聚酯裝置酯化工藝塔余熱利用集成技術(shù)及效益探討

邱中南，王春燕,2*，徐劍鋒，馬健峰，朱振棟，裴付宇

(1.桐昆集團浙江恒通化纖有限公司，浙江 桐鄉(xiāng) 314500； 2.浙江省桐昆恒通新纖維研究院，浙江 桐鄉(xiāng) 314500; 3.國家紡織服裝產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心(浙江桐鄉(xiāng))，浙江 桐鄉(xiāng) 314500)

“十四五”期間，在國家“碳達峰、碳中和”目標(biāo)導(dǎo)向下，綠色低碳循環(huán)發(fā)展已成為大勢所趨，而資源回收再利用技術(shù)是實現(xiàn)社會價值和企業(yè)效益最大化的重要手段。2021年，我國化纖產(chǎn)量突破65 000 kt，占全球的比重已超過70%，其中聚酯纖維作為發(fā)展速度最快、產(chǎn)量最高的化纖品種，已成為我國最重要的民生產(chǎn)業(yè)。桐昆集團浙江恒通化纖有限公司擁有多套400 kt/a聚酯裝置生產(chǎn)聚酯及聚酯纖維，其中裝置耗能主要在酯化系統(tǒng)部分，約占整個裝置耗能的60%以上[1]。

目前，為提高資源綜合利用效率，在聚酯生產(chǎn)過程中，通過在酯化階段增加工藝塔，工藝塔利用水(沸點100 ℃)和乙二醇(EG)(沸點197.3 ℃)的沸點不同，通過不斷加熱將水蒸氣和酯化反應(yīng)中過量的EG進行分離，其中分離后的EG可回收再利用；同時，工藝塔將混合蒸氣中的水和醛等從塔頂蒸出，這部分氣體被稱為酯化蒸氣，其攜帶的熱量通過冷卻水冷卻后排放，造成大量的熱量損失[2]。因此，為減少能源浪費，桐昆集團浙江恒通化纖有限公司通過技術(shù)節(jié)能改造，將工藝塔的混合蒸氣余熱用于溴化鋰制冷機制冷或加熱熱水用于紡絲車間等，但還存在蒸氣余熱利用不完全的問題。

為了更好地利用好酯化工藝塔蒸氣余熱，作者分析了400 kt/a聚酯裝置酯化工藝塔蒸氣余熱的特點，探討了蒸氣余熱利用集成技術(shù)及產(chǎn)生的經(jīng)濟效益，以提高資源利用效率，加快聚酯行業(yè)綠色低碳發(fā)展。

1 400 kt/a聚酯裝置及工藝塔余熱的特點

400 kt/a聚酯裝置采用四釜工藝技術(shù)，以精對苯二甲酸(PTA)和EG為原料、乙二醇銻為催化劑，二氧化鈦(TiO2)為消光劑，經(jīng)酯化、縮聚反應(yīng)生成聚酯。其生產(chǎn)主要流程包括：PTA漿料制備系統(tǒng)、酯化系統(tǒng)、縮聚系統(tǒng)(預(yù)縮聚和終縮聚)、真空系統(tǒng)和熱媒系統(tǒng)等。聚酯酯化反應(yīng)生成的副產(chǎn)物是水蒸氣，但酯化反應(yīng)釜的溫度為250～290 ℃，在此溫度條件下EG也為蒸氣。因此，酯化反應(yīng)過程中會有部分EG跟反應(yīng)生成的水一起蒸出去，為將水蒸氣和EG蒸氣分離，需進入工藝塔分餾[3]，工藝塔頂分離出的酯化蒸氣需經(jīng)冷凝后回收，即產(chǎn)生的高溫?zé)崃坎粌H沒有利用，還需要消耗冷卻循環(huán)水進行降溫處理。

裝置酯化工藝塔余熱的主要特點如下：(1)該工藝采用中國昆侖工程公司設(shè)計400 kt/a的“一頭兩尾”聚酯裝置，其工藝塔頂氣相溫度約102 ℃；(2)工藝塔出口蒸氣為低壓飽和蒸氣，壓力約為105 kPa，接近常壓；(3)工藝塔出口蒸氣含有部分雜質(zhì)蒸氣且沸點差大。雖然工藝塔主要成分為水，占比超過97%以上，但還含有乙醛(沸點20.8 ℃)、EG(沸點197.3 ℃)及少量低聚物等。且由于乙醛沸點較低，對冷凝溫度要求高，利用時需避免乙醛蒸氣冷凝不理想引起塔憋壓[4]。

2 工藝塔余熱利用集成技術(shù)

