煤制乙二醇常見節能設計綜述

張 鵬

(湖北化肥乙二醇部,湖北 武漢 430062)

煤制乙二醇作為我國“貧油、富煤”能源結構條件下具有中國特色的乙二醇生產工藝,是實現煤炭清潔高效利用、提高乙二醇自給率的重要化工生產組成部分。通過近幾年的發展,目前國內煤制乙二醇的產能達到900萬t左右,占國內乙二醇總產能約40%,在國民經濟生產生活中占據重要地位。

但自去年起煤炭市場供應緊張,煤價長期穩定在1 000元/t以上,大多數沒有煤炭資源的煤制乙二醇企業基本均處于嚴重虧損狀態。加上不斷推出的“雙碳”、“高耗能行業能效指標”等國家政策,煤制乙二醇企業要想求得生存、獲得效益,必須通過技術改造,降低消耗,提升能效。

一方面,煤制乙二醇裝置節能降耗要重點攻克催化劑長周期、高負荷運行的技術瓶頸;另一方面,通過工藝流程優化、技改技革等措施,做好生產節能優化。以下就煤制乙二醇裝置工藝流程節能優化設計方案進行詳細分析。

1 反應系統節能設計方案

煤制乙二醇裝置反應系統主要有兩個:亞硝酸甲酯與CO偶聯反應系統、草酸二甲酯與氫氣加氫反應系統。反應系統常見的工藝流程主要是進料加熱、催化反應、出料冷卻分離三個過程。而對于偶聯反應系統,反應產物氣相不經冷卻,直接送入草酸二甲酯回收塔,相當于提高精餾塔進料溫度,可以有效降低精餾塔再沸器蒸汽加入量。但對草酸二甲酯加氫反應單元而言,由于反應系統壓力較高,直接送入精餾塔分離,精餾系統設計壓力需要提高等級,大大增加了裝置的投資,也不利于能量的回收利用,因此加氫反應生成的產物需要通過冷卻、分離出液相產品后,才能送入精餾系統分離,因此有較多的節能優化空間。

草酸二甲酯加氫反應系統最佳節能思路主要圍繞減少進料加熱量、回收反應熱量、降低反應產物分離冷量消耗三個方面。以下介紹常見的節能設計方案。

1.1 進出料換熱設計

采用進出料換熱是最常見,也是最有效回收熱量的一種節能方式。對煤制乙二醇草酸二甲酯加氫反應單元進行優化設計,增加進出料換熱,能夠有效利用反應熱量降低系統加熱和冷卻消耗。詳細方案及流程見圖1。

圖1 進出料換熱設計方案

(1)在反應器出口設置進出料換熱器,利用反應出料對反應原料氣進行預熱。一方面,可以減少進料加熱器加熱蒸汽量;另一方面,可以減少對反應產物降溫冷量消耗。

(2)對反應出料冷卻器(一)進行改造,將分離后的液相產物與反應器出料進行換熱,利用反應熱量進行液相物料預熱。一方面,可以提高液相物料帶入精餾系統的熱量;另一方面,可以進一步減少出料冷卻器的冷量消耗。

1.2 反應產物多次分離設計

草酸二甲酯加氫后的反應產物可以根據沸點的不同,將反應產物換熱后進行多次分離,分離出多個不同溫度、不同沸點組成的反應產物,然后根據液相組成,分別送入相對應的精餾塔或者某個精餾塔不同的進料位置,可以充分利用反應熱量,減少后續換熱器冷量消耗,但是該方案設備臺(套)數較多,需核算投資回報期長短。詳細方案及流程見圖2。

圖2 反應產物多次分離設計方案

1.3 副產飽和蒸汽充分利用

草酸二甲酯加氫反應器最常見的是采用列管式固定床反應器,可以采取設置汽包自然循環或機泵強制循環的措施,控制床層溫度,回收反應熱量。但由于催化劑不同階段反應溫度的不同,會在催化劑低溫運行期出現汽包產生的蒸汽壓力偏低、無法并入裝置原有蒸汽管網的情況,被迫放空或通過換熱器冷凝為冷凝液,造成蒸汽的浪費。可以采取增設如反應產物預熱器、精餾塔進料預熱器等,對加熱效果要求不嚴格的物料進行預熱,充分利用汽包蒸汽。如果系統有更低等級的蒸汽管網,可以通過增加減壓器,降壓送至低等級蒸汽管網使用,或者根據壓力等級的不同,尋找合適換熱器或再沸器,采用專線供給的方式,提高汽包產汽的利用效率。常見的汽包副產飽和蒸汽利用方案見圖3。

圖3 副產飽和蒸汽充分利用設計方案

2 精餾系統節能設計方案

煤制乙二醇精餾系統的主要作用是分離反應生成的各種產物,實現產品的分離提純。而精餾塔的運行主要是依靠外加的熱量使液體經過多次蒸發冷凝、傳質傳熱,實現混合物的分離,是整個生產過程中的能耗大戶。

對于一個精餾塔來說,其熱量平衡計算公式可以簡化為:

