低溫余熱回收發電技術在芳烴聯合裝置中的應用

秦文戈

(中國石油化工集團有限公司工程部,北京 100728)

綠色低碳和節能環保已成為當今社會主題,石油化工屬于高耗能行業,特別是芳烴聯合裝置各單元物料循環量大、分離精度高、產品能耗高,因此降低產品能耗是提高裝置競爭力的重要手段。雖然芳烴聯合裝置中存在大量的低溫余熱,但是將其回收利用卻很難,因為無法找到合適的工藝物流與其進行直接換熱。這部分低溫余熱通常采用空冷或水冷的方式進行冷卻,既浪費大量熱量,又額外消耗電能和循環水。由于低溫余熱主要集中在抽余液塔和抽出液塔的塔頂氣相物流中,為了高效回收低溫余熱,在首套國產化芳烴聯合裝置中進行了設計創新,適當提高二甲苯塔、抽余液塔和抽出液塔的操作壓力和溫度,從而提高抽余液塔和抽出液塔的塔頂氣相物料溫度,使其能夠產生0.45 MPa低壓飽和蒸汽,蒸汽經二甲苯塔重沸爐對流段過熱后,一部分用于裝置除氧器除氧和內部伴熱使用,另一部分用于驅動汽輪機發電,其發電量大于聯合裝置的全部用電量,實現了對外供電,此舉大大降低了裝置能耗,提高了裝置競爭力。

1 芳烴聯合裝置低溫余熱利用現狀

芳烴聯合裝置通常包括芳烴抽提、歧化、吸附分離、異構化和二甲苯分餾裝置及配套公用工程設施,五套主體裝置的工藝流程高度關聯,為了實現各精餾塔之間的高度熱聯合和熱集中,系統高溫余熱一般都直接通過與工藝物料換熱的方式實現回收利用。芳烴生產工藝特性決定了其工藝物料循環量特別大,造成設備大型化,特別是塔器大型化,使精餾塔負荷增大,塔頂存在大量的低溫余熱,而對于常壓塔來說,由于塔頂壓力和溫度較低,這部分低溫余熱無法回收,只能采用空冷或水冷的方式進行冷卻,低溫余熱被白白浪費,從而造成傳統芳烴聯合裝置能耗居高不下。表1為國內采用IFP工藝技術的450 kt/a芳烴聯合裝置中各精餾塔頂低溫余熱情況,數據表明,大量的低溫余熱集中在抽余液塔和抽出液塔的塔頂部位,因此如何回收這兩個塔頂的低溫余熱就成為裝置節能降耗的關鍵[1]。

表1 各精餾塔頂低溫余熱

2 芳烴聯合裝置低溫余熱回收瓶頸

在采用UOP和IFP工藝技術的芳烴聯合裝置中,抽余液塔和抽出液塔的塔頂存在大量的低溫余熱被白白浪費掉,而未被回收利用的主要原因有:

(1)塔頂溫度較低。抽余液塔和抽出液塔采用常壓塔設計,塔頂溫度為145～160 ℃,在芳烴聯合裝置中找不到合適的低溫工藝物料與之進行直接換熱,實現熱量回收利用。

(2)異構化催化劑和吸附塔吸附劑對進料中的水含量有嚴格限制。異構化催化劑要求進料中的水質量分數小于50 μg/g,吸附塔吸附劑要求進料中的水質量分數小于120 μg/g。若利用塔頂常壓氣相物料與水進行換熱,換熱器一旦發生泄漏,水就會進入工藝物料中,必將導致工藝物料中的水含量超標,工藝物料攜帶水分進入異構化反應器和吸附塔,不僅會降低催化劑和吸附劑的使用壽命,而且會加速吸附劑和催化劑的水熱老化,對吸附劑和催化劑造成永久性損害。吸附劑一旦出現永久性損害,就需要卸出舊劑和再裝入新劑,由于吸附劑價格昂貴、裝填量大,即使采用24 h不間斷施工作業也至少需要6個月時間才能完成,除了巨大的經濟損失外,也將造成不良的社會影響。因此,在吸附分離和異構化裝置工藝設計中,為了延長催化劑和吸附劑的使用壽命,最大限度地降低風險,嚴禁工藝介質與水換熱。