余熱利用集成技術(shù)包括將余熱用于以下三種用途：一是余熱制冷；二是余熱制熱水，分別用于加熱新鮮EG、配漿EG和長絲空調(diào)機組；三是余熱發(fā)電[5]。

工藝塔塔頂蒸氣余熱利用工藝流程見圖1所示。

圖1 工藝塔塔頂蒸氣余熱利用工藝流程示意Fig.1 Process flow diagram of waste heat utilization of overhead steam of process tower1—工藝塔;2，3，4，5，6—板式換熱器;7—空冷器;8—冷卻水塔;9—余熱發(fā)電裝置;10—紡絲空調(diào)機組;11—乙醛回收裝置;12—溴化鋰制冷機;13—配漿乙二醇

2.1 蒸氣余熱制冷

夏季氣溫高，聚酯裝置和紡絲空調(diào)部分設(shè)備需要冷凍水。為此，通過在酯化工藝塔增加2臺溴化鋰制冷機，將蒸氣余熱制備成冷凍水，用于裝置夏季冷凍水的供給。溴化鋰制冷機是以溴化鋰水溶液為吸收劑，以水為制冷劑，利用酯化蒸氣作為驅(qū)動熱源，并在一定溫度下溴化鋰水溶液液面上的水蒸氣飽和分壓發(fā)生變化，通過蒸發(fā)、吸收、壓縮等形成循環(huán)，達到制冷目的[6-7]。工藝塔蒸氣余熱制冷的工藝特點為蒸氣余熱直接進入溴化鋰制冷機制備冷凍水，而不經(jīng)過板式換熱器進行換熱。

2.2 蒸氣余熱制熱水

2.2.1 余熱制熱水用于紡絲空調(diào)

冬季氣溫低，為確保聚酯纖維生產(chǎn)環(huán)境的溫度和工藝?yán)鋮s風(fēng)溫度，需要開通紡絲空調(diào)進行升溫。因此，利用循環(huán)水泵將酯化蒸氣余熱通過板式換熱器產(chǎn)生的熱水經(jīng)管道連接輸送到紡絲空調(diào)，加熱紡絲的工藝?yán)鋮s風(fēng)和環(huán)境風(fēng)。

2.2.2 余熱制熱水用于加熱配漿EG

在聚酯裝置樓內(nèi)增設(shè)配漿EG板式換熱器，通過板式換熱器制備的熱水加熱配漿EG，控制漿料的溫度穩(wěn)定，保障PTA實際含量的穩(wěn)定，有利于后續(xù)反應(yīng)的穩(wěn)定。該板式換熱器可常年運行，通過加熱配漿EG，提高漿料溫度，可節(jié)約進入反應(yīng)釜后的熱媒供熱量，間接降低裝置能耗[8]。

2.2.3 余熱制熱水用于加熱新鮮EG

在進入EG蒸發(fā)器前的新鮮EG管道上增設(shè)板式換熱器，通過板式換熱器制備的熱水加熱提高進入蒸發(fā)器的新鮮EG溫度，可以減少熱媒系統(tǒng)供熱量，間接降低裝置能耗。

2.3 蒸氣余熱發(fā)電

蒸氣余熱發(fā)電是通過增加蒸發(fā)器、冷凝器等，利用低沸點五氟丙烷有機物作為熱力循環(huán)工質(zhì)回收低溫余熱的特點和膨脹機所需熱源要求低而能源利用效率高的優(yōu)點，充分回收利用酯化蒸氣余熱。其工藝流程是102 ℃熱源通過蒸發(fā)器(管殼式換熱器)，對蒸發(fā)器中有機物工質(zhì)進行加熱，使其變?yōu)楦邷馗邏赫魵猓恢笳魵馔ㄟ^透平膨脹做功，透平所做的功驅(qū)動發(fā)電機產(chǎn)生電能；做工后工質(zhì)蒸氣進入冷凝器被冷卻水冷卻成液體，然后進入工質(zhì)泵中加壓，再進入蒸發(fā)器完成一個循環(huán)。其中，冷凝器采用冷卻水作為冷卻媒介。

