大型煤制乙二醇裝置蒸汽梯度利用的研究

李成科，趙 強(qiáng)，韓明珠

（陜煤集團(tuán)榆林化學(xué)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719000）

近年來，隨著環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻及“雙碳”目標(biāo)的提出，低碳化發(fā)展受到了各方的高度關(guān)注。煤炭清潔高效利用、煤制乙二醇的技術(shù)升級顯得尤為重要。陜煤集團(tuán)榆林化學(xué)有限責(zé)任公司（簡稱榆林化學(xué)）成立于2017年12月，其“煤炭分質(zhì)利用制化工新材料示范工程”是陜煤集團(tuán)“十三五”期間重點(diǎn)規(guī)劃建設(shè)的大型煤轉(zhuǎn)化項(xiàng)目，其中一期180萬t/a煤制乙二醇項(xiàng)目投資約219億元。為進(jìn)一步落實(shí)國家節(jié)能降碳的要求，榆林化學(xué)煤制乙二醇項(xiàng)目中使用了靈活的蒸汽等級變換設(shè)計(jì)，通過對蒸汽管網(wǎng)的合理設(shè)計(jì)和利用，在保證裝置正常運(yùn)行的情況下，減少了熱量損失和蒸汽消耗，降低了煤制乙二醇生產(chǎn)技術(shù)成本，進(jìn)一步達(dá)到了CO2減排的目的。

1 煤制乙二醇工藝簡介

目前，國際上根據(jù)原料不同，將乙二醇生產(chǎn)工藝分為兩大類：一類是以石油為原料的石油路線法制乙二醇，優(yōu)點(diǎn)是工藝成熟穩(wěn)定、技術(shù)門檻低，缺點(diǎn)是水耗多、成本高、能耗大，且國內(nèi)產(chǎn)能有限[1]；另一類是以煤為原料的煤制乙二醇路線，主要包括直接合成法、煤制烯烴法以及合成氣兩步法。直接合成法即合成氣一步直接合成，其缺點(diǎn)是對催化劑和反應(yīng)條件的要求極高，選擇性低，精制乙二醇難度大，未來一段時(shí)間很難實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。煤制烯烴法分為四步，即合成氣制甲醇、甲醇制乙烯、乙烯氧化制環(huán)氧乙烷、環(huán)氧乙烷水合法制乙二醇。煤制烯烴法盡管工藝成熟，但是流程太長，投資較高，用水量較大，不適合陜北地區(qū)的環(huán)境。合成氣兩步法是以煤為原料制得合成氣CO和H2，經(jīng)過羰化、加氫兩步反應(yīng)制得乙二醇[2]，目前在我國已經(jīng)完成大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用，榆林化學(xué)乙二醇裝置采用的就是高化學(xué)的兩步法技術(shù)，其反應(yīng)方程式見式（1）～（3）：

亞硝酸甲酯（MN）合成：

草酸二甲酯加氫制乙二醇：

總反應(yīng)式見式（4）：

2 蒸汽等級的變換應(yīng)用

蒸汽系統(tǒng)是煤制乙二醇裝置正常運(yùn)行的關(guān)鍵系統(tǒng)，正常工況下有效控制蒸汽系統(tǒng)是保障企業(yè)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，異常工況下有效控制蒸汽系統(tǒng)可將企業(yè)的損失降到最低。在煤制乙二醇裝置中，蒸汽等級分為5個(gè)級別，不同級別蒸汽各自消耗量如表1所示。為了保證蒸汽系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)達(dá)到操作便捷且節(jié)能降耗的目的，榆林化學(xué)對蒸汽系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)升級，在正常工況及異常工況下有效控制蒸汽系統(tǒng)，各等級蒸汽管線之間加設(shè)相應(yīng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)蒸汽等級變換。

