精對苯二甲酸裝置能耗計算及分析

汪 英 枝

(中國昆侖工程公司，北京 100037)

精對苯二甲酸裝置能耗計算及分析

汪 英 枝

(中國昆侖工程公司，北京 100037)

根據GB31533—2015《精對苯二甲酸單位產品能源消耗限額》的規定，確定了精對苯二甲酸(PTA)裝置界區的劃分及用能分布，比較了不同規模PTA裝置的能耗及技術先進性，同時指出，項目的能耗分析還應對比同行業或同類技術的能耗。以1 000 kt/a PTA裝置“四合一”工藝空壓機組為例，進行能耗和做功能力計算及分析，空壓機組對裝置外輸出電量約為8 220 kW，折合單位產品節能65.8 kW，節能效果顯著；單位產品能耗計算同時還應考慮物料消耗。

精對苯二甲酸 裝置能耗 折標系數 能量平衡 當量值 等價值

近年來，國家有關部門通過制定新的能耗限額標準，倒逼產業轉型升級。以精對苯二甲酸(PTA)產業鏈為例，2015年5月15日國家發布標準GB31533—2015《精對苯二甲酸單位產品能源消耗限額》和GB31534—2015《對二甲苯單位產品能源消耗限額》，并于2016年6月1日實施；《聚酯滌綸單位產品能源消耗限額》標準也已上報送審稿。新標準(GB31533—2015)要求現有企業PTA單位產品能耗限定值為不大于5 852 MJ，新建或改擴建裝置準入值為不大于2 779.7 MJ，先進值為2 340.8 MJ。

多年來，在PTA產業鏈規劃項目的環境影響報告、項目申請報告、節能評估報告的評估過程中，有關方面對裝置的能耗及技術先進性的評價往往存在分歧。作者以PTA項目節能評估報告編制和評審中的難點，PTA裝置最大能耗單元工藝空壓機組的能耗及做功能力計算為例，解讀對標準GB31533—2015的理解和使用，指出計算時的注意事項，并以此為借鑒，用于石化行業其他裝置或其他行業的能耗計算和對比。

1 PTA工程用能分布及能耗情況

1.1 PTA裝置組成及用能分布

PTA工程包括生產系統(PTA裝置)、輔助生產系統(公用工程及公用設施)，以及附屬生產系統。生產系統由氧化工段和精制工段組成。氧化工段包括空氣壓縮、氧化反應、對苯二甲酸(TA)結晶、TA固體分離、TA干燥及中間貯存、廢氣處理和溶劑回收等單元。精制工段包括漿料調配、PTA加氫精制和結晶、固體分離、PTA干燥和產品風送及貯存等單元。輔助生產系統包括熱電聯產裝置(鍋爐房)、綜合給水站、循環水站、海水泵站(如果有)、空壓站和污水處理站等。附屬生產系統包括中央控制室、中心化驗室、原料罐區、成品庫、輔料倉庫、制氫裝置等。PTA工程各裝置能量關聯見圖1。

圖1 PTA工藝各裝置能量關聯示意Fig.1 Energy connection diagram of PTA project1—綜合給水站；2—熱電聯產裝置；3—附屬裝置及配套公用工程；4—PTA生產裝置；5—污水處理廠

1.2 不同規模PTA裝置能耗

由表1可知，隨著PTA裝置規模擴大，技術優化，PTA裝置能耗顯著下降，百萬噸級以上PTA裝置單位產品能耗在2 926 MJ以下。

表1 不同規模PTA裝置能耗

注：能耗計算中，因電力折算取當量值或等價值，計算范圍按照裝置或全廠，其結果會有所差異。

2 綜合能耗計算折標系數分析

2.1 不同標準的折標系數

近年來，國家有關部門對擬建PTA工程《項目申報報告》和《節能評估報告》的評審通常要求分別按GB/T 50441—2007《石油化工設計能耗計算》和GB/T 2589—2008《綜合能耗計算通則》的折標系數計算裝置及全廠的單位產品綜合能耗。比較PTA技術的先進性時，通常采用裝置的綜合能耗；比較萬元工業總產值或萬元工業增加值的能耗等宏觀經濟指標時，則采用全廠的綜合能耗。在以往工作中，石化行業大多采用GB/T 50441—2007的折標系數，其他行業多采用GB/T 2589—2008的折標系數。前者數據較全，往往作為后者折標系數的補充。

需特別指出的是，GB/T 2589—2008中，電力折算當量值為3.60 MJ(折合2.52 MJ/kW·h)，電力折算等價值要求按當年火力發電標準煤耗計算。GB/T 50441—2007中電力折算值為7.6 MJ/kW·h，該折算值實為2005年的等價值，約為當量值的3倍。兩個標準的差別對綜合能耗的計算結果影響較大。電力折算等價值每年有所不同，根據國家電力部門公告，2011—2015年電力折算等價值分別為9.66，9.54，9.39，9.35,9.25 MJ/kW·h。但是，近年在制定對二甲苯(PX)、PTA及乙二醇(EG)等單位產品能源消耗限額國標時，國家發改委有關部門要求電力折算系數統一用當量值。隨著節能減排工作的深入，PTA裝置污水處理排放標準不斷提高，污水處理能耗也顯著增大。GB/T 50441—2007規定，處理每噸污水的能耗折算值為32.19 MJ。

