 高效塔盤

芳烴 1#裝置中,二甲苯塔與抽余液塔等塔盤采用了普通篩孔塔板或導向浮閥塔板,分離精度較差,回流比較大,冷凝能耗和再沸能耗均較高。

塔盤是板式分離塔的核心,是氣液接觸進行熱量傳遞和質量傳遞的場所。近年來研制開發的新型塔盤[3-4]可較大幅度提高塔的分離效率,降低回流比,減少塔底加熱爐或重沸器的熱負荷。中國石油化工股份有限公司洛陽分公司采用復合孔微型閥高效塔盤,對二甲苯單元 6個塔器的塔盤進行了更換[5],與改造前相比,更換塔板后加熱爐的塔板效率提高 10%以上,其中抽余液塔塔板效率提高了 25%,二甲苯單元 6個塔節能總量達到 16.785 MW。

芳烴 1#裝置改造中,二甲苯塔、抽余液塔等塔器擬選用復合孔微型閥等新型高效塔盤。通過高效塔盤的使用,在保證產品純度的前提下,減少回流量,降低對二甲苯生產區域的能耗。

2.3 回收利用低溫熱

芳烴 1#裝置流程長,循環物料多,分離過程多,塔器多,大部分塔都是常壓操作,塔頂操作溫度一般在 120～160℃,回流溫度 60～90℃,塔頂冷凝低溫熱多。由于大部分的低溫熱難以在裝置內部消化,多采用空冷、水冷的方式進行冷卻。一套 250 kt/a的芳烴裝置沒有回收的低溫熱就達到88.35 MW,相當于浪費 200 kg標油。對二甲苯裝置的低溫熱源若用來產生 0.4 MPa蒸汽,按照熱負荷 88.35 MW、1 kg的 0.4 MPa蒸汽相當于2.09 MJ熱量計算,其流量可達 152 t/h;若用來發電,年發電量可達到 1.22×108kW·h,節能效果明顯。

在芳烴 1#裝置的節能改造中,設想把抽余液塔、抽出液塔和甲苯塔多余的冷凝熱用來發生0.4 MPa的蒸汽,該蒸汽通過新建的二甲苯塔底重沸爐對流段過熱至 200℃并送出裝置,作為新建 1 000 kt/a連續重整裝置 (3#重整裝置)氫增壓機的透平驅動蒸汽和其他裝置的加熱熱源,改變以往透平機采用 3.5MPa蒸汽或 1.0MPa蒸汽的狀況,降低對二甲苯生產區域的能耗。

2.4 回收煙氣余熱

普通加熱爐的煙氣排放溫度一般在 300℃左右,直接排放不僅浪費熱量,還會造成大氣污染。煙氣余熱回收技術是將煙道氣從煙道引出,與進入加熱爐爐膛的燃燒空氣換熱,以此提高燃燒空氣溫度,減少加熱爐燃料消耗,從而實現煙氣余熱利用的目的。目前煙氣余熱回收系統一般采用熱管技術、搪瓷管技術、水熱媒技術和擾流子技術。以芳烴部 3#芳烴聯合裝置為例,5臺加熱爐的余熱回收系統投用后,加熱爐的平均熱效率提高5%以上。

在芳烴 1#裝置的節能改造中,對新增的二甲苯塔重沸爐計劃采用下置式熱管空氣預熱器回收煙氣余熱,用來預熱燃燒用空氣,以減少加熱爐的燃料消耗。

2.5 采用新型、高效催化劑和吸附劑

重整、歧化、異構化單元的催化劑以及對二甲苯吸附劑的性能關系到芳烴裝置的優化運行、產品的收率以及各項技術經濟指標,也直接影響到裝置的能耗。因此選擇高性能催化劑對裝置整體效益的提高有著重要的意義。

芳烴 1#裝置的節能改造中,設想在反應器以及循環氫壓縮機不作改動的前提下,通過選用新型、高效歧化、異構化催化劑以及吸附劑,提高對二甲苯產能,降低對二甲苯生產區域的能耗。

歧化及烷基轉移催化劑,擬選用中國石化上海石油化工研究院最新研發的 HAT-100催化劑。該催化劑能夠提高歧化進料中重芳烴質量分數、反應轉化率以及目的產物選擇性,每年可增產二甲苯 4%,而裝置能耗下降 5%。

二甲苯異構化催化劑,擬選用中國石化石油化工科學研究院最新研發的 R IC-200乙苯轉化型催化劑。其性能與目前使用的 SKI-400相比,在保持較高的乙苯轉化率的條件下,乙苯轉化為二甲苯的選擇性更好。實驗室評價結果表明,R IC-200催化劑已經達到了國外同類產品的水平。通過使用 R IC-200催化劑,預計可使異構化反應平衡時對二甲苯與混二甲苯的質量比從22.5%提高到 23.2%,而對二甲苯生產區域的能耗沒有增加。

吸附劑擬選用 UOP ADS-37吸附劑,相對于芳烴 1#裝置目前使用的 ADS-7吸附劑,ADS-37的裝劑量可下降 10%,其吸附容量、對二甲苯吸附選擇性以及產品純度均有望得到不同程度的提高,能耗也將有所下降。

3 預期節能效果

通過實施上述改造,預計芳烴 1#裝置中對二甲苯區域燃動消耗可降低 26.1%～39.2%,節能47.0～70.5 kt標油 /t。同時 ,在歧化、異構化裝置反應器、循環氫壓縮機以及吸附裝置吸附塔不作改動的前提下,通過選用新型催化劑和吸附劑來提高裝置處理能力,預計對二甲苯年產能可提高 30%～50%。

ABSTRACT

[1] 矯明,徐宏,夏翔鳴,等.芳烴歧化裝置節能改造方案研究[J].現代化工,2007,27(10):43-45.

[2] 劉阿龍,徐宏,王學生.燒結型表面多孔管綜述[J].石油化工設備,2005,34(1):47-49.

[3] 左美蘭.塔板最新研究和展望[J].化學工業與工程技術,2009,30(1):27-31.

[4] 李友松,倪曉亮.復合孔微型高效浮閥塔盤在對二甲苯裝置抽余液塔中的應用[J].化工進展,2006,25(6):714-717.

[5] 高國正,唐孟海.芳烴聯合裝置的節能優化改造[J].石油和化工節能,2009(6):32-34.

In order to solve the problems in aromatic plant,detailed measures for reformation were raised based on introduction of the advanced energy-saving technologies and effects for aromatic plants.It ispredicted that the energy consumption of fuel and power in PX plant could decrease 26.1%～39.2%after reformation.

Application of New Energy-saving Technology in Technical Reform of Aromatic Plant

XiaWennü
(A rom atic D ivision,S INOPEC Shanghai Petrochem ical Co.,L td.200540)

aromatic plant,new energy-saving technology,refor mation,application

1674-1099 (2011)02-0011-05

TE09

A

2010-12-30。

夏文女,女,1965年出生,1986年畢業于上海石油化工化工高等?？茖W校有機化工專業,工程師,現從事技術管理工作。