芳烴聯(lián)合裝置低溫熱利用實踐

王志華，徐培澤

（中國石化金陵分公司，江蘇南京 210033）

芳烴聯(lián)合裝置工藝復雜、分餾塔數(shù)量多、精餾塔低溫熱潛力巨大，裝置生產(chǎn)過程中部分精餾塔塔頂100~200℃富含相變潛熱的氣相或氣液混相物流，大多以空冷或水冷方式進行冷卻，大量熱量直接損失[1-3]。另外，部分煉廠仍需要使用大量1.0 MPa低壓蒸汽用作精餾塔熱源，例如異丁烷裝置、氣分裝置、MTBE裝置等，同時也有部分煉油廠使用低壓蒸汽為配套生活區(qū)供暖，造成高溫位低壓蒸汽大幅消耗，未實現(xiàn)梯級利用。

1 芳烴聯(lián)合裝置低溫熱現(xiàn)狀及存在問題

某公司60萬t/a芳烴聯(lián)合裝置精餾塔頂包含低溫熱共計約164 MW，詳見表1。低溫熱利用項目改造之前，精餾塔頂熱量通過空冷直接冷卻，造成低溫熱能損失，裝置內部鄰二甲苯塔與抽出液塔夏季塔頂空冷滿負荷運行時，冷卻負荷仍不足。芳烴聯(lián)合裝置內抽余液塔頂熱量相對較高，但由于非芳組分實際工況較設計偏高，塔頂溫度與冷后溫度均較設計值低10℃左右，溫位品質不高，但抽余液塔頂熱量占據(jù)低溫熱總值將近一半。通過回收精餾塔低溫熱量，可有效實現(xiàn)芳烴聯(lián)合裝置用能優(yōu)化并消除精餾塔夏季冷卻負荷瓶頸。

表1 芳烴聯(lián)合裝置低溫熱概況

2 低溫熱利用方案比選

由于精餾塔塔頂?shù)蜏責崃烤薮螅紵N聯(lián)合裝置通過挖掘合適用戶以充分利用熱量是實現(xiàn)節(jié)能增效的有效手段。常規(guī)低溫熱利用方式主要包含產(chǎn)熱媒發(fā)電、產(chǎn)熱媒傳熱供匹配溫位精餾塔和產(chǎn)熱媒通過機組制冷媒用于介質制冷等方式。下面結合該芳烴聯(lián)合裝置、煉廠用戶實際需求，進行低溫熱利用方法探討。

2.1 低溫熱發(fā)電分析

芳烴聯(lián)合裝置低溫熱用于產(chǎn)蒸汽或者熱水，通過新增發(fā)電機組以產(chǎn)出熱量用于發(fā)電。實際蒸汽及熱水發(fā)電機組占地面積較大，且單純只發(fā)電的技術熱能利用效率較低，對于改建、占地較緊的裝置適應性不高。按照國內某已經(jīng)工業(yè)化芳烴裝置實際蒸汽發(fā)電機組運行情況及熱水發(fā)電機組數(shù)據(jù)，蒸汽發(fā)電綜合效率約為30%，而新型的卡林娜動力循環(huán)技術的熱水發(fā)電機組綜合發(fā)電效率不到9%。從投資效益考慮，發(fā)電機組及配套工程的一次性建設投資較大，投資回收期較長。

2.2 異丁烷裝置熱阱分析

異丁烷裝置設計規(guī)模為60萬t/a，其內部脫輕塔、穩(wěn)定塔底操作溫度為95~105℃，均使用1.0 MPa低壓蒸汽加熱，高溫位蒸汽未能梯級利用，裝置用能存在巨大優(yōu)化空間。具體工況見表2。通過以芳烴聯(lián)合裝置產(chǎn)出熱媒水供給2臺塔加熱，可有效降低異丁烷低壓蒸汽能耗。

表2 異丁烷裝置精餾塔工況

2.3 催化裂化裝置冷源分析

該公司內某催化裂化裝置設計規(guī)模350萬t/a，在夏季高溫季節(jié)丙烯塔頂冷卻負荷嚴重不足，丙烯塔塔頂壓力與回流溫度超過正常范圍，為產(chǎn)品質量和安全運行帶來較大風險。夏季丙烯塔需降量運行，導致上游催化裝置進料被迫大幅度降低，最嚴重情況下降幅度達到15%，為夏季全公司的物料平衡及經(jīng)濟效益帶來較大影響。通過新增溴化鋰機組，以吸收式制冷方式將芳烴聯(lián)合裝置熱媒水轉換為12℃冷媒水，用于替代原有的30℃循環(huán)水冷卻催化裝置丙烯塔頂物料，可消除夏季催化裝置高負荷生產(chǎn)瓶頸，并可解決該煉廠夏季全流程物料平衡問題。

3 低溫熱利用方案實施

考慮現(xiàn)有煉廠內部熱阱及冷源需求，該芳烴聯(lián)合裝置利用2019年裝置停工大檢修機會實施改造，即重芳烴塔、抽出液塔及鄰二甲苯塔頂?shù)蜏責崂酶脑祉椖浚O計產(chǎn)熱水1 360 t/h，供出熱媒水溫度135℃，回水溫度100℃。改造后熱媒水流程如圖1所示。

