丙烯腈裝置節能降耗技術

張 沛 存

（中國石油化工股份有限公司齊魯分公司腈綸廠，山東 淄博 255040）

應用技術

丙烯腈裝置節能降耗技術

張 沛 存

（中國石油化工股份有限公司齊魯分公司腈綸廠，山東 淄博 255040）

簡要分析了齊魯石化公司 4.0萬噸/年丙烯腈裝置的能耗組成，有針對性地開發應用了一系列節能降耗技術，具體為廢水焚燒爐余熱回收技術、廢水濃縮技術、膜法富氧助燃技術、新型高效丙烯腈催化劑、提高丙烯腈精制回收率技術、硫胺逆流雙效蒸發技術等。一系列技術實施后丙烯腈裝置的能耗值由2000年的495.6 kg標油/t.AN降低到2010年的150 kg標油/t.AN，創本裝置歷史最好水平。

丙烯腈；節能降耗；催化劑；精制回收率；能耗

國內丙烯腈（AN）裝置目前普遍采用BP公司的工藝技術[1-2]，盡管各裝置技術路線相同，但是因為各自的生產規模及在石油化工整體布局中的位置不同，雖能耗的構成及能耗大小不盡相同，但裝置的實際原料消耗、能耗水平卻相差很大。2010年12月丙烯腈行業生產月報數據顯示[3]，丙烯消耗最低為1.031 t/t.AN、最高1.093 t/t.AN，能耗最低為88.18 kg標油/t.AN、最高為544.66 kg標油/t.AN，平均167.23 kg標油/t.AN，齊魯石化丙烯腈裝置能耗為150.04 kg標油/t.AN。可以看出，國內大多數丙烯腈裝置節能降耗的潛力是非常大的[2-4]。針對齊魯石化公司4.0萬噸/年丙烯腈裝置能耗高的問題，通過分析裝置能耗組成，有針對性地開發應用了廢水焚燒爐余熱回收技術、廢水濃縮技術、膜法富氧助燃技術、新型高效丙烯腈催化劑、提高丙烯腈精制回收率技術、硫胺逆流雙效蒸發技術等。一系列技術實施后丙烯腈裝置的能耗值由2000年的495.6 kg標油/t.AN降低到2010年的150 kg標油/t.AN，創本裝置歷史最好水平。

1 丙烯腈裝置能耗構成分析

齊魯石化公司4.0萬噸/年丙烯腈裝置的設計能耗構成見圖 1。由圖中數據可知，在該裝置的能耗中燃料消耗所占的比例占首位，為45.46%；電消耗占第二位，為24.7%；蒸汽消耗占第三位，為13.67%；循環水消耗比例為 13.55%；氮氣消耗所占比例為

圖1 齊魯腈綸廠4.0萬噸/年丙烯腈裝置能耗數據構成圖

1.47%；脫鹽水消耗所占比例為0.28%；儀表空氣的消耗為 0.73%；新鮮水所占的比例很小。因此，丙烯腈裝置的節能降耗工作主要集中在燃料、電、蒸汽和循環水4項中。

2 節能降耗技術

2.1 降低蒸汽消耗

2.1.1 焚燒爐余熱回收技術

丙烯腈裝置原設計有一套直排式廢液焚燒爐，將廢水中的有毒物質在高溫（900～1000 ℃）下分解為無毒介質，然后排入大氣。4.0萬噸/年丙烯腈配套焚燒爐的熱負荷高達3887.4×104kJ/h，850～950 ℃的高溫煙氣直接排放造成極大的浪費，為了回收這部分熱量，公司于2001年新建了一套臥式廢水焚燒余熱鍋爐，回收高溫煙氣余熱，產生1.0 MPa中壓蒸汽9.5 t/h，以減少從地方熱電廠購買的蒸汽量，降低蒸汽消耗[5-6]。

廢水焚燒余熱回收爐由臥式廢水焚燒爐、角管式余熱回收鍋爐、鍋爐水預熱器、引風機、煙筒等設備組成。余熱回收焚燒爐標定結果見表 1，總物料平衡如圖2所示，流程簡圖如圖3所示。