(3)工業上一般采取與水換熱的方式回收低溫余熱,換熱后的熱水用于供暖或發電,由于供暖受季節氣候影響,環境溫度變化較大,熱水供暖的連續性和穩定性較差;傳統的熱水發電通過膨脹做功,發電效率極低,且在國內同類芳烴聯合裝置中尚沒有應用業績。

3 芳烴聯合裝置余熱回收利用

3.1 芳烴聯合裝置低溫余熱回收方案

為了高效回收抽余液塔和抽出液塔的塔頂低溫余熱,首套國產化芳烴聯合裝置在設計階段就提出了低溫余熱回收方案,即對抽余液塔和抽出液塔進行適當升壓、升溫,采用蒸汽發生器取代空冷器,使其塔頂氣相物料能夠產生0.45 MPa低壓飽和蒸汽。芳烴聯合裝置主要是以二甲苯塔為熱量集成中心進行熱聯合,抽余液塔和抽出液塔采用二甲苯塔的塔頂與塔底物料作為塔底再沸器熱源,如果要實現抽余液塔和抽出液塔的升溫、升壓,就需要先對二甲苯塔進行適當升溫、升壓。不同工藝裝置的運行數據見表2。數據顯示,國產化芳烴聯合裝置中二甲苯塔、抽余液塔和抽出液塔均采取加壓操作,塔頂、塔底溫度均比UOP和IFP工藝的溫度要高,這顯著提升了塔頂熱源回收利用空間,很大程度上提高了換熱效率。

表2 不同工藝裝置的運行數據

國產化芳烴聯合裝置抽余液塔和抽出液塔的塔頂低溫余熱回收工藝流程見圖1。抽余液塔和抽出液塔的塔頂產生的0.45 MPa飽和蒸汽與甲苯塔頂自產蒸汽匯合后進入二甲苯塔重沸爐對流段進行過熱,除少量蒸汽用于除氧器除氧和裝置伴熱外,其余蒸汽送至凝汽式汽輪機發電機組發電,乏汽采用板式濕空冷器進行冷卻,冷卻后形成的凝結水經過精密過濾器過濾后送至除氧器除氧,水量不足部分由系統除鹽水補充,除氧水再送至各蒸汽發生器循環使用。

圖1 塔頂低溫余熱回收工藝流程

3.2 低溫余熱回收系統風險防控措施

抽余液塔和抽出液塔的塔頂余熱回收技術的應用大大增加了芳烴裝置設備、系統之間的關聯風險,例如,當蒸汽發電機因故障而跳停或除鹽水供應發生中斷時,會使各精餾塔壓力迅速上漲,不僅會造成產品質量不合格,而且會影響設備安全運行,造成安全事故;又如當蒸汽發生器發生泄漏時,會使大量水分進入物料系統,對催化劑和吸附劑造成損害,因此通過以下風險防控措施來實現整個低溫余熱回收系統的安全穩定運行。

(1)提高蒸汽發生器的設備質量。抽余液塔和抽出液塔的塔頂蒸汽發生器采用雙管板U形管式結構,即使管板發生泄漏,殼程介質也不會直接進入管程,且管束采用高通量管,不僅提高了設備的安全性,而且提高了換熱效率[2]。

(2)提高蒸汽發生器的設計壓力。蒸汽發生器的設計壓力較高,管程設計壓力為0.8 MPa,殼程設計壓力為1.0 MPa,而正常生產中蒸汽發生器管程壓力為0.25 MPa,殼程壓力為0.45 MPa,設計壓力遠高于操作壓力,提高了蒸汽發生器的安全性。

(3)設置備用蒸汽發生器。抽余液塔頂設置了4臺蒸汽發生器,每臺按照滿足抽余液塔30%熱負荷來設計,總的熱負荷達到120%;抽出液塔頂設置了2臺蒸汽發生器,每臺能滿足抽出液塔60%熱負荷,總的熱負荷也是120%,且設計了2臺備用空冷器,每臺能滿足抽出液塔50%熱負荷。因此,在正常生產下,每臺蒸汽發生器都可以單獨切出,隔離檢修十分方便。