圖1 改造后芳烴聯(lián)合裝置熱媒水流程

3.1 芳烴裝置流程優(yōu)化

某芳烴聯(lián)合裝置內部三臺精餾塔產(chǎn)出熱媒水原設計為三路并聯(lián)方案，經(jīng)過優(yōu)化改為兩路并聯(lián)工況，產(chǎn)出熱水135℃，新方案供出熱水溫度上升9℃，通過提高熱水溫位，解決了介質間傳熱溫差小、關聯(lián)裝置操作彈性小的問題。另外，三臺塔頂熱媒水板換與空冷均呈并聯(lián)狀態(tài)，塔頂均保留原空冷流程，具體工藝流程見圖2。遇取熱裝置停工檢修或者各種熱媒水系統(tǒng)波動異常工況時，可重啟原空冷進行頂氣冷卻，也可將泄漏熱媒水板換單獨切出維修，裝置生產(chǎn)調整靈活性大。另外，從項目投資考慮，空冷與水冷并聯(lián)工況下施工，也可降低串聯(lián)工況下部分平臺需加高的施工費用。

圖2 抽出液塔頂冷卻流程

3.2 異丁烷裝置參數(shù)調優(yōu)

為提升傳熱效率，異丁烷裝置脫輕塔進行降壓操作試驗，調整前后工藝參數(shù)見表3。異丁烷裝置脫輕烴塔、穩(wěn)定塔塔底以熱水替代低壓蒸汽進行加熱，并保留蒸汽換熱器備用，以防熱媒水系統(tǒng)故障時可重新投用蒸汽加熱流程。熱媒水改造項目實施后，兩塔分離精度可滿足分離要求，異丁烷裝置共計降低1.0 MPa低壓蒸汽用量約25.4 t/h。

表3 脫輕烴塔降壓優(yōu)化參數(shù)調整情況

3.3 催化裝置丙烯塔提負荷

芳烴聯(lián)合裝置熱媒水系統(tǒng)新增溴化鋰吸收式制冷機組，將產(chǎn)出熱媒水熱量經(jīng)溴化鋰制冷機組產(chǎn)出冷媒水，替代催化裂化裝置穩(wěn)定塔頂冷卻器、丙烯塔頂冷卻器部分循環(huán)水。某芳烴聯(lián)合裝置配套溴化鋰制冷機組流程產(chǎn)冷媒水流程如圖3所示。

圖3 溴化鋰制冷機產(chǎn)冷媒水流程

芳烴聯(lián)合裝置配套溴化鋰制冷機組投用后，產(chǎn)出冷媒水溫度12℃，回水22℃；原循環(huán)水進水溫度30℃，回水溫度40℃。相較于循環(huán)水工況，冷媒水具備傳熱溫差更大、傳熱系數(shù)高的優(yōu)勢。夏季高溫時段，催化裂化裝置氣分單元丙烯塔在應用冷媒水流程后，冷卻效果明顯，丙烯塔兩種冷源工況下夏季時段運行參數(shù)對比見表4。

表4 循環(huán)水與冷媒水工況下丙烯塔運行參數(shù)對比

在同等氣溫的外界環(huán)境下，冷媒水流程應用后，氣分單元丙烯塔處理負荷可以提高約5 t/h，配套催化裂化裝置反應進料可以增加約25 t/h，可有效緩解催化裂化裝置夏季高溫時段滿負荷生產(chǎn)瓶頸，有利于夏季煉廠上、下游裝置物料靈活調整。

4 低溫熱利用項目能耗與效益分析

2020年某芳烴聯(lián)合裝置低溫熱利用項目投用后，各關聯(lián)裝置標定期間能耗變化平均值如表5所示，其中水汽裝置由于全廠蒸汽平衡需要，暫未投用熱媒水。按照2020年10月該公司能源價格，低壓蒸汽150元/t、電0.5元/kW·h、循環(huán)水0.4元/t、除鹽水7元/t計算，熱媒水項目全年經(jīng)濟效益約為2 920萬元。該熱媒水節(jié)能項目總投資為1.08億元，投資回收期為3.7年。按照135℃溫位產(chǎn)出熱媒水60%熱量回收率計算，該芳烴聯(lián)合裝置節(jié)約能耗約為23 kgEO/t PX。

表5 熱媒水系統(tǒng)關聯(lián)裝置能耗變化

5 結論

經(jīng)過對某煉廠內熱阱用戶、冷媒用戶及全廠布局深入分析，并考慮煉廠用地現(xiàn)狀，提出以芳烴聯(lián)合裝置低溫熱產(chǎn)熱媒水，并供給異丁烷裝置替代低壓蒸汽、熱媒水經(jīng)制冷機轉化為冷媒水供催化裂化裝置方案，實現(xiàn)低溫熱的有效利用。方案實施后，節(jié)約1.0 MPa蒸汽25.4 t/h，并且有效解決芳烴聯(lián)合裝置與催化裂化裝置夏季冷卻負荷不足問題。該低溫熱利用項目投用后，每年創(chuàng)造經(jīng)濟效益約2 920萬元。另外，該芳烴聯(lián)合裝置實施空冷與水冷并聯(lián)及高溫位熱水供出方案，可有利于提升異常工況期間供熱、取熱裝置聯(lián)合調整的靈活性。

下一步可根據(jù)芳烴聯(lián)合裝置內部尚未開發(fā)的低溫熱，繼續(xù)挖掘煉廠內部匹配溫位的熱阱用戶實現(xiàn)熱量供取平衡，也可考慮替代煉廠配套生活區(qū)冬季供暖蒸汽，進一步實現(xiàn)煉廠總體用能優(yōu)化。