表1 齊魯4萬噸/年丙烯腈裝置余熱回收技術標定數據

圖2 余熱回收焚燒爐總物料平衡

圖3 廢水焚燒余熱回收爐流程圖

按年8000 h生產時間計算，僅產汽一項可為裝置節約標油5593 t，投資回收期僅為0.5年。該項目獲得齊魯公司2003年科技進步二等獎。

2.1.2 硫胺雙效逆流蒸發技術

傳統的硫胺生產工藝為單效蒸發、結晶、離心、干燥和包裝，為常壓操作，能源消耗量大，每生產1 t硫胺消耗5 t左右的蒸汽，極不節能，且造成硫胺裝置常年虧損。齊魯石化公司腈綸廠自主開發了硫銨雙效逆流蒸發技術。雙效逆流蒸發技術為負壓操作，主要是將雙效逆流蒸發原理率先引入丙烯腈副產硫銨生產過程，充分利用二次蒸汽能量，大大降低新鮮蒸汽和循環水消耗。項目于2008年3月改造完成投入運行，2008年5月4 日14時至11日14時，對硫銨裝置進行了168 h標定，標定結果見表2。

由表2可知，硫胺的蒸汽消耗量降低了40%，每生產1 t硫銨可節約標油97.04 kg，節能效果十分顯著，如果將該項技術在硫酸銨行業推廣應用，將會取得很大的經濟和社會效益，該技術齊魯石化已經申請國家專利。

2.1.3 精制尾氣回收技術

丙烯腈裝置精制尾氣（分層器、真空泵排放氣）中含有丙烯腈、氫氰酸、乙腈等有機物，原設計經洗滌器用水洗滌后放空，洗滌水為 37 ℃的貧水，雖經洗滌吸收，但仍有少量有機物進入大氣，對環境造成污染，同時對資源也造成了浪費。脫氰塔、成品塔的真空泵尾氣中含有丙烯腈、氫氰酸等有機物，原設計送焚燒爐或火炬處理，造成對資源的浪費。丙烯腈精制尾氣回收技術就是將精制系統各罐尾氣和脫氰塔、成品塔的尾氣送至吸收塔，用吸收塔中的吸收水（4 ℃）將尾氣中的丙烯腈、氫氰酸、乙腈等有機物進行吸收，以回收其中的丙烯腈、氫氰酸、乙腈等有機物。經計算年可回收丙烯腈100 t，回收氫氰酸80 t，降低丙烯腈的物耗，同時可以減少回收處理的蒸汽消耗0.25 t/h，全年可節約2000噸蒸汽，另一方面可以減少對大氣的污染。該項目2008年3月投入生產運行。精制系統尾氣組成見表 3，精制尾氣回收系統圖見圖4。

表2 硫胺雙效逆流蒸發標定結果

2.1.4 提高四效蒸發率技術

齊魯石化4.0萬噸/年丙烯腈裝置配套四效蒸發裝置的蒸發率設計為 50%。為了提高裝置水的利用率，增加去生化處理的量，從而大大降低濃廢水的燒卻量，節約燃料，降低能耗，兄弟廠家紛紛對四效蒸發裝置進行改造，將蒸發率提高到60%～80%[2-4]。齊魯石化于2010年7月通過提高蒸發器的換熱面積和系統真空度等技術改造，將四效蒸發裝置的蒸發率由50%提高到70%。兩種蒸發率下四效蒸發處理廢水的水平衡計算結果如表4所示。

根據表4中兩種工況下的水平衡數據，四效蒸發系統改造前后的節能效果計算如下：減少廢水的燒卻量 2150.6 t/h；增加蒸汽的消耗量 1171.773 kg/h；折算能耗77.337 kg標油/h；減少燃料油的消耗量462.47 kg/h；折算能耗462.47 kg標油/h；廢水生化處理增加的電耗量 3.343 kW·h/h；折算能耗0.936 kg標油/h；總節省的燃動能耗384.197 kg標油/h；全年節能3073.584 t標油；丙烯腈能耗降低76.839 kg標油/t.AN。

表3 精制系統尾氣組成

表4 不同工況下四效蒸發水平衡數據

圖4 精制尾氣回收系統圖

2.2 降低燃料油消耗

2.2.1 廢水濃縮技術

丙烯腈裝置廢水焚燒爐焚燒的廢水中聚合物濃度偏低（15%左右）、熱值低，造成燃料油用量大，油耗在150 kg/t廢水以上，年消耗燃料油8000 t左右，導致裝置能耗高。廢水濃縮技術的出發點就是減少廢水量、提高廢水熱值、降低燃料消耗，從而降低裝置能耗。