(4)完善監控報警系統。蒸汽發生器后均安裝了在線水分析儀,可以實時監控塔頂冷凝物料中的水含量,如果蒸汽發生器發生泄漏,水分進入塔頂冷凝物料,監控報警系統就會發出聲音和閃爍報警,操作人員可以第一時間進行處理。

(5)蒸汽發電機前設置放空調節閥。當蒸汽發電機跳停時,蒸汽輪機入口的主蒸汽閥關閉,會造成蒸汽系統壓力快速上漲,抽余液塔和抽出液塔壓力上升,導致整個生產工藝波動較大。為了降低此類風險,在蒸汽發電機入口設置一個蒸汽放空調節閥,設置聯鎖智能調節功能,實現管網蒸汽壓力的快速調整。

(6)增設事故備用除鹽水罐。正常生產中蒸汽進入蒸汽輪機做功后的凝結水依次經精密過濾器過濾、除氧器除氧后,送至蒸汽發生器循環使用。當蒸汽發電機跳停時,大量蒸汽放空,除氧器需要及時補充大量的除鹽水。此情況的事故處理預案為:一是大量補充來自系統總管的除鹽水;二是增設一個1 000 m3的備用除鹽水罐,當系統除鹽水補充不足時,使用備用除鹽水補充以維持生產。

(7)補充蒸汽以保證蒸汽發電機運行穩定。為了實現首次成功開車,對0.45 MPa蒸汽管網進行蒸汽吹掃,并對汽輪機進行提前試車;為了防止正常生產時0.45 MPa蒸汽管網壓力波動造成蒸汽發電機的非計劃停車,在進二甲苯塔重沸爐前的蒸汽管線上,增加一條補充蒸汽管線。當抽余液塔和抽出液塔壓力波動,造成蒸汽系統的壓力大幅波動時,可以及時投用這條補充蒸汽管線,保證蒸汽發電機正常運行。

4 低壓蒸汽發電系統運行分析

為了準確評價低壓蒸汽發電系統的運行效率,在一天的不同時間采集了各塔頂蒸汽發生器所提供蒸汽的溫度、壓力及流量數據和蒸汽發電機組的運行數據,具體數據分別見表3和表4。先計算蒸汽發電機組凈發電量所對應的熱能,再計算過熱蒸汽轉變為凝結水時所減少的熱能,然后通過兩者的比值來求得低壓蒸汽發電系統的運行效率。

表3 各塔頂蒸汽參數

表4 蒸汽發電機組的運行數據

5 低溫余熱回收發電技術效益分析

5.1 經濟效益分析

抽余液塔和抽出液塔的塔頂采用蒸汽發生器來代替空冷冷卻,一方面節約了大量空冷設備投資,節省了空冷風機的耗電量;另一方面利用蒸汽發電,經濟效益顯著,蒸汽發電機組的平均總發電量為18 010 kW·h,減去乏汽空冷風機以及潤滑油泵1 250 kW·h的自耗電,凈發電量為16 760 kW·h,以一年8 400 h、每度電0.61元計算,即蒸汽發電機組全年發電產生的經濟效益為8 588萬元。

5.2 社會效益分析

采用UOP和IFP技術的芳烴聯合裝置其對二甲苯產品的能耗非常高,能耗費用在對二甲苯生產成本中占有很大的比重,低溫余熱回收發電技術大幅降低了對二甲苯產品的能耗。該技術在國產化芳烴聯合裝置中的成功應用,不但驗證了低溫余熱回收發電技術在芳烴聯合裝置中應用的可行性和穩定性,而且為石油化工和冶金等高耗能行業的低溫余熱利用提供了一個非常好的途徑,具有重要的示范意義,積極響應了當前綠色低碳和節能環保的號召,引領了國內外芳烴行業的革命。在新一輪芳烴聯合裝置的改造、在建和擬建過程中,裝置設計優化時均將低溫余熱回收技術作為降低裝置能耗和提高競爭力的重要措施。

