超級石化推薦：甲醇制烯烴裝置余熱回收替代蒸汽研究！

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  主題活動信息內容：中國化工學好機構中國石油/中國石化/中國海油/中化集團/神定為2021年3月22-24日在寧波市舉行“2021（第五屆） 國際性烷烴及異戊橡膠交流會"。將以“烷烴及異戊橡膠全產業鏈:新時期、 新挑戰、 新發展為主題風格”， 不斷對焦三大重點領域的改革創新——“烷烴和異戊橡膠原料和生產工藝” 、 “異戊橡膠制取和金屬催化劑技術性” 及其“異戊橡膠商品和運用” ， 深層次研究產業發展規劃新方位、 技術性提升新思維。若有意愿宣傳教育展現出席會議請聯絡非常石油化工。

  非常石油化工具體內容：對于甲醇制烷烴設備（MTO）反映物質余熱和凝結水的余熱沒有獲得運用的狀況，選用統計分析方法對原料甲醇-反映物質換熱全過程開展剖析，明確提出2個提升對策，一是選用MHE高效率換熱器收購反映系統軟件余熱，二是選用SER蒸氣動能收購技術性收購凝結水余熱。對于一套30萬t/a的MTO設備提升后，烷烴用汽量減少0.3t/t，烷烴產品成本減少45元/t，經濟收益1362萬余元/a。

  非常石油化工關鍵字：甲醇；烷烴；余熱環保節能；MTO

  甲醇制烷烴（MTO）技術性早已完成現代化，做為一個新起的加工工藝，發展趨勢時間比較晚，在動能運用上不足充足，因而在環保節能層面有很大的提高室內空間[1,2]。MTO設備的原料為液態甲醇，必須根據換熱和蒸汽換熱器汽化后進到管式反應器。一套30萬t/a（以烷烴生產量計）的MTO設備，原料加熱必須耗費發熱量12600萬kW，在其中耗費蒸氣70t/h，花費9408萬￥/a，占成本費的12%。此外，該設備造成很多的凝結水，凝結水的余熱沒有獲得合理運用。

  浦江龍等[3]根據Aspen plus開展了熱學仿真模擬獲得了在化學反應全過程的影響因素中（溫度、工作壓力、水成分等），溫度針對反映的危害較大的結果。匯能集團甲醇制烷烴（SHMTO）技術性通過生產流程和金屬催化劑特性領域的提升后，初次得出的生產制造結果也做到了同業競爭領先地位[4]。周立進等[5]引進高溫煙氣脫硫反映模塊并提升商品高溫余熱回收互聯網后，與傳統手工藝對比，總耗能減少24.5%。匯能集團呼和浩特煤化企業對MTO設備再造地熱采暖系統軟件實現了提升更新改造[6]，改造內容有：提升再造工作壓力；減少金屬催化劑循環系統量、提升待生定碳；增加再造運輸蒸氣占比；提液水回煉改入油水分離器系統軟件；提升再造藏量；減少再造溫度等技術改造計劃方案，不但將生產制造負載提升到110%，并且還附加產出率3.5MPa蒸氣，獲得了較好的經濟收益。孫高攀不起[7]將甲醇生成和甲醇制烷烴原料加熱加工工藝開展了提升，明確提出甲醇生成工藝流程的脫輕塔后退至MTO入料加熱工段長，減少設備實際操作難度系數，節省項目投資，減少耗能。

  對于減少MTO原料甲醇的汽化全過程用能提升層面的科學研究很少有報導，華賁[8]明確提出的“三階段”基礎理論從動能運用的實質考慮，對冶煉廠催化裝置的余熱開展提升綜合利用，獲得了明顯的社會經濟效益和社會效益。華賁[9]論述了節能減排的基本上意識和實施規劃的關鍵實際意義，闡述了總步驟和動能綜合性提升中間的密切相關，并對于老設備深層次環保節能和優化系統明確提出了改善建議。張高博等[10]選用“三階段”基礎理論各自對柴油機加氫裝置的塔、換熱互聯網、熱處理爐和機泵開展優化系統，獲得了設備耗能降低38.9%的顯著效果，該方式也可用作別的設備的全方位環保節能提升。