表1 各等級蒸汽消耗量

2.1 11.5 MPa高壓過熱蒸汽的變換

11.5 MPa高壓過熱蒸汽主要用于DMO合成工段9套CO壓縮機(jī)組的正常運(yùn)行。界外的高壓過熱蒸汽送至界區(qū)后分為三組進(jìn)入CO壓縮機(jī)組廠房，每組再分三路分別進(jìn)入9套CO壓縮機(jī)組。整個(gè)裝置界區(qū)設(shè)有放空消音器，在每套CO壓縮機(jī)組內(nèi)設(shè)置管線，將第二道蒸汽手閥前和速關(guān)閥前蒸汽通至同一消音器放空。每套CO壓縮機(jī)組用氣量約42 t/h，9套機(jī)組用氣量約378 t/h。CO壓縮機(jī)組為抽汽凝汽式，機(jī)組功率6 780 kW，在正常運(yùn)行期間，高壓段做功完成的大量蒸汽經(jīng)中間級抽出蒸汽管道進(jìn)入減溫減壓裝置，調(diào)至合適溫度壓力后，并入1.7 MPa低壓過熱蒸汽管網(wǎng)。低壓段做功完成的乏汽進(jìn)入空冷島冷凝至熱阱并送至凝液管網(wǎng)，不凝汽再經(jīng)射汽抽氣器抽出。抽汽凝汽式CO壓縮機(jī)組的使用不僅使排氣端溫度壓力降低，提高了機(jī)組效率，而且中間級抽出蒸汽管道的使用，在保證汽輪機(jī)功率不變的情況下，使過剩的高壓蒸汽進(jìn)入低壓過熱蒸汽管網(wǎng)，減少了低壓過熱蒸汽的消耗量。

2.2 4.0 MPa中壓過熱蒸汽的變換

4.0 MPa中壓過熱蒸汽主要用于乙二醇（EG）合成工段3套H2壓縮機(jī)組和1套丙烯冰機(jī)的正常運(yùn)行。界外的中壓過熱蒸汽送至界區(qū)后分三組進(jìn)入H2壓縮機(jī)組廠房，中間一組再分一路進(jìn)入丙烯冰機(jī)機(jī)組。整個(gè)裝置界區(qū)總管處分出一路經(jīng)減溫減壓裝置后連接5.5 MPa鍋爐給水管線，再并入3.5 MPa中壓飽和蒸汽管網(wǎng)。這樣的設(shè)計(jì)既可以將進(jìn)入界區(qū)內(nèi)的4.0 MPa中壓過熱蒸汽在過剩的情況下送至3.5 MPa中壓飽和蒸汽管網(wǎng)，又可以使3.5 MPa中壓飽和蒸汽量不足時(shí)通過4.0 MPa中壓過熱蒸汽減溫減壓后得到補(bǔ)充。在每套CO壓縮機(jī)組內(nèi)設(shè)置管線，將第二道蒸汽手閥前和速關(guān)閥前蒸汽通至同一消音器放空。每套H2壓縮機(jī)組用氣量約17 t/h，3套機(jī)組用氣量約51 t/h，1套丙烯冰機(jī)機(jī)組用氣量約20 t/h，整個(gè)4.0 MPa中壓過熱蒸汽用氣量約71 t/h。H2壓縮機(jī)組與EG合成系統(tǒng)采用“兩并兩串”工藝方案，壓縮機(jī)、機(jī)泵、設(shè)備、儀表、閥門和管道數(shù)量大大減少，裝置占地面積同步減少，蒸汽浪費(fèi)量也相應(yīng)減少，蒸汽利用率高。

