節(jié)能減排新技術(shù)在煤制烯烴項(xiàng)目烯烴分離裝置中的應(yīng)用

田濤　曹博雅

在化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)體系當(dāng)中，烯烴是一種極為重要的基礎(chǔ)原材料，特別是在汽車(chē)加工、塑化生產(chǎn)等行業(yè)飛速發(fā)展的影響之下，為石油化工產(chǎn)業(yè)中的烯烴制造量和分離純度提出了更高的要求。在煤制烯烴的反應(yīng)中不僅要應(yīng)用到汽化原煤，還需要燃燒煤炭提供熱能，這也是能源消耗較多的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，必須要重視節(jié)能減排的優(yōu)化應(yīng)用。因此，本文系統(tǒng)介紹煤制烯烴項(xiàng)目中的烯烴分離技術(shù)和能源消耗計(jì)算方法，結(jié)合當(dāng)前技術(shù)應(yīng)用的不足，詳細(xì)分析如何在具體實(shí)操過(guò)程當(dāng)中落實(shí)節(jié)能減排目標(biāo)。

節(jié)能減排?煤制烯烴?烯烴分離?能源消耗

當(dāng)前基礎(chǔ)化工行業(yè)的飛速發(fā)展，促使企業(yè)在生產(chǎn)制造的技術(shù)手段方面有了極大的提升，特別是在利用煤炭進(jìn)行烯烴原料的制造分離中，能夠更好地通過(guò)裝置優(yōu)化的方式實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，為實(shí)現(xiàn)偉大的碳中和目標(biāo)邁出了重要一步。在進(jìn)行煤制烯烴的物質(zhì)分離過(guò)程當(dāng)中，我國(guó)已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了自主研究設(shè)備的投產(chǎn)和使用，特別是在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和裝置提升的發(fā)展進(jìn)程中，能夠有效地減少煤炭的熱值損失和能源的損耗，更好地優(yōu)化了生產(chǎn)技術(shù)的迭代更新和適用范圍。

煤制烯烴的反應(yīng)過(guò)程是指利用原煤的汽化過(guò)程，使其中的碳原子和通入的氫氣之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)物當(dāng)中包含了烯類(lèi)和烴類(lèi)的混合物質(zhì)，需要通過(guò)壓縮、吸收和分離的方式來(lái)提升產(chǎn)物純度，供后續(xù)的化工生產(chǎn)應(yīng)用。目前我國(guó)所運(yùn)用的烯烴分離裝置是自主研發(fā)的MTO設(shè)備，其運(yùn)行原理是將煤的汽化反應(yīng)混合物進(jìn)行壓縮、清洗和分離，特別是其中的氣相和液相的烯烴物質(zhì)能夠得到更為純凈的處理，精度達(dá)到99.5%以上。干燥處理后的烯烴混合氣體經(jīng)過(guò)冷卻干燥后可以送入脫甲烷塔，使C2和C3形成了有效分離，經(jīng)過(guò)脫乙烯塔時(shí)還需要送入氫氣對(duì)乙炔氣體進(jìn)行還原，更重的C4物質(zhì)經(jīng)過(guò)冷卻處理后會(huì)收集到對(duì)應(yīng)的汽化罐中，從而完成整個(gè)煤制烯烴過(guò)程的有效分離。

我國(guó)的煤制烯烴年產(chǎn)量可達(dá)1672萬(wàn)t，在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中，需要消耗大量的原煤和燃煤來(lái)保證連續(xù)性的化工生產(chǎn)。為更好地實(shí)現(xiàn)碳中和的遠(yuǎn)景目標(biāo)，在烯烴生產(chǎn)與分離的使用化工技術(shù)當(dāng)中必須要將節(jié)能減耗作為主要研究對(duì)象，做好能源總量的計(jì)算和優(yōu)化。在煤制烯烴和烯烴分離的技術(shù)應(yīng)用過(guò)程當(dāng)中，能源的總消耗量包括了汽化原煤、燃燒煤、電能資源和油類(lèi)物質(zhì)等應(yīng)用，是一項(xiàng)實(shí)際消耗較大且具有一定綜合性的過(guò)程。根據(jù)某國(guó)家級(jí)煤制烯烴生產(chǎn)企業(yè)實(shí)際投產(chǎn)過(guò)程來(lái)看，單位量的烯烴產(chǎn)品在綜合能耗方面的需求量極大，轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)煤，用量大約可達(dá)4000kg/t，較其他基礎(chǔ)的石油化工產(chǎn)業(yè)而言能耗偏高，必須要著重關(guān)注應(yīng)用設(shè)備、生產(chǎn)分離流程等多方面的技術(shù)優(yōu)化和提升。