  文中以中國早已動工的一套30萬t/a的MTO設備為例子，選用“三階段”基礎理論對原料加熱步驟開展提升，明確提出收購凝結水余熱，取代原料汽化用汽的改進方案。

  1 方式和基本原理

  1.1 的測算

  即合理能。針對一股貨運物流，當系統軟件由隨意情況可逆性轉變到自然環境情況時，其動能大限度轉換的有用功，稱之為[11]，計算方法如下所示：

  1.2 換熱器點評

  對一個換熱器的動能利用率的評估通常選用熱學第一基本定律，點評其熱效η，熱效率越高，該換熱器的熱量收購實際效果越好。但這類評價方法沒法點評出換熱器熱氣和內冷溫位的合理配對，及其換熱器的合理型號選擇。選用熱學第二基本定律，用高效率ηex來點評熱傳導全過程，可以獲得更科學合理的結果，針對后面的換熱器的改造方案強調方位。常用的公式計算如下所示：

  2 MTO設備步驟和剖析

  MTO設備主要包含反映再造系統軟件和急涼水洗系統軟件，及其搭配的供熱工程項目系統軟件。反映再造系統選用循環流化床和不徹底再造加工工藝；自設備外界的液態甲醇經加溫汽化和太熱后以汽態進到管式反應器，反映物質經旋風除塵器收購帶入的小量石粉后進到急涼水洗系統軟件。再造系統軟件根據主離心風機為再造器給予燒糊氣體。

  急涼水洗系統軟件的首要機器設備包含急冷塔、水清洗塔和廢水汽提塔。反映物質在激冷塔中去除太熱，在水清洗塔中清洗出帶上的金屬催化劑。急冷塔和水清洗塔底端排除的清洗水送至廢水汽提塔收購當中的甲醇、二甲醚等有機化合物。

  供熱工程項目系統軟件主要包含CO垃圾焚燒爐、余熱加熱爐和再造器外取熱水器，其功效是自來水取下系統軟件的熱能發生蒸氣。

  2.1 原料甲醇汽化步驟

  原料甲醇自儲罐區至MTO設備的原料儲罐，經甲醇泵變壓后，先后與過濾水和凝結水換熱器后，進到甲醇汽化器，由蒸氣做為熱原開展汽化，氣化后的甲醇再度與氣相反應物質換熱后進到管式反應器，見圖1。

  圖1 原料汽化流程表

  液態甲醇汽化步驟中有3組換熱器。對它進行剖析，換熱器E1201AB、E1104AB、E1102AB的多數均值溫度差各自為107℃、32℃、54℃，相匹配的損花費各自為306￥/h、35￥/h、51￥/h。由此可見，E1201AB的多數熱傳導溫度差顯著高過E1104AB和E1102AB，損花費也與此同時明顯高過E1104AB、E1102AB，由此可見，減少損的具體措施是減少熱傳導溫度差。對策來源于2個層面，一方面是以熱原側下手減少通道溫度，另一方面從熱阱側下手，提升甲醇在進到甲醇汽化器以前的溫度，見表1。

  2.2 反映物質換熱全過程

  反映物質（125t/h，460℃）的換熱步驟是最先與來源于甲醇汽化器的氣相色譜甲醇換熱至340℃，隨后再進到激冷、水清洗塔，清洗金屬催化劑，去除太熱，將反映物質水冷疑后，反映氣（40℃）進到烷烴分離出來設備。

  2.2.1 發熱量剖析

  反映物質的發熱量依照收購至60℃測算，可以收回的總發熱量為209160MJ/h，具體收購的余熱一部分用以與甲醇換熱，換熱量為62748MJ/h；剩下的發熱量進到急冷塔和水清洗塔，根據急涼水和水清洗水做為烷烴分離出來塔底熱原，換熱量為134197MJ/h，發熱量利用率為94%，剩下的發熱量由冷卻循環水和空冷器帶出系統軟件。