2.2 GB 31533—2015的正確理解和使用

GB 31533—2015限定了現有PTA生產企業單位產品能耗不大于5 852 MJ，新建或改擴建企業單位產品能耗不大于2 779.7 MJ，企業單位產品能耗先進值不大于2 340.8 MJ，企業“PTA單位產品綜合能耗”應為全廠能耗[2]；標準中5.1條統計范圍包括生產系統、輔助生產系統、附屬生產系統，即圖1中主生產裝置、輔助生產裝置、公用工程及公用設施[2]。

近幾年來，在PTA裝置項目評審、能耗對比、技術先進性比較過程中，時常出現PTA專利商或企業能耗低報情況，主要原因有：(1)能耗計算時折標系數取值不統一，將GB/T 50441—2007中等價值和GB/T 2589—2008中的當量值混在一起，計算錯誤；(2)能耗計算“界區”范圍縮小；(3)主要設備配置不同，如工藝空氣壓縮機組，采用“四合一”機組或“三合一”機組。界區如果劃分為主生產裝置，“四合一”機組的裝置就比“三合一”機組的裝置綜合能耗低。

3 PTA裝置典型用能設備能耗計算

項目節能評估包括工藝流程及技術方案、主要用能工藝及工序和主要耗能設備等[3]。這里以PTA裝置的最大耗能設備”四合一“工藝空壓機組為例，進行典型設備的能耗計算。

“四合一”工藝空壓機組包括空氣壓縮機、蒸汽輪機、尾氣膨脹機和電動機/發電機四部分。空壓機向反應器提供反應用空氣，蒸汽輪機作為主驅動，利用裝置副產低壓蒸汽，尾氣膨脹機作為輔助驅動，利用氧化尾氣。開車時，利用電動機驅動，正常生產時，作為發電機，外供電力。1 000 kt/a PTA裝置工藝空壓機組配置見圖2。

圖2 1 000 kt/a PTA裝置工藝空壓機組配置示意Fig.2 Air compressor assembly diagram of 1000 kt/a PTA plant1—汽輪機；2—壓縮機；3—電動機/發電機；4—尾氣膨脹機

1 000 kt/a PTA裝置工藝空壓機組能耗計算如下：

(1)空壓機排氣量及排出壓力

以中溫中壓反應工藝為例，若反應器頂部排出尾氣壓力(Pi1)1.13MPa，管路及調節閥壓降(Pi2)0.05MPa，反應器液柱壓力(Pi3)0.08MPa，反應器頂部冷凝系統壓降(Pi4)0.1MPa，則空壓機排出壓力(P)為1.36MPa。

P=Pi1+Pi2+Pi3+Pi4

(1)

(2)空壓機消耗功率(N1)

與空壓機廠商溝通，估算N1，也可由設備廠家估計。本例N1為450kW(包括潤滑油泵、事故油泵、油箱加熱器、冷凝水泵、電動盤車等)。

(3)汽輪機用能

確定來自氧化反應器頂部冷凝器系統副產的低壓、超低壓蒸汽等級(工藝技術不同，副產蒸汽等級和數量不同[4])。

本例取3種等級計算，其蒸汽量合計為366.1t/h，蒸汽焓值(Q)合計為993 315MJ/kg，如表2、表3所示。

表2 氧化反應器副產蒸汽性能

表3 Q的計算數據

循環冷卻水用量估算：

空壓機組循環冷卻水的溫差(?t)取值較大(10.0 ℃)，則冷卻水消耗較少，但冷凝器面積大，投資較高；反之，?t取值較小(6.0 ℃)，則冷卻水消耗較大，但冷凝器面積小，投資較低。

綜合考慮，一般?t取值7.0～7.5℃為宜。設從汽輪機冷凝器排出蒸汽凝液溫度為50 ℃，?t取7.3 ℃，則凝液的焓值為76 663MJ/h，冷卻器換熱量為791 337MJ/h，冷卻水消耗量為25 900m3/h。

汽輪機用能即其做功能力(N2)估算：

N2=(Q-MW)×860

(2)

式中：M為50 ℃時蒸汽總焓值(由壓縮機廠商提供)；W為蒸汽總量。

經計算，汽輪機功率N2約為34 500kW。

(4)尾氣膨脹機做功能力(N3)

若進入尾氣透平的尾氣量271.8t/h，溫度175 ℃，壓力1.0MPa，膨脹機為二級膨脹，級間采用3.5S蒸汽加熱尾氣，尾氣排出溫度40 ℃，所需蒸汽5.8t/h，則N3為14 320kW。N3取值可以向膨脹機廠家提工藝要求，由廠家估算；如沒有物料平衡數據，也可采用類比法估算。

(5)壓縮機功率(N4)