6 余熱回收發電技術完善優化探討

雖然抽余液塔和抽出液塔的塔頂余熱回收發電技術已成功應用于中國石化首套國產化芳烴聯合裝置中,大幅降低了裝置能耗,但通過不斷摸索發現仍然有一些需要完善優化的地方。

(1)降低蒸汽系統壓力。在設計時應盡可能降低蒸汽系統的壓力,其主要瓶頸在于蒸汽發電機汽輪機的選型和制造,如果能夠制造出進汽壓力更低和效率更高的汽輪機,那將會進一步降低裝置的產品能耗。在低溫余熱回收技術實施的過程中發現,對于任何一套裝置來說,熱量回收利用率最高的方式就是直接與工藝物料進行換熱回收,盡可能地少產蒸汽,因為產生的蒸汽無論是用來給其他工藝介質加熱還是用來發電,其熱量回收利用率都比較低。從能量守恒的角度分析,所有蒸汽產生的根源都是燃料消耗,蒸汽發電的本質就是用高品位的燃料燃燒產生低品位的蒸汽,之后再進行發電。降低蒸汽系統壓力之后可以同步降低抽余液塔和抽出液塔的操作壓力,并降低精餾塔回流比,減少塔底再沸器熱源消耗量,進而降低二甲苯塔重沸爐燃料氣消耗量。

(2)提高放空調節閥的可靠性?？紤]到一旦蒸汽發電機跳停和汽輪機進氣閥關閉,低壓蒸汽管網的壓力會迅速升高,不但會影響抽余液塔、抽出液塔和甲苯塔的正常操作,而且會帶來系統超壓的安全隱患,因此增設了一個壓力調節閥,當蒸汽管網壓力升高時,壓力調節閥可以自動打開進行放空泄壓。在實際生產過程中發現壓力調節閥很容易出現故障,當蒸汽管網壓力升高需要及時打開壓力調節閥時,如果此時壓力調節閥因故障而不能打開,就會導致整個裝置非計劃停工,因此應再增加一個壓力調節閥。兩個壓力調節閥在壓力控制上設定不同的開啟壓力,實現分級開啟,當蒸汽管網壓力升高時首先自動打開其中的一個壓力調節閥,如果壓力繼續升高至另一個壓力調節閥的設定壓力時再自動打開另一個壓力調節閥。另外,在生產管理方面將此壓力調節閥的開關測試作為車間級的定期作業,定期進行開關測試,確保此閥門始終處于良好備用狀態。

(3)增加蒸汽發生器的設計裕量。抽余液塔和抽出液塔的塔頂蒸汽發生器在設計時應考慮更多的裕量,便于裝置在高負荷運行時能更好地調節壓力,保持各精餾塔的塔頂壓力穩定,確保裝置平穩運行。

7 結 論

抽余液塔和抽出液塔的塔頂余熱回收發電技術的成功應用,驗證了該技術在芳烴聯合裝置中應用的可能性和可靠性,體現了巨大的經濟效益和社會效益,大幅降低了裝置能耗,提升了裝置競爭力,在大力提倡節能降耗的今天,低溫余熱回收發電技術必將在石油化工、熱電和冶金等高耗能行業中得到推廣和應用。根據裝置實際運行效果總結如下:

(1)蒸汽發電系統運行穩定,滿足裝置長周期穩定運行的要求。

(2)通過低壓蒸汽發電技術的應用,降低了裝置產品能耗。

(3)通過蒸汽發生器的設備選型和材質升級,既提高了換熱效率,又提高了設備的可靠性。通過設置多臺備用蒸汽發生器,為設備的故障處理增加了靈活性。

(4)塔頂在線水分析儀的使用,可以實時監控蒸汽發生器的運行狀態,為保護吸附塔吸附劑和異構化催化劑提供了實時準確的參考數據。

(5)最大限度地降低蒸汽發電機組的進汽壓力,以實現各精餾塔的操作壓力和回流比的同步降低,從而進一步降低裝置能耗。