節能技術在丙烷脫氫裝置上的應用

張寶春

（天津渤化石化有限公司，天津300000）

節能技術在丙烷脫氫裝置上的應用

張寶春

（天津渤化石化有限公司，天津300000）

介紹了天津渤化石化有限公司年產60萬t丙烷脫氫制丙烯裝置上實施的節能生產技術，具體有機泵節能、傳熱節能、蒸餾節能等。實踐證明，通過應用節能技術，裝置總能耗由原設計的334kgce/t丙烯可降至300kgce/t丙烯以下，投資少、見效快、不影響產品質量，實現了環境效益與經濟的統一。

丙烷脫氫；節能技術；優化；應用

我國化工生產的能源浪費嚴重，大多數化工產品單位能耗都比國外同類產品高出很多。例如，2012年我國乙烯產品綜合能耗平均為849.30kgce/t，國外一般為500～550kgce/t、先進水平為440kgce/t。［1］因此，我國化學工業的節能潛力是很大的。

我公司年產60萬t丙烷脫氫（PDH）制丙烯裝置，引進西比埃魯姆斯公司（CBILummus）先進技術，裝置分為反應單元、產品氣壓縮和低溫回收單元以及產品精制單元三個部分。丙烯產品綜合能耗可達300kgce/t以下。下面就節約電力、燃料和蒸汽三個方面為主，介紹節能技術在該裝置中的應用。

1　機泵節能

在PDH裝置中，流體輸送機械的耗電量，占裝置耗電量的95%以上，通過各種措施降低機泵等流體輸送機械能耗，是降低PDH裝置電耗的主要途徑。

1.1泵的工作范圍及選擇

泵的選擇直接關系到泵能否安全、可靠、經濟運行。每一臺泵都有一個最佳的工作范圍。在一定轉速下，離心泵的揚程、軸功率、效率與流量間的關系可用泵的特性曲線表示。泵的特性曲線上的每一點都對應著一個工況，而泵的最高效率點的工況是泵運行的最理想設計工況。

泵在最高效率點工作在實際運行中會有困難，但是運行的效率也不能偏低太多，因此，每一臺泵都規定有一定的工作范圍。泵的工作范圍以效率下降不大于7%為界限（一般為5%～8%）。

管路性能曲線是表示管路系統中流體的流量與所消耗的壓頭間的關系，將單位質量的流體從吸入容器輸送到壓出容器所需能量可表示為：

式中：ha→壓出容器與吸入容器之間的高度差；壓出容器與吸入容器之間的壓頭差；

∑hf從吸入容器到壓出容器間的沿程與局部阻力損失。

將上式標繪在圖上所得的曲線稱為管路性能曲線。泵的特性曲線與管路性能曲線的交點就是泵在裝置中運行的工作點。該工作點應落在泵的工作范圍區內。

泵的選擇應根據計算的流量與揚程，利用“離心泵性能表”或利用“離心泵綜合性能圖（或稱型譜）”選擇。不論利用哪一種方式選擇泵，在具體選擇了泵的型號后，應從“水泵樣本”中查出該泵的性能曲線，并標繪出系統管路運行性能曲線，復查泵在系統中運行的工況，看泵在流量、揚程變化范圍內，是否處在最高效率區附近工作。如果效率變化不是很大，選擇就此為止；若偏離最高效率區較大，最好另行選擇，否則運行經濟性差。

離心泵選擇應注意：

一般選擇泵時裕量在8%為宜，即實際選擇的泵可取：

精心設計、精確計算，選泵時不要單憑經驗，這樣才能保證泵在最佳效率區工作。雖然計算往往是復雜的，但可以避免常年累月的電能浪費，這樣做是值得的。對大多數多級泵應避免流量低于最高效率點流量的20%。

必要時采用大小泵配置的運行形式。

1.2泵的能量損失及改善泵性能的措施

泵的效率是表示泵的能量轉換程度的一個重要的經濟指標。泵的能量損失包括機械損失、容積損失和水力損失。軸功率減去這三項損失所消耗的功率就是泵的有效功率。為保證泵的高效運行。