通過對丙烯腈廢水分析和蒸發實驗發現，廢水中丙烯腈、乙腈、氰氫酸在蒸發率達到50%時，以上有機物的絕大部分被蒸出，在工業裝置上將這些有機物回收利用，不僅可以減少對大氣的污染，還可以降低物耗，因此齊魯石化公司開發了“有機物回收提濃技術”：將廢水中聚合物濃度由15%～20%提高到40%～50%，同時回收塔頂有機物，塔釜濃縮后的廢水進入焚燒爐焚燒，側線抽出的蒸汽送往四效蒸發裝置的 T504塔做直接加熱蒸汽或送入焚燒爐，焚燒后排入大氣。由于濃縮后廢水量減少一半，燃料油耗量和霧化蒸汽量相應減半，使裝置的能耗大大降低，該項目于2007年12月已建成投入運行。

為了考察廢水濃縮技術的節能效果，2008年1月7日～10日對廢水濃縮裝置和余熱回收爐進行了72 h標定，標定結果見表5。

由表5可知，廢水濃縮技術使丙烯腈能耗降低89.2 kg標油/t.AN，節能幅度達43%。該項目獲得齊魯公司2008年度科技進步三等獎。

表5 廢水濃縮技術標定結果

2.2.2 膜法富氧助燃技術

膜法制氧、富氧助燃技術是利用空氣中各組分透過高分子膜時的滲透速率不同，在壓力差驅動下，使空氣中的氧氣優先通過，獲得氧含量為 27%～31%的富氧空氣[7]。

目前工業裝置上應用的富氧膜均為中空纖維膜，中空纖維膜具有以下的優點[8]。①單位體積裝填密度大。由于中空纖維的直徑小，在裝置中可緊密排列，因而由它組成的膜器裝填密度大。②不用任何支撐體。中空纖維膜的膜器可以自己支撐，可使膜器的加工簡化，費用降低。③設備小型化，結構簡單化。由于中空纖維膜具有表面積大和自我支撐的特點，所以它可制成小型輕便的裝置，應用于醫學和生物制品方面。

中空纖維膜根據其制造方法的不同，可以分為3 種類型。①均質中空纖維膜。它通常是用干紡或熔紡制成的。由于它的壁較厚，因而通量較小。②不對稱中空纖維膜。它是由濕紡或干噴濕紡制成的。這種膜的特點是具有不對稱結構，它的表面為致密層，底部為疏松層。這種膜可用于微過濾、超濾、反滲透和透析等方面。它的通量雖然比均質膜稍大，但仍嫌小，實際應用時操作費用高，經濟效益較低。③復合中空纖維膜。是由兩步法制備的。第一步，先由濕法或干濕法紡成不對稱中空絲，此纖維是一種剛性的多孔支撐體。第二步，在它的上面用浸漬涂層法或界面縮聚法復合一層有選擇性的富氧層。這種膜除有高的富氧能力外，更具有比前面兩種膜大許多倍的通量，且耐壓性能好，是目前最好的中空纖維膜的類型。

2008年齊魯石化公司腈綸廠立項，在丙烯腈裝置余熱回收爐系統方面，與大連化學物理研究所聯合開發應用膜法富氧助燃技術，裝置于 2008年 9月建成投用。齊魯丙烯腈裝置應用的富氧膜為復合中空纖維膜，其組成為：支撐層為聚砜，選擇性分離層為硅橡膠。富氧膜的氧氮選擇性為 1.9～2.2，氧透氣量為 1.1～1.4 m3/(m2·kg·h)。為了檢驗膜法富氧助燃裝置是否達到設計要求和節能效果，2009年2月2日～5日對投用膜法富氧助燃系統的余熱回收爐進行了72 h標定，焚燒爐膜法富氧助燃系統流程圖見圖5，標定結果見表6。

表6 膜法富氧助燃系統投用后余熱回收爐標定結果

由表6可知，在相同運行條件下，開啟富氧助燃裝置能節省乙烯焦油消耗19.64 kg/t廢水，節能幅度21.26%，標定期間富氧空氣中氧含量31%，達到設計要求。該項目獲得齊魯公司2008年度科技進步三等獎。

