甲醇制烯烴工業裝置用能分析及建議

劉 洋，楊同華，尉秀峰

（神華新疆化工有限公司，新疆 烏魯木齊 831400）

基于我國“富煤、少油、貧氣”的資源特點，煤炭在我國作為主體能源地位長期難以改變。經由煤炭為原料制取聚烯烴產品不僅可提高煤炭的附加值，還會降低烯烴對石油資源的依賴。煤制烯烴產業在取得重大突破和成績的同時，也因能耗較高制約其發展；甲醇制烯烴（MTO）作為煤制烯烴核心關鍵環節，降低其裝置能耗和提高其能量利用率對煤制烯烴產業的發展具有重要意義。

1 甲醇制烯烴裝置及其能耗

1.1 甲醇制烯烴裝置

甲醇制烯烴裝置主要由反應-再生系統、急冷水洗和污水汽提系統、熱工及余熱回收系統構成。反應-再生系統包括甲醇進料系統、反應系統和再生系統。來自罐區的液相甲醇（w(H2O)<7%）經甲醇-凈化水換熱器、甲醇-凝結水換熱器、甲醇-蒸汽汽化器、甲醇-汽提氣換熱器和蒸汽-甲醇過熱器換熱后以氣相態進入反應器，在催化劑作用下生成乙烯、丙烯和丁烯為主的低碳烯烴產品氣。其中，甲醇制烯烴反應會生成焦炭（高度貧氫芳烴類化合物）吸附在分子篩催化劑內孔道，造成催化劑失活，為了保證反應連續進行，待生催化劑被輸送至再生器消耗主風進行不完全再生，再生后的催化劑返回反應器繼續催化反應，反應和再生均為流化床。急冷水洗和污水汽提系統主要包括急冷塔、水洗塔和污水汽提塔；經過旋風分離器分離后的產品氣夾帶著催化劑細粉被中壓蒸汽發生器取熱產出中壓蒸汽后進入急冷塔和水洗塔，與急冷水和水洗水逆流接觸洗滌產品氣中催化劑并降低產品氣溫度后送至烯烴分離裝置，急冷水和水洗水引至烯烴分離裝置取熱后返塔，水洗水中油蠟類物質送至污水汽提塔汽提，將中的含氧化合物 （甲醇和二甲醚）汽提后送回反應器回煉，副產凈化水外送至污水處理廠。熱工及余熱回收系統主要是將甲醇制烯烴反應和再生器中燒焦放出熱量及時移出，維持床層溫度穩定，并回收煙氣中化學能和熱能。裝置主要操作條件見表1。

1.2 裝置能耗

甲醇制烯烴裝置工業化應用時間較短，目前尚無能耗計算標準。由于催化裂化裝置與甲醇制烯烴裝置相似，參照催化裂化裝置能耗計算方法[1]，以水洗塔頂產品氣和罐區來甲醇為裝置出入口邊界，并依據GB/T 50441-2016[2]，結合表1中數據進行能耗核算。詳見表2。

甲醇制烯烴裝置總輸入能量大，達3629.938MJ/t。其中1.1MPa蒸汽、0.46MPa蒸汽、燒焦和氮氣占比較大，分別為25.8%、25.7%、25.2%和11.5%。 1.1MPa蒸汽主要用于污水汽提塔汽提、反應器外取熱器流化提升和再生劑輸送。0.46MPa蒸汽全部用于原料甲醇升溫汽化。燒焦需加壓主風需及升溫。氮氣主要用于待生催化劑輸送和再生器內外取熱器流化提升。

裝置雖輸入能量大，但甲醇制烯烴反應、再生燒焦和CO燃燒釋放熱量相當可觀，產生大量高品位熱能。以甲醇進料量234.5t/h（折純），反應放熱30.883kJ/mol[3]，生焦質量分數2.07%（n(H)/n(C)=0.095），CO燃燒放熱283kJ/mol計。反應、燒焦和CO燃燒分別放熱226.3GJ/h、143.4GJ/h和75.9GJ/h，累積445.6GJ/h熱能進入反應再生體系。反應放熱能用于產中壓蒸汽，剩余大部分熱量由產品氣傳遞至急冷水和水洗水，形成的低溫位熱能輸出至烯烴分離裝置。低溫位輸出熱能占總輸出能70.3%，最大限度利用低溫位熱能將極大提升能量利用效率，節能效果明顯。