密封形式的改進：填料密封是最常用的一種軸封裝置，填料密封磨損大，泄漏嚴重，機械損失功率較大，并需要經常的維修與保養。機械密封比填料密封性能好，泄漏少，使用壽命長，運行可靠。機械密封的機械損失功率為填料密封的10%～15%，所以高溫、高壓、高速泵的軸封應采用機械密封。目前，PDH裝置水泵全部采用機械密封，效果良好。

及時維修、良好保養：由于泵的高速運轉、輸送流體的腐蝕都會使泄漏量增加。泄漏間隙越大，能量損失也越大，對開式葉輪更為明顯。因此，及時維修并更換易損零件、減少間隙對節約能源是有幫助的。

務必使泵在工作范圍區運行：泵在設計工況點運行時水力損失為最小。偏離設計流量越大，沖擊損失越大，沖擊損失大小與流量和設計流量偏離值 Q的平方成正比，要使泵有較高運行效率，其流量不能偏離泵的工作范圍流量。

正確的設計可以有效地降低能耗：在充分滿足管道柔性的前提下，設計時應使出入口管道最短；去除不必要的管道、彎頭、閥門；減少換熱器的壓降損失；減少流體的流動阻力損失，降低動力消耗。

避免泵內夾帶氣體：對于離心泵，只要在液體中含有1%～2%的氣體，就會降低揚程與流量3%～5%，且會引起泵的振動及其他破壞形式，引起泵效率下降。

節能調節：由于設計規范、泵系列、泵型號等限制，往往所選擇的泵的流量或揚程過高，在運行中需對泵的工況點進行調節，以滿足實際流量與揚程的需要。調速法和切割葉輪法與節流調節相比可節約能源40%～50%，但目前國內泵運行系統仍普遍采用節流調節法，能耗較大。對相同的流量變化，入口節流調節其附加節流阻力損失小于出口節流損失，但入口調節容易使泵產生氣蝕現象，因此在水泵中不宜采用，一般只在壓縮機或風機中采用。

例1，PDH裝置鍋爐給水泵（GA-1731A/B/S）設計選型 Q＝200m3/h，H＝580m，配電機 P＝500kW。出廠前性能測試揚程高達668m，經切割葉輪將揚程降至580m，軸功率由481kW降至436kW，年節電近72萬度。

例2，PDH裝置所有動力式壓縮機組皆采用入口流量調節。如2套再生空氣壓縮機組GB-1101A/B：流量750t/h，出口壓力0.138MPaG，軸功率17909kW@－18℃/22375kW@39.4℃，SGT-700燃氣輪機驅動。空壓機入口和燃氣輪機壓氣機1、2級都設有IGV調節。

節能控制：對系統負荷要求發生變化較大的機泵，采用大小泵配置的運行方式，啟動相適應流量的泵（臺數），如PDH裝置的空壓機、DMW泵、FW泵等，2015年運行小空壓機較以前節電700kW。工藝流程優化節電

PDH裝置干燥床、脫硫床的再生原設計采用天然氣循環，需設一臺再生天然氣壓縮機連續運行。壓縮機入口流量25t/h，進出口壓差0.511MPa，軸功率1406kW。現將再生介質改為氣相丙烷，用后作為反應器進料進行脫氫反應，改造后省去了該壓縮機年可節電1000萬度以上。

2　燃料和蒸汽

2.1進料加熱爐燃料

該爐在設計時就充分考慮熱量回收和強化傳熱措施，熱效率達90%以上。它由對流段水平布置的BFW預熱盤管、氣相丙烷預熱盤管和輻射段垂直布置的氣相丙烷加熱管組成，對流段爐管全部為翅片管，并設有在線吹灰設施。另外，燃燒器設計成既可使用氣體燃料（天然氣或脫氫尾氣），又可使用液體燃料（C4+）。因此，PDH生產過程的輕、重組分皆可作為燃料，不足的才補充天然氣。