2.3 3.5 MPa中壓飽和蒸汽的變換

3.5 MPa中壓飽和蒸汽主要用于EG合成工段6套裝置的循環(huán)氣加熱。界外的中壓飽和蒸汽送至界區(qū)后分別進(jìn)入6套EG合成裝置。整個(gè)裝置界區(qū)設(shè)有放空消音器和安全閥，總管處分出一路經(jīng)調(diào)節(jié)閥后并入1.7 MPa低壓飽和蒸汽管網(wǎng)。在每套EG裝置內(nèi)，3.5 MPa中壓飽和蒸汽在與循環(huán)氣換熱后送至冷凝液回收裝置，經(jīng)蒸汽凝液閃蒸罐Ⅰ閃蒸出的蒸汽并入1.7 MPa低壓飽和蒸汽管網(wǎng)，閃蒸罐內(nèi)的液相進(jìn)入蒸汽凝液閃蒸罐Ⅱ繼續(xù)閃蒸。這樣的設(shè)計(jì)既可以將進(jìn)入界區(qū)的3.5 MPa中壓飽和蒸汽在過剩的情況下送至1.7 MPa低壓飽和蒸汽管網(wǎng)，又可以使1.7 MPa低壓飽和蒸汽量不足時(shí)通過3.5 MPa中壓飽和蒸汽調(diào)節(jié)或閃蒸后得到補(bǔ)充。每套EG合成裝置用氣量約36 t/h，6套裝置用氣量約216 t/h。

2.4 1.7 MPa蒸汽的變換

1.7 MPa低壓過熱蒸汽主要用于全廠壓縮機(jī)組的軸封及射汽抽氣器。界外的低壓過熱蒸汽送至界區(qū)后分別進(jìn)入13套機(jī)組。大部分蒸汽分三路進(jìn)入三個(gè)連接5.5 MPa鍋爐給水的減溫減壓裝置后，匯為一路成為1.7 MPa低壓飽和蒸汽，整個(gè)裝置界區(qū)總管設(shè)有放空消音器和安全閥。1.7 MPa低壓飽和蒸汽經(jīng)管廊進(jìn)入DMO精餾、碳酸二甲酸（DMC）回收和EG精餾裝置內(nèi)各精餾塔的再沸器，主要用于各精餾塔塔釜物料加熱。其在DMO精餾工段的用氣量約267 t/h，在DMC回收工段的用氣量約31 t/h，在EG精餾工段的用氣量約605 t/h，共計(jì)903 t/h。另一路1.7 MPa低壓飽和蒸汽與蒸汽凝液閃蒸罐Ⅰ的凝液一起進(jìn)入蒸汽凝液閃蒸罐Ⅱ，閃蒸出的蒸汽并入0.5 MPa低壓飽和蒸汽管網(wǎng)，罐內(nèi)凝液送至脫鹽水預(yù)熱器做除氧處理。

2.5 0.5 MPa低壓飽和蒸汽的變換

0.5 MPa低壓飽和蒸汽主要用于全廠裝置和管線的伴熱及低溫低壓段循環(huán)氣、脫鹽水的預(yù)熱升溫。界外的0.5 MPa低壓飽和蒸汽送至界區(qū)后分別進(jìn)入相應(yīng)的裝置和管線，其中對所有管線起伴熱作用的0.5 MPa低壓飽和蒸汽管線集中設(shè)置伴熱站和凝液站，部分0.5 MPa低壓飽和蒸汽來源于蒸汽凝液閃蒸罐Ⅱ閃蒸出的蒸汽。整個(gè)裝置0.5 MPa低壓飽和蒸汽的用量為284 t/h。0.5 MPa低壓飽和蒸汽在換熱之后生成的凝液集中收集并入凝液管網(wǎng)。