  2.2.2 剖析

  反映物質換熱全過程的損比較大，尤其是激冷、水清洗塔的損占總損的67%。表明反映物質的發熱量未獲得靈活運用?，F階段反映物質-甲醇換熱器選用一般的立柱式換熱器，熱側進出口貿易溫度為460~340℃，冷側進出口溫度為100~144℃，多數均值熱傳導溫度差達到277℃。一般情形下，有效的熱傳導溫度差在20~50℃。該加工工藝中因為熱側原材料中帶有金屬催化劑顆粒物，非常容易積垢，導致熱傳導實際效果降低，危害了反映物質余熱的靈活運用，造成很多余熱進到急冷塔由冷卻循環水帶出設備，導致損擴大。選用統計分析方法對該換熱全過程開展剖析，與通常的換熱溫度差對比，損產生的經濟效益損害達到3492萬￥/a。

  2.3 凝結水系統軟件的余熱運用狀況

  MTO設備凝結水關鍵來源于原料加熱和廢水汽提2個模塊。雙路凝結水與此同時進到到凝結水閃蒸罐V1205，閃蒸罐頂工作壓力為0.17 MPa，凝結水中的閃蒸氣變成乏氣排盡，排汽量為2t/h。罐底的凝結水再次根據甲醇-凝結水換熱器E1102AB換熱，及其根據空冷器制冷至93℃送出設備，見圖2。

  圖2 凝結水系統軟件工藝設計流程圖

  凝結水的余熱沒有獲得收購。雙路凝結水可回收利用的余熱16733MJ/h，在其中：

  （1）廢水汽提塔凝結水：該凝結水由污水汽提塔應用1.0MPa蒸氣造成，總流量25t/h，溫度176℃。假如收購余熱至100℃，可回收利用的余熱7949MJ/h。具體制造中，該路凝結水與原材料換熱，溫度從176℃降到116℃，收購的余熱僅為6275MJ/h，余熱利用率為79%。

  （2）甲醇汽化器凝結水：該凝結水由甲醇汽化器應用的0.4MPa蒸氣造成，總流量70t/h，溫度130℃。依照凝結水減溫至100℃，可回收利用余熱8784MJ/h。

  各界凝結水的狀況見表3。

  表3 DMTO設備凝結水基本數據分析表

  3 改進方案和效益評估

  3.1 改進方案

  3.1.1 更新改造立柱式換熱器

  MHE高效率換熱器是一種防積垢換熱器[12]，選用了高效率換熱管 螺旋式折流板，具備避免固態顆粒物積垢的工作能力，與此同時增強了管程和殼程的流動速度，明顯增強了換熱實際效果，因而合適用在帶有金屬催化劑顆粒物的反映物質的換熱步驟中。將現階段的立柱式換熱器拆換為MHE高效率換熱器，可以加強反映物質和氣相色譜甲醇換熱，充足收購反映物質余熱，減少甲醇汽化蒸氣量。其特性是具備較好的防堵特性，可以合理降低因為反映物質中金屬催化劑的堆積造成的換熱高效率降低的問題。更新改造后，立柱式換熱器出入口氣相色譜甲醇的溫度由144℃提升至180℃，提高了36℃。提升后的甲醇汽化步驟如下圖3所顯示（圖內實線框中為提升后結果）。

  圖3 甲醇汽化提升后的流程表

  3.1.2 收購凝結水余熱

  現階段的蒸氣動能收購技術性包含超低溫熱發電量、蒸氣引射和蒸汽縮小三種。蒸汽壓縮機技術方案選用蒸汽壓縮機對凝結水閃蒸的乏氣開展充壓[13]，收購凝結水的余熱，熱能工程變換高效率做到80%以上。上海市慧得企業對該技術性開展了轉換，開發設計了SER蒸氣動能收購發電機組。選用電為驅動力，對凝結水余熱開展收購和更新運用，發電機組造成0.3MPa蒸氣6.6t/h可用以原料汽化，收購蒸氣以后的凝結水溫度100~105℃依然選用原來的步驟與甲醇原料換熱以后送出設備。該工藝既收購了凝結水的余熱，又減少空冷器的能耗。