由于石油化工行業(yè)的研究起步較晚，MTO技術(shù)為純自主研發(fā)，在實(shí)踐應(yīng)用和裝置設(shè)計(jì)方面存在著一定的不足，會(huì)對(duì)最終制造和分離出的烯烴物質(zhì)的純度和質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響，反應(yīng)過(guò)程當(dāng)中的能源消耗量也較大。在整個(gè)分離過(guò)程當(dāng)中需要經(jīng)歷多步驟的清洗和吸收，必須要充分考慮到混合物質(zhì)的化學(xué)特性來(lái)科學(xué)排布分離流程，并適當(dāng)增加氫氣、丙烷等來(lái)促進(jìn)反應(yīng)過(guò)程的完全性。但在水洗、堿洗的環(huán)節(jié)，由于對(duì)于混合物雜質(zhì)的吸收不充分可能會(huì)導(dǎo)致一些雜質(zhì)析出、油性物質(zhì)堵塞等問(wèn)題的出現(xiàn)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)更為純凈的烯烴分離會(huì)產(chǎn)生一些不利影響，甚至?xí)斐擅褐葡N和分離設(shè)備的停運(yùn)問(wèn)題，必須要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改造，更好地實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的節(jié)能減耗和產(chǎn)品質(zhì)量的提升。

4.1堿洗塔的優(yōu)化

在實(shí)現(xiàn)烯烴分離的過(guò)程當(dāng)中，會(huì)產(chǎn)生一定的酸性氣體，容易對(duì)分離設(shè)備內(nèi)壁產(chǎn)生損壞和腐蝕問(wèn)題，必須要使烯烴氣體經(jīng)過(guò)堿洗塔的充分吸收后才能夠更好地實(shí)現(xiàn)分離作用。在堿洗塔內(nèi)部的堿性液體吸收氣體中雜質(zhì)的過(guò)程中會(huì)大量地生成碳酸氫鈉溶液，一旦其濃度控制不到位會(huì)造成晶體的析出，對(duì)通氣管道內(nèi)壁形成堵塞，給烯烴分離處理帶來(lái)一定的負(fù)面影響。在對(duì)烯烴分離裝置進(jìn)行優(yōu)化處理的過(guò)程當(dāng)中，技術(shù)人員設(shè)計(jì)了不同濃度的堿性溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，在模擬實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，注堿量較為適中的堿洗塔在氣體的吸收反應(yīng)方面表現(xiàn)更優(yōu)，濃度過(guò)高時(shí)盡管能夠達(dá)到較好的氣體吸收效果，但更容易和氣體當(dāng)中的氧化物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成油狀生成物，對(duì)最終的排液產(chǎn)生了污染，不利于實(shí)現(xiàn)烯烴分離應(yīng)用的節(jié)能環(huán)保效用。

4.2脫丙烷的優(yōu)化

在自主研制的MTO烯烴分離裝置當(dāng)中，應(yīng)用了丙烷來(lái)代替丙烯，更好地實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程中的節(jié)能減排和成本節(jié)約。對(duì)于脫丙烷塔的裝置應(yīng)用優(yōu)化主要是針對(duì)烯烴物質(zhì)的分離和裂解的不同反應(yīng)過(guò)程，由于其反應(yīng)物、原理等方面更為相似，不需要重復(fù)建立兩個(gè)脫丙烷塔來(lái)實(shí)現(xiàn)烯烴生產(chǎn)，可以考慮將二者合一，取消塔頂?shù)睦淠鳌⑺妆玫攘慵抢昧讼N裂解過(guò)程當(dāng)中的氣縮機(jī)，將氣液混合物制通入到分離過(guò)程當(dāng)中脫丙烷塔內(nèi)，C2、C3和C4的分離和裂解都可以使用整合后的脫丙烷塔系統(tǒng)完成，有效減少了在氣液轉(zhuǎn)換過(guò)程當(dāng)中產(chǎn)生的乙烯損失。在脫丙烷塔的整合優(yōu)化處理過(guò)程當(dāng)中，技術(shù)人員需要將連接口位置的氣液管道尺寸直徑進(jìn)行擴(kuò)增，并根據(jù)實(shí)際反應(yīng)的需求對(duì)重沸器的功率和規(guī)格進(jìn)行合理調(diào)整，更好地實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)過(guò)程當(dāng)中的節(jié)能優(yōu)化，在生產(chǎn)企業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本方面也起到了極大的節(jié)約效用。