2.2燃機用天然氣

PDH裝置再生空氣壓縮機由2臺SGT-700燃機驅動。設計空氣流量2X750t/h，天然氣用量冬季7t/ h夏季10t/h。一方面，隨季節、晝夜環境溫度變化，空壓機、燃機壓氣機都設有IGV進行入口節流調節；另一方面，燃機入口設有精密空氣過濾器，使機器長期高效運行。燃機排氣依次經過余熱鍋爐的蒸汽過熱盤管、蒸汽發生盤管、BFW預熱盤管和蒸汽輪機凝水預熱盤管，排煙溫度123℃。

2.3傳熱節能

換熱設備是化工生產正常運行不可缺少的設備，傳熱過程也是化工生產中最常見的單元操作。蒸汽熱能是化工生產的主要能源，其消耗量要超過電能。

2.3.1傳熱過程的有效能損失

在化工生產中，往往過程在某一較高溫度下進行，而原料液及產品均為常溫，因此原料液必須被加熱，而產品卻需要冷卻，為節約能源，應當進行換熱。能量的價值決定于所含的有效能的多少，有效能的利用與損耗是評定換熱過程經濟性的重要指標。

對穩定傳熱過程，傳熱速率為Q，則：

傳熱過程的有效能損失為：

傳熱過程的有效能效率為：

上式表明：

換熱過程有效能損失愈大，有效能效率就愈低，能量的降級也愈大。例如溫度為Th=300℃熱流，如環境溫度T0=15℃，當冷流為Tc=270℃（從250℃預熱到290℃）的油品時，有效能損失為5.6%，換熱回收有效能效率為94.4%。當冷流為25℃的空氣時，有效能損失達93.2%，有效能效率僅6.8%。

傳熱過程的能量損失來自于傳熱溫差，溫差愈大，有效能損失愈大，在節能上愈有潛力。

設備熱損失所引起的有效能損失不僅取決于散熱量，而且與其溫度有關，溫度越遠離常溫，有效能損失越大。這反映了保溫工作的重要性。

隨著節能工作的深入，傳熱溫差將減少。傳熱溫差的減少，使管殼式換熱器的熱應力減小，從而使固定管板式換熱器有更大的使用范圍。另外，傳熱溫差的減小，有利于減輕污垢。但傳熱溫差的減小，必然會降低傳熱速率，若要改善換熱器的經濟性，就必須提高總傳熱系數。

2.3.2傳熱方程與節能

穩定傳熱過程可用傳熱速率方程表示：Q=KA

tm。由方程可知，提高傳熱速率有三種途徑，即：提高傳熱系數，增大換熱面積，增大傳熱平均溫差。

提高傳熱系數：在換熱面積和傳熱溫差給定的情況下，提高傳熱系數是強化傳熱的重要途徑，也是增大換熱量的唯一方法。對潔凈的換熱器，要增大傳熱系數，就必須增大管壁兩側的傳熱膜系數，尤其是提高換熱差一側的傳熱膜系數。

增大換熱面積：擴展傳熱面積是強化傳熱量的有效途徑，采用各種翅片管、螺紋管等是提高單位體積內換熱面積的有效方法。

增大傳熱平均溫差：在換熱器中冷熱流體一般作逆向流動，其傳熱平均溫差最大。但在化工生產中，冷熱流體的種類和溫度往往由生產要求而定。

2.3.3傳熱節能的強化途徑

工藝改進，提高熱能的利用率。蒸發和蒸餾都是耗能很大的化工過程，為了減少蒸發與蒸餾過程的熱能消耗，應在盡可能條件下采用多效蒸發和多效蒸餾，以充分利用熱量。多效蒸餾即利用一個塔的塔頂蒸汽潛熱作為另一個塔塔底再沸器的熱源。在PDH裝置中，產品分離塔就是利用產品氣壓縮機、丙烯制冷壓縮機兩臺蒸汽透平的排氣（246t/ h@86℃）冷凝以及丙烯制冷壓縮機出口熱丙烯（180t/h@101℃）冷凝提供熱源。246t/h@83℃冷凝水經燃氣輪機排氣余熱鍋爐預熱至102℃后進入除氧器作為鍋爐給水。因塔頂冷凝器采用空冷，夏季丙烯機出口熱丙烯將不能用塔底丙烷汽化來冷凝，塔底所缺少的熱量由蒸汽滿足（加至表冷器）。脫乙烷塔塔底熱源也全部來自丙烯制冷壓縮機三段出口115t/h@32℃丙烯冷凝提供。