  提升后的過程見圖4（圖內實線框中為提升后結果）。

  圖4 凝結水提升流程表

  3.2 提升后的剖析

  提升后，再度選用分析方法對甲醇汽化步驟和反映物質的換熱步驟開展剖析。

  3.2.1 原料甲醇汽化步驟

  采用增上SER發電機組的提升對策后，E1201AB的熱側通道溫度由210℃減少至190℃，降低了20℃；E1102AB冷側出入口溫度由73℃提升至80℃，提高了7℃。換熱全過程的損由提升前的5606 MJ/h減少至提升后的4812 MJ/h，減少了14%。損花費由329萬￥/a減少到283萬￥/a，降低了14%。結果見表4。

  表4 提升后甲醇汽化步驟剖析

  3.2.2 反映物質換熱步驟

  選用MHE高效率換熱器對反映物質換熱器E1202AB開展更新改造，提升了甲醇進管式反應器的溫度，由提升前的144℃提高至180℃，提升36℃。反映物質換熱步驟的損由提升前的59383 MJ/h減少至提升后的57383 MJ/h，減少了3.3%。損花費由3492萬￥/a減少到3373萬￥/a，降低了3.3%。結果如表5所顯示。

  表5 提升后反映物質汽化步驟剖析

  3.3 環保節能實際效果

  （1）反映物質換熱步驟。選用MHE高效率換熱器對反映物質換熱器E1202AB開展更新改造，提升了甲醇進管式反應器的溫度，這一部分發熱量最后轉換為3.5MPa蒸氣2.6t/h，可減少蒸氣耗費4%。

  （2）凝結水余熱收購。增上SER蒸氣動能收購發電機組可以從凝結水中收購0.3MPa蒸氣6.6t/h（5.5萬t/a），減少蒸氣耗費9%。與此同時節省空冷器額定功率101kW，需要耗電452kW，節能量折標煤5227t/a。

  3.4 經濟效益

  兩項措施后，按照每噸3.5MPa蒸汽200元、每噸0.3MPa蒸汽120元、1kWh電0.7元計算，總效益1362萬￥/a，當前裝置的乙烯/丙烯產量為30萬t/a，平均降低乙烯/丙烯生產成本45元/t，具有良好的經濟效益。

  MTO裝置的規模越來越大，目前研究的這套裝置建成時間為2014年，建設年代較早。目前國內大型的MTO裝置已經達到80萬t/a（以產品計）。但各裝置的原料氣化和反應產物余熱回收的流程相似，因此該方法可以推廣應用到其它規模的MTO裝置，同樣可以產生良好的經濟效益。

  4 結論

  甲醇制烯烴（MTO）裝置原料氣化流程和反應產物換熱流程存在溫差大，蒸汽耗量大的問題，以及凝結水余熱沒有得到利用的問題。采用分析方法對甲醇回收系統進行分析，可以發現損較大的換熱設備，確定節能方向。

  使用兩項專利技術對系統進行改造，一是采用MHE高效防垢換熱器更換反應產物-甲醇氣換熱器，解決反應產物側含有催化劑顆粒容易結垢，以及流速偏低換熱效率低的問題；二是使用SER蒸汽能量回收機組回收凝結水的余熱產生蒸汽，用于替代甲醇氣化器使用的0.4 MPa蒸汽。

  以一套30萬t/a的MTO裝置為例，兩項措施實施后可以提高反應產物的效率3.3%，可以降低甲醇氣化流程的損14%。回收蒸汽9.2t/h，降低原料甲醇的氣化用汽13%，總效益1362萬￥/a。每噸烯烴的耗汽量降低0.3t，每噸烯烴的生產成本降低45元。

  不同規模的MTO裝置換熱流程基本相同，該技術可以推廣到各種規模的甲醇制烯烴裝置。（作者：張高博1，魏云輝1，汪廣春1，郭忠江2，陳平平3，1.上海；2.山東聯；3.福建）

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