4.3回收氣相丙烯

在丙烯的分離處理時(shí)主要是以液相狀態(tài)進(jìn)入到塔內(nèi)形成脫離，但在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中仍然會(huì)存在一定的氣相丙烯出現(xiàn)逸散，不利于提升烯烴分離的實(shí)際產(chǎn)量。技術(shù)人員在對(duì)分離裝置進(jìn)行改造和優(yōu)化的過(guò)程當(dāng)中，通過(guò)涂刷吸附劑的方式使這些丙烯氣體能夠更好地聚集在吸附劑周?chē)貏e是在受熱的情況下，這些氣體會(huì)產(chǎn)生大量的殘留造成一定的生產(chǎn)損失。在優(yōu)化丙烯的分離吸收過(guò)程當(dāng)中，還可考慮在進(jìn)行氣象混合物料的排除和壓縮處理過(guò)程當(dāng)中增加回收罐，使這些吸附劑中收集到的氣相丙烯能夠更好地回收利用，有效實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減耗和增加產(chǎn)量的目的。在烯烴分離的裝置設(shè)計(jì)當(dāng)中，不同的循環(huán)流程對(duì)應(yīng)于不同的分離處理環(huán)節(jié)，技術(shù)人員在予以?xún)?yōu)化時(shí)要充分考慮到分離物質(zhì)的氣相、液相特征和反應(yīng)環(huán)境溫度控制等條件實(shí)現(xiàn)更有針對(duì)性的調(diào)整。

4.4廢水環(huán)保處理

在整個(gè)烯烴分離處理的過(guò)程當(dāng)中，需要運(yùn)用到水洗的方式對(duì)氣體進(jìn)行凈化吸收，而由于對(duì)于氣流速度控制的不當(dāng)和反應(yīng)環(huán)境溫度過(guò)高等影響，一些凈水會(huì)伴隨著氣流進(jìn)入到后續(xù)的反應(yīng)塔內(nèi)，特別是在堿洗塔的反應(yīng)環(huán)節(jié)當(dāng)中，由于吸收了這些凈水會(huì)造成堿性液體的液面上升、排除的廢水量增加的問(wèn)題，不利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性的水循環(huán)和環(huán)保處理。但若盲目減少前期的水洗環(huán)節(jié)用量，則可能會(huì)導(dǎo)致一些氧化物質(zhì)的處理不完全，以及與堿性液體反應(yīng)形成的油性物質(zhì)容易產(chǎn)生管道堵塞問(wèn)題。基于環(huán)保優(yōu)化的目的，技術(shù)人員可在水洗反應(yīng)環(huán)節(jié)的末端增除沫網(wǎng)，在水洗循環(huán)的過(guò)程當(dāng)中，可以實(shí)現(xiàn)向凈水內(nèi)進(jìn)行透平凝液補(bǔ)充的目的，有效提升了凈水的質(zhì)量和水體循環(huán)效用，對(duì)于后續(xù)的堿洗塔和其他反應(yīng)環(huán)節(jié)也不會(huì)產(chǎn)生質(zhì)量影響。

4.5蒸汽凝液回收

在烯烴分離裝置當(dāng)中，為實(shí)現(xiàn)氣相和液相的有效轉(zhuǎn)換，需要使用一定的冷凝裝置來(lái)促進(jìn)反應(yīng)完成，常規(guī)的冷凝主要是依靠蒸汽的循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)，相較于冷循環(huán)泵更加節(jié)能環(huán)保。為更好地減少分離反應(yīng)過(guò)程當(dāng)中對(duì)水資源的浪費(fèi)，技術(shù)人員將冷卻塔內(nèi)水蒸氣凝液進(jìn)行了回收再利用，將水冷卻塔內(nèi)的蒸汽利用導(dǎo)管實(shí)現(xiàn)了液化循環(huán)，增加了收集罐避免冷凝液的隨意排放，經(jīng)過(guò)充分冷卻后可注入到水冷卻塔的入口處參與冷凝反應(yīng)，也可作為二次循環(huán)的液體補(bǔ)充。在某生產(chǎn)場(chǎng)地內(nèi)利用了該項(xiàng)蒸汽凝液的回收技術(shù)，每年節(jié)約的能耗總量換算為標(biāo)準(zhǔn)煤可達(dá)1900t，更好地為實(shí)現(xiàn)碳中和發(fā)展形成助力。