表1 裝置主要操作條件

表2 裝置單位物耗、燒焦及單位能耗

2 裝置能量利用分析

甲醇制烯烴裝置過程用能包括能量的轉換和傳輸、工藝使用和回收三環節，三環節相互關聯影響；節能的關鍵在于優化工藝能量利用和提高能量的回收率，其后再對轉換和傳輸環節進行改善[4]。

2.1 能量的工藝利用環節

2.1.1 反再系統熱平衡

裝置能量的工藝利用環節是裝置用能最為核心部分，主要是甲醇制烯烴反應和焦炭燃燒釋放化學能對外輸出能量。反再系統熱平衡受進料量、催化劑和操作條件等工藝變量影響較大，同時熱平衡的改變影響產品質量。分析反再系統熱平衡對維持裝置經濟有效運轉非常重要。裝置反再系統熱平衡數據見表3。

由表3可以看出，影響甲醇制烯烴反再系統熱平衡的因素很多。反應過程方面，72.2%的甲醇制烯烴反應熱被用于加熱原料甲醇蒸汽至反應溫度，而反應器外取熱器取熱8.115MW，僅占12.3%。經產品氣中壓蒸汽發生器取熱24.942MW，反應系統取熱占總熱負荷49.9%，取熱率低。主要是甲醇進料預熱溫度低，甲醇蒸汽升溫消耗絕大部分熱能，維持反應溫度需移除熱能較少，大量的高溫位熱能轉移到產品氣中經換熱產汽后進入急冷水洗塔，由于旋風分離器的局限性，產品氣中夾帶的催化劑細粉在換熱器管束內壁吸附沉積，換熱熱阻增大，致使中壓蒸汽發生器取熱負荷降低，造成急冷水洗塔取熱負荷增大。再生過程方面，燒焦釋放熱量主要被取熱器移出，占總熱負荷的42.9%，利用率較高。主風升溫吸熱占總熱負荷24.7%，占比較大，應予以關注。

表3 反再系統部分熱平衡

2.1.2 低溫位熱能輸出

裝置低溫位熱源主要是急冷水、水洗水和凈化水。由于低溫熱溫度低且尋找熱阱難的特點，利用難度大，普遍采用空冷或水冷將難以回收熱量排棄至大氣環境，增加了裝置能耗。現階段低溫位熱能輸出至甲醇進料系統和烯烴分離裝置，以提高低溫熱利用率。低溫熱利用情況見表4。

表4 低溫熱利用率

裝置蘊藏的低溫熱能量巨大，達611.84GJ/h，有效能利用率51.3%。其它熱量經空冷、水冷或循環水冷卻散失于環境中，導致能耗增加。根據溫度對口，梯級利用，高熱高用，低熱低用原則[5]，分析上下游裝置低溫熱利用情況，進一步尋找熱阱，實現能量的優化利用。

2.2 能量回收環節

表5 余熱鍋爐系統熱平衡

能量回收環節主要是再生器高溫煙氣顯熱及CO化學能的回收。含有CO的高溫煙氣經CO焚燒爐充分燃燒后進入余熱鍋爐，依次經過中壓蒸汽過熱段和中壓鍋爐給水省煤段后，排至煙囪。余熱鍋爐系統熱平衡見表5。

表5中煙氣能量回收率為40%，回收率低。由于CO焚燒爐設計負荷小，全部煙氣進入會造成爐體超溫，損壞設備，大部分煙氣旁路放空，煙氣中有用功無法充分回收，增加了裝置能耗。

3 改進建議

3.1 提高甲醇進料溫度和產品氣中壓蒸汽發生器換熱效果

為將甲醇制烯烴反應熱及時移出系統，提高反應器外取熱器及產品氣中壓蒸汽發生器取熱效率最為直接。在進急冷塔前將產品氣中熱量用于多產中壓蒸汽，能降低進急冷塔產品氣溫度，減輕急冷水洗塔冷卻負荷。在現有工藝操作條件下，甲醇進料溫度155℃提至205℃，甲醇氣升溫熱較之前降低7.458MW，反應器外取熱器取熱效率提高11.3%，可增產約13t/h中壓蒸汽。