2.3 降低物耗、能耗綜合技術

2.3.1 提高丙烯腈精制回收率技術

我國在20世紀先后引進的8套丙烯腈裝置雖然設計的精制回收率為94%，但實際運行水平都只有90%左右，最好水平也只有92%，與國外97%的先進水平相差甚遠[9]。為此，中國石化總公司組織開展提高丙烯腈精制回收率科技攻關，上海石油化工研究院為開發研究主體，齊魯石化公司為工業試驗主體。攻關分兩個階段進行：第一階段使裝置達標，即精制回收率達94%；第二階段使裝置精制回收率提高到96%。

第一階段的開發工作主要以急冷過程為主攻方向，從設備的不合理方面加以改進，通過對急冷、中和過程丙烯腈聚合動力學和擴散動力學的理論研究，分析氣液傳熱和流場分布。在此基礎上，對急冷塔的急冷工藝和設計進行改進，通過冷、熱模擬研究和千噸級工業試驗，提出以新型內構件改變急冷塔氣、液流場分布、以減少急冷塔下段塔釜液在塔釜的停留時間，抑制塔釜液相中丙烯腈的自聚反應和丙烯腈-氨的加成反應，從而有效降低了丙烯腈聚合損失。于2001年5月實施改造，2001年9月29日至10月2日進行了72 h標定，標定結果精制回收率達到94.21%。目前，該技術已在國內6套引進裝置中得到推廣應用。

第二階段的開發工作：首先采用提高急冷塔氣液傳熱效率的新型組合內構件，在有效提高急冷塔的氣液傳熱效率、增強急冷效果的同時，縮短了急冷塔下段反應氣體從200～80 ℃的急冷時間，有效降低了反應氣體中丙烯腈在氣相中的聚合損失，從而達到使丙烯腈聚合損失再降低的目的。之后，增加急冷塔上段的噴淋密度，提高對未反應氨的吸收效果。其次，調整工藝參數，抑制丙烯腈聚合及與氨的加成聚合損失。改造分2003年10月和2004年11月兩次進行，2004年11月23日～26日對裝置進行了72 h標定，丙烯腈精制回收率達到96.13%的攻關目標，兩次標定結果見表7。該項目分別獲得中國石化2002年和2005年度科技進步二等獎。

由表7可知，提高丙烯腈精制回收率技術改造后，丙烯腈能耗由改造前的412 kg標油/t.AN降到167.01 kg標油/t.AN。

表7 第一代、第二代提高丙烯腈精制回收率技術標定結果

2.3.2 新型高效丙烯腈催化劑

為了滿足國內生產實際需求，特別是隨著各丙烯腈工廠的擴能改造，丙烯腈的生產對催化劑的要求越來越高，希望催化劑能承受更高的負荷（WWH），進一步提高催化劑長期運行的性能，以滿足高壓力和高負荷條件下長期運行且能保持較高的丙烯腈收率的要求[1]。基于上述原因，同時也為了保持我國催化劑研發的先進水平，上海石油化工研究院承擔了中國石化總公司的開發課題，推出了SAC-2000型催化劑并于2006年10月19日在齊魯石化丙烯腈裝置上進行工業試驗[10]，運行結果表明，丙烯腈的能耗物耗大幅度降低，丙烯腈單收達到國際先進水平。為了全面考察SAC-2000催化劑的性能，分別在催化劑運行3個月、6個月和12個月后進行了72 h標定，標定結果見表8。該項目獲得中國石化2008年度科技進步二等獎。

表8 SAC-2000催化劑標定結果

2.4 節電技術

2.4.1 原料空氣壓縮機組的節電運行

由于齊魯石化丙烯腈裝置原料空氣壓縮機組（C-104）是由汽輪機、壓縮機、變速箱、熱力耦合器、電機5部分組成。空氣壓縮機組正常運行時，主要靠反應器合成反應放熱產生的高壓蒸汽驅動汽輪機提供動力。電動機主要在C-104機組啟動、丙烯腈裝置生產初期和蒸汽不穩定時輸出動力。電動機多數時間隨動運行，基本處于空載運行狀態，平均運行電流約50 A。通過查閱變電站歷史運行記錄報表，電度表所計量的平均消耗功率在160 kW左右。2004年2月公司提出在生產穩定條件下，讓電動機退出運行。通過多次試驗，實現了C-104大電機脫離，使丙烯腈裝置的電耗大大降低，年節約電量126.2萬度，丙烯腈電耗降低31.55 kW·h/t.AN，年可節約電費69.7萬元。