4.6多余單元調(diào)整

在傳統(tǒng)的煤制烯烴和分離設(shè)備的應(yīng)用過(guò)程當(dāng)中會(huì)涉及大量的多余單元，需要進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，不僅能夠幫助生產(chǎn)企業(yè)從投產(chǎn)成本上予以合理控制，也能夠更好地節(jié)約在制備和分離過(guò)程當(dāng)中的能源消耗。首先，在甲烷分離處理的過(guò)程當(dāng)中需要使用到冷循環(huán)設(shè)備將其中的油性物質(zhì)進(jìn)行吸收處理，但從生產(chǎn)實(shí)踐來(lái)看，冷循環(huán)泵長(zhǎng)時(shí)間地持續(xù)運(yùn)行需要消耗大量的電力資源，且技術(shù)人員通過(guò)增加吸收油的循環(huán)口高差也可以達(dá)到類(lèi)似的冷處理效果，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化處理更好地實(shí)現(xiàn)了電能節(jié)約。其次，在煤制烯烴的反應(yīng)過(guò)程當(dāng)中，由于氫氣供應(yīng)不充分可能會(huì)生成乙炔氣體造成乙烯不純的現(xiàn)象，利用加氫反應(yīng)裝置可以進(jìn)一步促進(jìn)乙炔向乙烯的反應(yīng)完全度。經(jīng)過(guò)技術(shù)人員對(duì)煤制烯烴裝置的研究和升級(jí)中發(fā)現(xiàn)，在系統(tǒng)連續(xù)反應(yīng)時(shí)以缺的實(shí)際產(chǎn)量較為有限，請(qǐng)通過(guò)溫度的合理調(diào)控能夠使乙烯的純度達(dá)到生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，加氫反應(yīng)裝置的實(shí)際利用率較低且每臺(tái)設(shè)備的使用年限僅為6個(gè)月，不符合環(huán)保節(jié)能的發(fā)展目標(biāo)。最后，綠油即乙炔分子的低聚合物質(zhì)，通過(guò)在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)計(jì)溫度感應(yīng)裝置等能夠較好地滿足生產(chǎn)純度需求，增建綠油系統(tǒng)反而會(huì)擴(kuò)大裝置的空間，不利于節(jié)約生產(chǎn)成本。以規(guī)范化的MTO生產(chǎn)過(guò)程來(lái)看，通過(guò)對(duì)上述3個(gè)多余單元的優(yōu)化和調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)能耗節(jié)約達(dá)11.45GJ/h，節(jié)約生產(chǎn)投資83萬(wàn)左右。

4.7碳的捕捉利用

根據(jù)碳制烯烴的反應(yīng)原理來(lái)看，對(duì)于碳原子的利用率會(huì)直接影響最終的產(chǎn)量和分離質(zhì)量，為更好地達(dá)到節(jié)能減排的生產(chǎn)目標(biāo)，提升對(duì)于碳的捕捉和再利用也成為了技術(shù)人員工作的重點(diǎn)內(nèi)容之一。在煤制烯烴的反應(yīng)過(guò)程當(dāng)中，需要向其通入氫氣促進(jìn)碳原子和氫原子的結(jié)合反應(yīng)，但在燃燒過(guò)程當(dāng)中仍不可避免的產(chǎn)生二氧化碳等酸性氣體，傳統(tǒng)的分離反應(yīng)過(guò)程是利用了堿洗塔將二氧化碳吸收，降低了碳原子的實(shí)際利用率。通過(guò)CCS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了二氧化碳捕捉可以更好地促進(jìn)煤制烯烴反應(yīng)的充分度，并利用這些二氧化碳?xì)怏w和冷凝過(guò)程當(dāng)中的氮?dú)獾冗M(jìn)行有效置換，進(jìn)一步提升了反應(yīng)過(guò)程當(dāng)中的碳?xì)浔壤垢嗟脑耗軌虺浞洲D(zhuǎn)化為烯烴產(chǎn)品，并降低了制備和分離過(guò)程當(dāng)中產(chǎn)生的二氧化碳尾氣。