根據工藝要求，氧化反應尾氣氧的體積分數取3.5%，空壓機進氣溫度38 ℃(設計點)，進氣壓力(P1)0.099 1MPa，進口相對濕度95%(設計點)，排出溫度102 ℃。

根據工藝物料平衡確定空壓機排氣量，其中干基382 462kg/h，濕基390 262kg/h，含水7 800kg/h；空壓機進氣量干基397 762kg/h，級間排出凝液7 500kg/h。可計算出空壓機進氣體積流量(V1)為5 798m3/min。則：

(3)

式中：r1為壓縮比；K為絕熱系數。

經計算，N4約為36 600kW。

(6)PTA裝置用電功率(N5)

由于PTA工藝技術路線不同，N5數據相差較大。選取工藝空壓機組的功率為450kW，循環氮氣增壓機的功率為480kW，RPF循環氮氣系統功率為185kW，空冷器功率為650kW，干燥機(包括風機及電機)功率為550kW，泵類功率為1 500kW，母液超濾系統功率為500kW，則N5為4 315kW。

(7)空壓機組對外輸出功率

空壓機組做功能力來自汽輪機和尾氣膨脹機，二者做功能力合計48 820kW。而根據PTA裝置工藝流程，N5約為4 000kW，則空壓機組對裝置外輸出電量約為8 220kW，折合單位產品節能65.8kW，節能效果非常顯著。

上述工藝空壓機組物料和能量平衡匯總于圖3。作為原料用途的能源不計入綜合能源消耗量[5]，但要計入綜合能源消費量，如原料重油、氫氣等。

圖3 1 000 kt/a PTA裝置工藝空壓機組物料和能量平衡示意Fig.3 Feedstock and energy balance of air compressors of 1 000 kt/a PTA plant1—電動機/發電機(12 220 kW)；2—壓縮機(～36 600 kW)；3—汽輪機(34 500 kW)；4—膨脹機(14 320 kW)

4 結論

a. GB31533—2015規定的PTA單位產品能耗限額值和準入值為強制性條款，先進值為非強制性條款，企業應加大監督管理。

b. PTA單位產品能耗折標系數主要按照GB31533—2015計算，如需要，也可參考GB/T 2589—2008和GB/T 50441—2007。

c. 單位產品能耗計算要同時考慮物料消耗，不能為了降低能耗而舍棄物耗。現有裝置節能減排升級改造，還要考慮框架結構、施工安裝是否可行，以及投資成本和回收期等。

[1] 汪英枝.精對苯二甲酸項目的節能評估及建議[J]. 合成纖維工業,2015,38(3):44-47.

Wang Yingzhi. Energy conservation estimation and suggestion on purified terephthalic acid project[J].Chin Syn Fiber Ind, 2015,38(3):44-47.

[2] GB31533—2015,精對苯二甲酸單位產品能源消耗限額[S].

GB31533—2015,Norm of energy consumption of purified terephthalic acid per unit product[S].

[3] 謝極,徐志強,陸新明,等. 固定資產投資項目節能評估和審查工作指南[S].

Xie Ji, Xu Zhiqiang, Lu Xinming,et al.Guide of assessment/examination on energy conservation work of capital projects in fixed assets[S].

[4] 姚玉英,黃鳳廉,陳常貴,等.化工原理[M].天津:天津科學技術出版社,2004:336-349.

Yao Yuying, Huang Fenglian,Chen Changgui, et al. Principle of chemical engineering[M].Tianjin: Tianjin Sci & Tech Press,2004:336-349.

[5] 國家節能中心.固定資產投資項目節能評估和審查工作手冊[S].

National Energy Conservation Center. Manual of assessment/examination on energy conservation work of capital projects in fixed assets[S].

Energy consumption calculation and analysis of purified terephthalic acid plant

Wang Yingzhi

(ChinaKunlunContracting&EngineeringCorporation,Beijing100037)

The battery limit and distribution of energy consumers of purified terephthalic acid plant (PTA) were specified according to GB31553-2015 Norm of Energy Consumption of Purified Terephthalic Acid per Unit Product. The energy consumption and technological advancement of various production-scale PTA plants were compared. In addition, it pointed out that the energy consumption of a project should be analyzed against the energy consumptions of the same industries and technologies. The energy consumption and power capability was calculated and analyzed based upon a four-in-one process air compressor unit of a 1 000 kt/a PTA plant as an example. The external output electricity of air compressor unit was about 8 220 kW, converting the energy saving per unit product as 65.8 kW, which indicated the profound energy saving effect. And the calculation of unit product energy consumption should take into consideration the feedstock consumption.

purified terephthalic acid; plant energy consumption; reduced factor; energy balance; eauivalent value; equal value

2016- 08-22； 修改稿收到日期：2016-12-30。

汪英枝(1965—)，女，教授級高級工程師，長期從事石油化工、化纖工程設計、市場咨詢和工藝技術、工藝設備研發工作。E-mail：wangyingzhi2003@163.com。

TQ245.1+2

A

1001- 0041(2017)01- 0064- 04