2.4.2 優化制冷機組運行節電

齊魯公司丙烯腈裝置設計有3套0 ℃乙二醇鹽水制冷機組，分別是C-401制冷量1860 kW、C-402制冷量1395 kW、C-802制冷量1162 kW，原設計C-401和C-402機組供丙烯腈主裝置的用冷設備，C-802機組供乙腈裝置的用冷設備，作者等根據系統工程優化理論，對丙烯腈聯合裝置的用冷進行優化：將 0℃鹽水管網并聯起來，使三臺制冷機組互為備用，根據季節溫度變化調整機組的運行。由于冬季氣溫低每年從11月份開始到次年4月份停運C-401和C-802兩套機組，年節電9389304 kW·h，使丙烯腈聯合裝置電耗降低234.73 (kW·h)/t.AN，丙烯腈電耗降低128.06 (kW·h)/t.AN。

2.5 降低循環水消耗

循環水消耗在丙烯腈裝置能耗中占第4位，對裝置的能耗影響很大。但是受丙烯腈裝置生產工藝的限制，循環水可調節余地不大。為了加強循環水的管理，2007年12月齊魯公司委托大連理工大學對丙烯腈裝置循環水系統進行了水平衡測試，測試結果如下：丙烯腈裝置循環水系統總供水量為2890.7 t/h，總回水量為2864.6 t/h，總損失水量為26.1 t/h，總循環率為99.1%，損失水量占總供水量的 0.9%。考慮測量儀器誤差，總循環率應在99.5%左右，損失水量約為14.5 t/h，循環水系統整體平衡情況較好，循環水平衡圖見圖6。因此，循環水消耗只能通過加強日常管理，嚴格控制換熱器出入口溫差大于7 ℃，加強巡檢，減少跑冒滴漏等損失。

3 節能降耗效果

由于上述一系列節能降耗技術的實施，齊魯石化丙烯腈裝置的能耗逐年降低，由2000年的495.6 kg標油/t.AN降低到2010年的150 kg標油/t.AN，創該裝置歷史最好水平。

4 結 論

（1）分析了齊魯石化公司 4.0萬噸/年丙烯腈裝置的能耗組成，燃料、電、蒸汽和循環水消耗分別占裝置能耗的比例為45.46%、24.7%、13.67%和13.55%，是影響裝置能耗的關鍵因素。

（2）通過有針對性地一系列節能技術措施的實施，使丙烯腈裝置的能耗值由2000年的495.6 kg標油/t.AN降低到2010年的150 kg標油/t.AN，創本裝置歷史最好水平。

圖6 丙烯腈裝置循環水系統平衡圖

[1]吳糧華. 丙烯腈生產技術進展[J]. 化工進展，2007，26（10）：1369-1372，1410.

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Energy saving and consumption reducing technology in acrylonitrile device

ZHANG Peicun
（Acrylic Fiber Plant of Qilu Branch，SINOPEC，Zibo 255040，Shandong，China）

The composition of energy consumption for qilu petrochemical company 4.0 million tons/year acrylonitrile device is analyzed. A series of energy saving technologies have been developed and applied to this process，which include wastewater incinerator recovery technology，wastewater enrichment technique，membrane rich oxygen aid-combustion technology，new efficient acrylonitrile catalyst，acrylonitrile refined recovery technology，thiamin counter-current double-effect evaporation technology. Energy consumption was reduced to 150 kg standard oil/t.AN in 2010，reached the best record of this device in history，which was 495.6 kg standard oil/t.AN in 2000.

acrylonitrile；saving energy；catalyst；refined recovery；energy consumption

TQ 226.6；TQ 083.4

A

1000–6613（2011）10–2317–07

2011-04-12；修改稿日期2011-05-26。

張沛存（1965—），男，教授級高級工程師。E-mail zhangpcun.qllsh@sinopec.com。