4.8加強(qiáng)塔釜溫控

由于烯烴分離裝置的反應(yīng)環(huán)節(jié)較多、設(shè)備運(yùn)行精細(xì)度要求較高，特別是在塔釜內(nèi)部的反應(yīng)溫度控制必須要精細(xì)化處理，否則會(huì)對(duì)最終的烯烴生成物質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響，還容易因?yàn)槌瑴睾统瑝涸斐煞磻?yīng)塔釜的停運(yùn)，烯烴生成物在長(zhǎng)導(dǎo)管內(nèi)進(jìn)行傳輸和分離時(shí)容易因?yàn)槭芾淠Y(jié)而造成后續(xù)分離裝置的連鎖停機(jī)問(wèn)題。技術(shù)人員在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行溫度控制時(shí)需要利用溫度傳感設(shè)備輔助觀察設(shè)備內(nèi)的實(shí)際溫度狀況，一旦出現(xiàn)有溫度范圍不適配的情況要立即通過(guò)增溫或降溫的方式進(jìn)行調(diào)控，強(qiáng)化鍋爐和冷凝裝置的實(shí)際作用，更好地促進(jìn)煤制烯烴的有效分離。

4.9氮?dú)夂績(jī)?yōu)化

在整個(gè)煤制烯烴和分離處理的過(guò)程當(dāng)中，需要使用到氮?dú)庾鳛闅怏w壓縮制冷的原材料，但其含量過(guò)高時(shí)會(huì)出現(xiàn)逸散和丙烯氣體相互混合，在壓縮機(jī)運(yùn)行的過(guò)程當(dāng)中，氣體出口處的溫度會(huì)急劇上升，對(duì)于實(shí)際的壓縮制冷效果會(huì)產(chǎn)生不利影響，還可能會(huì)引發(fā)系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備損壞，許多丙烯氣體也會(huì)伴隨著氮?dú)庀蛲馀懦鰧?dǎo)致碳元素的浪費(fèi)和損耗。技術(shù)人員可考慮在壓縮罐內(nèi)利用新氣體去置換原有的氮?dú)猓诰s塔的反應(yīng)過(guò)程內(nèi)提前進(jìn)行，避免氣體出口處的升溫問(wèn)題造成其他連鎖反應(yīng)，在氣體壓縮機(jī)運(yùn)行保持平穩(wěn)后再灌入丙烯液體從而實(shí)現(xiàn)更為完全的烯烴分離反應(yīng)。

4.10鍋爐節(jié)能改造

在煤制烯烴的反應(yīng)過(guò)程當(dāng)中需要先將煤進(jìn)行燃燒氣化反應(yīng)后再進(jìn)行生成物的分離處理，在燃燒時(shí)，一部分煤渣在壓濾和汽化的過(guò)程中會(huì)形成濕煤灰從而導(dǎo)致環(huán)境的污染，為更好地滿足節(jié)能減排的發(fā)展目標(biāo)，在對(duì)鍋爐進(jìn)行改造優(yōu)化時(shí)可以將這些濕煤灰收集后作為燃料送入鍋爐當(dāng)中，或通過(guò)循環(huán)流化的方式提升對(duì)這部分排放物的利用率。另外，鍋爐的反應(yīng)溫度和熱值利用會(huì)直接影響烯烴物質(zhì)的生成質(zhì)量，技術(shù)人員可考慮在爐膛內(nèi)壁上噴附超導(dǎo)熱涂層使煤的汽化反應(yīng)更加充分，更有利于節(jié)約循環(huán)流化爐的實(shí)際燃燒用量。在某石油化工企業(yè)的實(shí)踐改造應(yīng)用過(guò)程當(dāng)中，增加超導(dǎo)熱涂層后的熱值利用率提升了約3%，年均節(jié)約煤炭可達(dá)1t，進(jìn)一步提升了企業(yè)的實(shí)際效益。

煤制烯烴和烯烴分離技術(shù)在我國(guó)的基礎(chǔ)石油化工產(chǎn)業(yè)當(dāng)中發(fā)展較為成熟，并在進(jìn)一步升級(jí)革新的過(guò)程中落實(shí)了節(jié)能減排的目標(biāo)，有效提升了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。在球罐和堿洗塔的優(yōu)化過(guò)程當(dāng)中要注意氣壓的平衡和堿液濃度的控制，結(jié)合具體的煤制烯烴生產(chǎn)量來(lái)計(jì)算確定，嚴(yán)格控制分離技術(shù)當(dāng)中的能源消耗問(wèn)題。在烯烴分離過(guò)程當(dāng)中，產(chǎn)生的各類(lèi)廢水和蒸汽凝液可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行回收處理，使生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中鍋爐內(nèi)部的水循環(huán)量能夠?qū)崿F(xiàn)含氧量的有效控制。在鍋爐的節(jié)能改造當(dāng)中主要是利用了涂層優(yōu)化來(lái)提升煤炭熱值，強(qiáng)化了碳粉的捕捉效用。

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：田濤（1986—），男，本科，中級(jí)工程師，研究方向?yàn)槊褐葡N、MTO、烯烴分離。