Q再+Q進=Q頂采+Q頂冷+Q底采

其中,Q再為再沸器的加熱量;Q進為進料液帶入的熱量;Q頂采為塔頂產品帶出的熱量;Q頂冷為塔頂冷凝器帶走的熱量;Q底采為塔底產品帶走的熱量。

從精餾塔的熱量平衡可以看出,要想達到精餾塔的節能目的,主要采取的手段就是減少精餾塔Q再供應,提高Q進帶入量,回收Q頂采、Q頂冷、Q底采帶出量[1]。根據這個指導思路,介紹煤制乙二醇精餾系統常見的節能設計方案。

2.1 塔釜或側線采出產品熱量回收

精餾塔塔釜和側線采出物料的溫度較高,有較多可以回收的能量,而塔釜或側線采出的產品,除個別需要伴熱儲存外,一般均需要常溫儲存,因此,常見的設計方案是在塔釜或側線產品采出后,設置冷卻器進行降溫冷卻,將塔釜或側線產品所攜帶的熱量轉移至循環冷卻水中。這種方案無疑造成了產品攜帶的能量浪費,可以將這些產物冷凝器改為換熱器或蒸汽發生器,回收熱量。詳細方案及流程見圖4。

(1)將塔釜或側線產品冷卻器改為換熱器,對精餾塔進料或者其他的物料進料換熱預熱,回收該部分產品帶出的熱量,可以達到節能的目的。

(2)將塔釜或側線產品冷卻器改為蒸汽發生器,回收物料熱量,產出飽和蒸汽回收利用。

2.2 塔頂氣相熱量回收

精餾塔內物料要想實現分離,就必須依靠塔釜再沸器向系統內輸入大量熱能,將液體物料加熱變成氣相,還需要塔頂冷凝器向系統內輸入大量冷量,將這部分變成氣相物質所攜帶的熱量移走,使氣相重新冷凝成為液相送回系統,然后氣液兩相在精餾塔內反復進行傳質和傳熱,實現提高產品純度,達到組分分離的目的。

在這個過程中,塔釜再沸器輸入的熱量大部分被塔頂冷凝器移出系統,最后通過冷卻系統逸散在空氣中,無疑會造成能量的大量損失。因此,精餾塔節能首先要考慮回收的就是來自精餾塔塔頂氣相所攜帶的熱量。同時,由于塔頂氣相在換熱時會放出大量相變熱,與精餾塔其他采出的液相產品相比,此處物料的熱量回收具有更大的回收價值。常見的方案及流程見圖5。

(1)對具有較高溫度的精餾塔氣相加裝蒸汽發生器,產生飽和蒸汽直接利用。

圖4 塔釜或側線采出產品熱量回收設計方案

圖5 蒸汽發生器熱量回收設計方案

(2)對具有較高溫度的精餾塔氣相增加熱水循環系統,并串入吸收式制冷裝置(如溴化鋰機組等),用于制取冷量。常見的溴化鋰機組制取的冷凍水溫度一般在5℃左右,目前也有相關的技術可以利用熱水制取0℃以下的低溫冷凍水,如TC工質吸收制冷技術。余熱制冷熱量回收設計方案見圖6。

(3)對于有部分精餾塔塔頂氣相采用蒸汽發生器回收熱量后,產出的蒸汽品級較低,無利用用戶,可以將蒸汽發生器產生的低壓蒸汽收集后,驅動透平來開展余熱發電(見圖7)。

圖6 余熱制冷熱量回收設計方案

圖7 余熱發電熱量回收設計方案

2.3 雙效變壓精餾熱量回收

將加熱蒸汽通入第一個塔作為熱源,該塔受熱沸騰的物料蒸汽引入第二個塔再沸器作為加熱熱源的精餾過程稱為多效精餾,這其實也是一種特殊的塔頂氣相熱量回收設計方案。不過如果要采用這種流程,則要求第二個塔的物料沸點低于第一個塔,且第一個塔產生的蒸汽熱量能夠滿足第二個塔的需求,這樣第二個塔的再沸器相當于第一個塔的冷凝器,能夠實現加熱蒸汽能量的充分利用。

對煤制乙二醇裝置中甲醇和碳酸二甲酯的分離,比較適合這種雙效變壓精餾操作。常見的雙效變壓精餾方案和流程見圖8。

圖8 雙效變壓精餾熱量回收設計方案

2.4 再沸器凝液控制方案優化

對于煤制乙二醇精餾系統來講,各個精餾產品的純度要求很高,精餾塔操作的精細度要求較高。而一般常見的精餾塔再沸器蒸汽及凝液設計方案是在蒸汽管線上設置調節閥控制蒸汽流量,在凝液管線上設置疏水器,防止蒸汽竄入凝液管網,使用塔釜溫度與蒸汽流量串級控制方案。但是這種再沸器控制方案對疏水器質量要求較高,當疏水器出現卡澀或其他問題時,將直接影響凝液正常排出,造成精餾塔溫度波動,或者大量蒸汽隨凝液排出,造成蒸汽浪費。同時采用疏水器控制凝液排放的方案,在精餾塔開車初期升溫操作時,凝液現場就地排放量大、開車操作復雜、人員燙傷風險高,采取對再沸器凝液控制方案進行優化,詳細方案及流程見圖9。