3 副產(chǎn)蒸汽的綜合利用

3.1 乙二醇裝置副產(chǎn)蒸汽來源

乙二醇裝置副產(chǎn)蒸汽主要來源于3個(gè)地方，分別為DMO反應(yīng)器汽包副產(chǎn)蒸汽、EG精餾廢鍋副產(chǎn)蒸汽、廢氣廢液焚燒副產(chǎn)蒸汽。在DMO合成工段，攜帶了DMO合成反應(yīng)釋放熱量后的熱水進(jìn)入汽包的低壓環(huán)境成為副產(chǎn)蒸汽，其中一部分用于DMO合成反應(yīng)器汽包蒸汽預(yù)熱器的加熱，將循環(huán)氣初步預(yù)熱至90℃，另一部分送至新型硝酸還原裝置作為伴熱熱源；9套裝置共計(jì)回收副產(chǎn)蒸汽量60.561 t/h。在EG精餾工段，考慮到各精餾塔之間的壓力和溫度差異，將塔頂冷卻和塔釜加熱相互合理匹配，脫醇塔和乙二醇產(chǎn)品塔塔頂廢鍋副產(chǎn)低壓蒸汽作為甲醇回收塔中間再沸器加熱熱源，降低乙二醇精餾系統(tǒng)蒸汽和循環(huán)水消耗；0.5 MPa低壓蒸汽年耗量降低約220萬t，循環(huán)水年耗量降低約1.1×108m3。廢氣廢液焚燒裝置收集的各工段的廢氣廢液均含有大量的甲醇、乙醇、DMC、DMO等有機(jī)物，以及燃燒后可釋放熱量的CO、H2等無機(jī)物，設(shè)置余熱鍋爐將廢氣廢液充分燃燒后產(chǎn)生的熱量回收，副產(chǎn)的蒸汽經(jīng)減溫減壓裝置后并入3.5 MPa中壓飽和蒸汽管網(wǎng)，其蒸汽量約為120 t/h。

除上述蒸汽來源，還可借鑒壽陽化工乙二醇項(xiàng)目CO壓縮機(jī)汽輪機(jī)組汽封漏氣全部回收至氣化除氧站作為蒸汽來源的經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行技改，這樣既減少了蒸汽排放量，又消除了冬季管廊結(jié)冰帶來的安全隱患[3]。

3.2 副產(chǎn)蒸汽發(fā)電

低溫余熱ORC發(fā)電技術(shù)可實(shí)現(xiàn)低品位熱能向高品質(zhì)電能的轉(zhuǎn)換，其技術(shù)核心是采用低沸點(diǎn)有機(jī)工質(zhì)進(jìn)行閉式熱力循環(huán)，利用冷源與熱源的溫差驅(qū)動(dòng)做功。中鹽安徽紅四方股份有限公司30萬t/a煤制乙二醇裝置的低溫余熱ORC發(fā)電裝置已基本建成，低壓蒸汽流量50 t/h，溫度108℃，可實(shí)現(xiàn)年凈發(fā)電量2 212.8萬kWh，年直接發(fā)電效益1 327.7萬元，年減排CO217 411 t[4]。榆林化學(xué)DMO合成汽包副產(chǎn)蒸汽（除用于裝置回收利用）用于ORC發(fā)電，可實(shí)現(xiàn)年凈發(fā)電量約14 472 kWh。

3.3 副產(chǎn)蒸汽采暖或伴熱

在后續(xù)工藝改進(jìn)中，榆林化學(xué)還可將上述副產(chǎn)蒸汽及各等級蒸汽凝液接引至廠區(qū)換熱站，作為高溫?zé)嵩醇訜岵膳h(huán)水，在冬季可降低蒸汽消耗，節(jié)約項(xiàng)目成本。也可將該股蒸汽及凝液作為DMO裝置中輸送DMO管道及動(dòng)設(shè)備的伴熱熱源，例如粗DMO泵、粗DMO管線和DMO儲(chǔ)罐的伴熱，從而降低蒸汽消耗量，進(jìn)一步提高能源利用率。

4 結(jié) 語

榆林化學(xué)建設(shè)的180萬t/a煤制乙二醇裝置，采用靈活的蒸汽等級變換設(shè)計(jì)初步實(shí)現(xiàn)了蒸汽的梯度利用。建議后續(xù)工藝改進(jìn)中，將裝置內(nèi)副產(chǎn)的低壓蒸汽用于發(fā)電、采暖或伴熱等，在生產(chǎn)規(guī)模加大的前提下，可減少熱量損失和蒸汽消耗，降低煤制乙二醇生產(chǎn)成本，進(jìn)一步達(dá)到CO2減排的目的。