針對產品氣中壓蒸汽發生器管束內壁結垢造成取熱效率降低問題，利用固體顆粒與器壁間碰撞摩擦原理，定期將催化劑或氫氧化鈣固體顆粒通過壓送罐在氮氣輸送下急速噴至中壓蒸汽發生器入口，達到清除管束內壁催化劑細粉目的。但效果甚微，吹掃完后短時間內恢復之前狀態。通過在中壓蒸汽發生器前增加精過濾器回收粒徑更小的催化劑細粉，在過程控制消除催化劑細粉管束內壁吸附結垢影響，提高中壓蒸汽發生器取熱負荷。

3.2 提高低溫位熱能利用率

作為低溫熱載體的急冷水、水洗水和凈化水，結合上下游裝置工藝用能特點，提高裝置間熱聯合程度，可顯著提高低溫熱利用效率。將急冷水洗水用作烯烴分離裝置重沸器低溫熱熱源，凈化水用于裝置進料預熱，裝置低溫熱得到了有效利用。但由于急冷水中催化劑和水洗水中的油蠟類物質影響換熱器換熱效果，導致低溫位熱能利用率逐漸降低，關鍵在于提高急冷水除固和水洗水除蠟效率[6]。

凈化水較急冷水洗水清潔許多，且裝置和下游裝置低溫熱用戶較少，為了滿足外送溫度（＜45℃）要求，不得不增加循環水換熱器進行冷卻，凈化水熱能未被合理利用且增加能耗。從全廠整體優化的角度出發，在甲醇合成裝置尋找熱阱可極大提高凈化水低溫熱利用率。

甲醇合成裝置穩定塔主要用于脫除粗甲醇中輕組分，生產MTO級甲醇。穩定塔塔底設置再沸器，熱源為經過減溫的0.46MPa低低壓飽和蒸汽。塔底的MTO級甲醇經循環水冷卻器由93℃降至40℃送至罐區。甲醇在合成與甲醇制烯烴裝置存在先降溫后升溫的能量利用不合理情形。將合成裝置穩定塔塔底93℃甲醇直接進入甲醇制烯烴凈化水換熱器后路進料系統，取消凈化水換熱器，128℃的凈化水用作穩定塔塔底重沸器熱源。可直接將凈化水溫度降至58℃，凈化水低溫熱有效能利用率由48.4%提高至86.3%，減輕裝置內凈化水冷卻負荷。同時，甲醇合成裝置節能20.59MW。

3.3 降低CO余熱鍋爐排煙溫度

甲醇制烯烴裝置的原料甲醇不含硫，排煙溫度受SOx露點腐蝕影響甚微，應盡可能降低再生煙氣排煙溫度，提高煙氣能量回收利用率。甲醇制烯烴裝置再生煙氣設計排煙溫度130℃，由于鍋爐受熱面積灰清除效果不佳，實際排煙溫度在190～210℃，排煙損失增大，高溫余熱回收率降低。

為充分回收CO化學能和高溫煙氣顯熱，對CO余熱鍋爐進行技術改造，增大CO焚燒爐負荷并用于副產中壓蒸汽，可增產約20.9t/h，煙氣回收率提高至80%。同時增大激波吹灰器工作頻率，有效除去受熱面灰垢，提高受熱面傳熱效率。

4結語

根據能量轉換與傳輸、工藝利用和能量回收三環節理論對甲醇制烯烴工業裝置能量平衡進行核算，分析裝置的能量利用合理程度。結果表明，在現有工藝操作條件下，應提高甲醇進料溫度，提高上下游裝置熱聯合程度，降低余熱鍋爐的排煙溫度，進一步降低裝置能耗。為從源頭上提高裝置能量利用率，關鍵在于提高催化劑的活性、穩定性和機械強度，減小催化劑跑損；還應降低急冷水固含量和水洗水油蠟類物質對換熱器的影響，保證裝置長周期運行。