圖9 再沸器凝液控制優化設計方案

再沸器流程可以設置增加蒸汽凝液罐,將凝液罐頂部氣相與蒸汽管線相連,保持凝液罐內壓力平衡,塔釜溫度與蒸汽流量進行串級控制;將凝液罐液位與凝液調節閥串級控制,保持一定凝液罐液位。此方案可以最大限度充分利用再沸器換熱面積,保持控制系統穩定性,消除蒸汽波動對精餾塔工況造成的影響[2]。在調節閥選型時,也盡量避免選擇蝶閥等調節性差的閥門,為后期精餾塔開展先進控制打下基礎,保證先進控制系統調節精度。

2.5 蒸汽凝液閃蒸蒸汽回收利用

對于煤制乙二醇精餾系統來說,精餾塔加熱蒸汽常采用壓力大于1.0MPa的中壓蒸汽,蒸汽加熱后的凝液壓力等級高,回收后送入凝液罐會因壓力降低閃蒸出較多的低壓飽和蒸汽,由于精餾塔蒸汽耗量動輒百噸以上,這股閃蒸出來的低壓飽和蒸汽量非常可觀。除了采用空冷器冷凝之外,還可以將這股蒸汽分等級并入相應的蒸汽管網,或作為加熱效果要求不高的預熱器加熱熱源使用。詳細方案及流程見圖10。

圖10 高壓蒸汽凝液閃蒸蒸汽回收利用設計方案

如果現場條件允許,可以更進一步細分蒸汽凝液,將系統的高壓蒸汽凝液、中壓蒸汽凝液等分類收集,高壓蒸汽凝液閃蒸蒸汽可以送入中壓蒸汽管網,中壓蒸汽凝液閃蒸蒸汽可以送入低壓蒸汽管網,分級回收、利用。

2.6 其他常見節能方案

2.6.1精餾塔側線采出方案

當一個精餾塔需要獲取濃度不同的兩種或多種產品,或者精餾塔內的某組分在某幾塔塊板上存在富集現象,為獲得該組分產品或消除該組分對精餾塔兩端產品的影響,在相應組成的塔板上安裝液體收集內件,增加采出口抽出產品。這樣的側采方案一方面相當于減少了一個塔,另一方面也減少了該股物料繼續加熱所需的熱量,是化工生產較為常見的節能設計方案。常見的側線采出方案和流程見圖11。

圖11 精餾塔側線采出設計方案

煤制乙二醇裝置中的大部分產品如乙二醇、碳酸二甲酯、乙醇塔等,均可以采用側線采出,消除產品精制塔內輕組分、重組分對產品純度的影響,提高產品純度。

2.6.2精餾塔多點進料方案

當一個精餾塔有多路組分相同、濃度不同的進料,如果將多路物料混合后在同一個點進入精餾塔,則勢必會造成分離的物料出現返混,增加了分離的能耗。如果將多路物料分別進入多個精餾塔進行分離,則勢必造成設備投資增加,分離能耗上升。如果按照組分濃度的不同,在一個塔分為多個點單獨進料,將物料送至濃度組成相近的塔盤,則可以有效避免物料返混。這種精餾塔多點進料方案與多股物料分別進入多個塔相比,減少了設備投資;與多股物料混合進入同一個塔相比,減少物料返混、能耗浪費。常見的多點進料方案和流程對比見圖12。

圖12 精餾塔多點進料設計方案

2.6.3系統降壓操作

根據介質的沸點隨壓力下降而降低的特性,同時考慮煤制乙二醇裝置中乙二醇等物質的熱敏特性,采用降壓或真空操作,降低物料沸點和在塔內的精餾分離溫度,減少物料汽化蒸汽消耗量,也是煤制乙二醇裝置常見的節能方案。

3 新興節能技術

目前,越來越多的新興節能技術被開發出來,也有很多新興節能技術也正逐步被應用到煤制乙二醇生產上來,如采用徑向等溫反應器替代目前常用的軸向列管式反應器,這種改造可以大大降低催化劑床層阻力降,延長催化劑使用壽命,降低壓縮機能耗;如采用分壁精餾等高效精餾的方式代替目前現有的普通精餾,可以提高產品回收率;如采用萃取精餾對煤制乙二醇分離體系中的碳酸二甲酯+甲醇、乙二醇+丁二醇等共沸體系進行分離[3],可代替現有的普通精餾,提高分離出的產品質量;如采用熱泵精餾,將塔頂物料蒸汽直接壓縮作為再沸器熱源,可實現節能減排、提高經濟效益等[4]。相信隨著技術的進步和新技術的不斷推廣應用,煤制乙二醇裝置能耗會越來越低,市場競爭力會越來越強。

4 結語

煤制乙二醇生產作為煤炭清潔高效利用的一種手段,是滿足我國能源結構現狀、減少石油資源消耗、解決國內乙二醇產品供需矛盾的重要措施。加強對煤制乙二醇生產工藝的研究,不斷開發更多節能技術,優化設計方案,降低裝置能耗,提高產品成本優勢,對于煤制乙二醇企業生產發展至關重要。