3 蒸氣余熱利用產(chǎn)生的經(jīng)濟效益

3.1 蒸氣余熱制冷效益

根據(jù)測算，1 t蒸氣可產(chǎn)生約70 t冷凍水(7～12 ℃)[6]，400 kt/a聚酯裝置產(chǎn)生的工藝蒸氣(約102 ℃)為 15.2 t/h，即可產(chǎn)生1 186 t/h冷凍水，這個轉(zhuǎn)換過程中需要2臺15 kW的溴化鋰制冷機和1臺75 kW的熱水泵。而如果使用電制冷，相應(yīng)需要增開4臺18.5 kW的空冷器風(fēng)機和2臺850 kW的電制冷機，即蒸氣余熱制冷可節(jié)約用電功率為1 669 kW·h。由于工藝塔蒸氣余熱制冷需求具有一定的季節(jié)性，全年的需求以180 d計算，按照用電功率與標(biāo)煤的換算關(guān)系(1 kW·h相當(dāng)于標(biāo)煤質(zhì)量0.123 kg)，則全年可節(jié)約標(biāo)煤886.8 t。

3.2 蒸氣余熱制熱水效益

(1)制熱紡絲空調(diào)

根據(jù)測算，聚酯裝置樓頂共有6臺風(fēng)冷器,經(jīng)余熱制熱紡絲空調(diào)后可停用4～5臺風(fēng)冷器，但需開通1臺熱水循環(huán)泵，可節(jié)約用電44 kW·h，紡絲空調(diào)的需求也具有一定的季節(jié)性，全年的需求以180 d計算，則全年可節(jié)約標(biāo)煤23.4 t。

同時，紡絲回風(fēng)電流降低276 A(400 V電壓)，降低用電功率為162.5 kW·h，全年以180 d計算，則全年可節(jié)約標(biāo)煤86.3 t。

兩項合計，利用余熱制熱紡絲空調(diào)全年可節(jié)約標(biāo)煤109.7 t。

(2)加熱配漿EG

根據(jù)測算，通過蒸氣余熱制備的熱水加熱配漿EG，從而提高漿料溫度，可節(jié)約進入酯化反應(yīng)釜后漿料升溫的熱量。根據(jù)漿料回用EG溫升為20 ℃、回用EG流量為17 000 kg/h、比熱容2.72 kJ/(kg·℃)計算，可節(jié)約熱量為924 800 kJ/h，按照熱量與標(biāo)煤的換算關(guān)系(1 kJ熱量相當(dāng)于標(biāo)煤質(zhì)量0.034 g)，則全年(按365 d計)可節(jié)約標(biāo)煤275.4 t。

(3)加熱新鮮EG

根據(jù)測算，將進入蒸發(fā)器的新鮮EG從常溫升至75 ℃左右，根據(jù)新鮮EG溫升50 ℃、流量7 000 kg/h、比熱容2.72 kJ/(kg·℃)計算，可節(jié)約熱量為952 000 kJ/h，按照熱量與標(biāo)煤的換算關(guān)系(1 kJ熱量相當(dāng)于標(biāo)煤質(zhì)量0.034 g)，則全年(按365 d計)可節(jié)約標(biāo)煤284.5 t。

3.3 蒸氣余熱發(fā)電效益

根據(jù)測算，400 kt/a聚酯裝置余熱利用工藝的凈發(fā)電量約達765 kW·h(共3臺發(fā)電機組，已剔除發(fā)電機組自用電)。由于此余熱發(fā)電技術(shù)為蒸氣余熱制冷和制熱的補充，則僅冬、春兩季使用，以180 d計算，按照1 kW·h相當(dāng)于標(biāo)煤質(zhì)量0.123 kg，則全年可節(jié)約標(biāo)煤406.5 t。

根據(jù)蒸氣余熱制冷、制熱水(用于制熱紡絲空調(diào)、加熱配漿EG及新鮮EG)、發(fā)電效益，采用聚酯工藝塔余熱利用集成技術(shù)，合計全年可節(jié)約標(biāo)煤1 962.9 t。

4 結(jié)論

a.針對聚酯裝置酯化工藝塔頂蒸氣余熱的特點，采用余熱利用集成技術(shù)可以較好地實現(xiàn)工藝塔蒸氣余熱回收利用，包括通過增加溴化鋰制冷機制備冷凍水用于夏季紡絲空調(diào)制冷；制熱水用于制熱紡絲空調(diào)、加熱EG；通過增加蒸發(fā)器、冷凝器和膨脹機等進行發(fā)電。

b.根據(jù)400 kt/a聚酯裝置酯化工藝塔頂蒸氣余熱為102 ℃常壓蒸氣，采用余熱利用集成技術(shù)，通過蒸氣余熱制冷全年可節(jié)省標(biāo)煤886.8 t，蒸氣余熱制熱水全年可節(jié)省標(biāo)煤669.6 t，蒸氣余熱發(fā)電全年可節(jié)省標(biāo)煤406.5 t，合計全年可節(jié)約標(biāo)煤1 962.9 t。