充分回收低位熱能：化工企業所消耗的總熱能80%左右最終以低品位熱能形式向環境排放，造成能量的嚴重損失，因此，有效地利用低位熱能是提高能源利用率的重要途徑。在PDH裝置中，低位余熱利用主要有以下幾種類型：

蒸餾過程可以充分利用塔頂或塔側產品的潛熱或顯熱及塔底產品的顯熱來預熱（冷）物料。例如：用脫乙烷塔塔底15℃物料先后經欲冷凍的丙烯產品、冷箱中的熱物料回收冷量后作為產品分離塔進料。

煙氣余熱回收。PDH裝置利用一臺大型板換回收煙氣熱量（280℃降至154℃），將1364t/h再生空氣由60℃加熱至194℃。

回收蒸汽凝水的熱量：將鍋爐排污近10t/h熱水閃蒸出微正壓蒸汽至除氧器用于加熱鍋爐給水。

化學反應熱的充分利用：反應器催化劑再生燒焦產生的熱量直接用于加熱床層；反應器內安裝1/4床層的HGM（Heat Generation Material），反應過程（氫氣還原HGM）和再生過程（空氣氧化HGM）都是放熱反應，給丙烷脫氫反應提供熱量。

減少熱量傳輸過程的熱損失：加強對設備及管道的保溫管理，改進保溫材料，提高保溫效果，盡量減少設備和管道的熱損失。比如，一根1m長裸露的4″蒸汽管道，每小時將冷凝2～5kg的蒸汽，每年將要多消耗1～2t煤。對冷凍管道及設備也要注意保冷，保冷的絕緣層要保持干燥，避免濕氣進入，以影響保冷效果。

建立設備維修制度，定期對換熱設備進行清洗、檢修，去除污垢、雜質。

加強對疏水器的維修與管理。對蒸汽漏損嚴重的老式疏水器應予以淘汰更換。

提高傳熱系數，強化傳熱。例如，PDH裝置選用了8臺螺旋折流板換熱器來強化傳熱。

2.4節能技術在蒸餾操作中的應用

蒸餾操作能源消耗高，但熱效率很低，精餾系統的能源95%被塔頂冷凝器的冷卻水/空氣所帶走，能源利用率僅5%。蒸餾系統可以采取的節能措施有：

熱量的充分回收利用。在蒸餾操作中，塔頂蒸汽的余熱、塔釜產品的熱物料流及再沸器為蒸汽冷凝水所帶走的余熱數量相當可觀。在PDH裝置中，有多處利用塔頂產品的潛熱或顯熱及塔底產品的顯熱來預熱（冷）物料。

減少蒸餾過程所需能耗。蒸餾過程的熱負荷在很大程度上取決于回流比的大小，在可能條件下，以較小的回流比達到相同的分離目的，可以減少系統本身對能量的要求。如產品分離塔優化控制后，根據塔頂產品在線分析數據自動控制產品采出，做到了最小操作回流比。

嚴格控制產品的質量規格。產品的純度應根據用戶的實際需要，不要盲目追求高純度，不必要的提高產品純度會增加系統的能量消耗。

采用新型高效塔盤，如采用UOP的ECMDTM塔盤能起到明顯的節能效果。采用先進的儀表和DCS操作，使操作條件控制在最佳狀態，從而節能降耗。

采用多效蒸餾、反應精餾、熱泵精餾等新技術［2］。

可見，采用節能工藝路線，提高設備熱效率，實現生產的連續化和專業化，實現能量的綜合利用，保持裝置“長、滿、優”運行，都是化工節能的方向。

［1］2013－中國石油和化工行業節能進展報告［R］.中國化工節能技術協會，2013.06.

［2］范文元.化工單元操作節能技術［M］.合肥：安徽科學技術出版社，2000.6.

10.3969/j.issn.1008-1267.2015.05.015

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