國產化芳烴聯合裝置能耗優化分析

秦文戈，李明發

(1.中國石油化工股份有限公司工程部，北京 100728；2.中國石化海南煉油化工有限公司)

芳烴聯合裝置是以石腦油為原料，以生產苯、甲苯、對二甲苯(PX)為目的產品的系列裝置的總稱，一般包括石腦油預加氫、催化重整、芳烴抽提、歧化及烷基轉移、吸附分離、異構化、二甲苯分餾等單元[1]。中國石油化工股份有限公司(簡稱中國石化)首套國產化600 kt/a芳烴聯合裝置于2013年12月建成投產，主要包括芳烴抽提、歧化及烷基轉移、吸附分離、異構化、二甲苯分餾等單元及配套的公用工程系統。該裝置以C6+重整生成油和部分外購混合二甲苯為原料，主要產品為對二甲苯、鄰二甲苯和苯，同時副產高辛烷值汽油調合組分和抽余油。中國石化第二套國產化芳烴聯合裝置的規模為1 000 kt/a，于2019年9月建成投產，主要包括二甲苯分餾、吸附分離、異構化3個單元及與之配套的公用工程系統。該裝置以外購混合二甲苯為原料，主要產品為對二甲苯和鄰二甲苯。這兩套國產化芳烴聯合裝置自開車成功以來運行平穩，能耗及工藝技術指標在整個芳烴行業處于領先地位。

然而近年來，國內多個大型PX裝置陸續建成投產，對國內PX市場產生了巨大影響，芳烴裝置的盈利能力大幅下降，甚至虧損。能耗成本是芳烴加工成本的重要組成，降低能耗有利于提高裝置經濟性和產品競爭力。芳烴聯合裝置中的吸附分離、異構化、二甲苯分餾3個單元是芳烴聯合裝置的能耗大戶，其能耗占芳烴聯合裝置總能耗的80%以上[2]，因此降低這3個單元的能耗是提高芳烴聯合裝置經濟性和產品競爭力的重要途徑。一般將吸附分離、異構化、二甲苯分餾3個單元合稱為二甲苯裝置。本研究通過對上述600 kt/a芳烴聯合裝置的1號二甲苯裝置(簡稱1號裝置)和1 000 kt/a芳烴聯合裝置的2號二甲苯裝置(簡稱2號裝置)在能耗、原料、換熱流程、低溫余熱利用效率及催化劑、吸附劑使用量等方面進行詳細對比，分析總結降低二甲苯裝置能耗的措施及優化方向。

1 二甲苯裝置概況

1.1 二甲苯裝置能耗

二甲苯裝置是高能耗裝置，其用能的重要特點是分離系統與換熱網絡高度耦合。二甲苯加熱爐是二甲苯裝置的主要熱源，可為二甲苯塔和其他精餾塔再沸器供熱[3]，是全裝置的供熱中心，因而二甲苯加熱爐的燃料消耗在裝置能耗中占比很大。

表1對比了1號裝置和2號裝置中二甲苯加熱爐燃燒器噴火嘴和氧含量檢測器的數量。從表1可知：2號裝置中加熱爐每個燃燒器有8股火焰比1號裝置加熱爐(3股火焰)的燃燒更穩定；而且其設置的氧含量監測點有10個，比1號裝置加熱爐氧含量監測點(1個)測得的數據更具有代表性，因而可以根據氧含量監測值及時精準調整加熱爐送風量，從而提高二甲苯加熱爐熱效率，減少燃料消耗量，降低裝置能耗[4]。

表1 二甲苯加熱爐燃燒器、氧含量檢測儀配置

電耗也是裝置能耗的重要組成部分，國產化芳烴裝置首創利用低溫余熱發電技術，大幅降低了裝置能耗，實現低溫余熱發電量大于全裝置耗電量，裝置運行實現“由外供電到向外送電”的歷史性突破，大幅降低裝置能耗；規模化效益顯著，增大裝置規模可以有效降低裝置產品能耗。表2為1號裝置和2號裝置在80%負荷時能耗情況，表3為1號裝置和2號裝置在80%負荷時PX產量和綜合能耗，1號裝置產品能耗為247.09 kgEO/t(1 kgEO=41.8 MJ)，2號裝置產品能耗為177.2 kgEO/t，可以看出2號裝置的能耗大幅低于1號裝置。

表2 1號裝置和2號裝置的能耗統計結果(80%負荷)

表3 1號裝置和2號裝置的PX產量和產品能耗(80%負荷)

1.2 不同二甲苯裝置的加工原料

二甲苯裝置的原料通常為催化重整裝置的產物重整生成油以及外購的混合二甲苯。不同原料的芳烴含量不同，因而加工工藝流程稍有區別，對裝置產品收率和能耗會有明顯影響[5]。2019年11月28—30日兩套二甲苯裝置在80%負荷時的原料組成情況如表4所示。由表4可知：1號裝置加工原料為質量分數50.70%的C8+重整生成油、質量分數42.96%的歧化C8+芳烴、以及質量分數6.34%的外購混合C8芳烴，經計算可得原料中PX、C8芳烴、C9+芳烴的質量分數分別為12.18%，58.87%，40.74%；2號裝置原料全部為外購C8芳烴，原料中PX、C8芳烴、C9+芳烴的質量分數分別為18.55%，99.15%，0.72%。可見，2號裝置的原料中PX含量較高，C9+芳烴含量很低，因而大幅降低了二甲苯分餾單元的物料循環量，相應降低了二甲苯塔的產物分離難度，有利于降低芳烴聯合裝置的綜合能耗。

表4 兩套二甲苯裝置的加工原料數據

2 二甲苯裝置工藝流程優化

芳烴聯合裝置工藝流程長、操作復雜，各加工單元間工藝流程高度關聯，通過熱集成技術和流程優化實現節能降耗[6]。在二甲苯裝置的熱聯合流程中，2號裝置的熱聯合程度比1號裝置更加緊密和優化。兩者的主要區別有3個方面：①基于低溫利于吸附、高溫利于脫附的原理，優化了吸附分離單元裝置進料溫度，2號裝置的吸附進料溫度比1號裝置低了15 ℃；對2號裝置吸附進料的換熱流程進行了進一步優化(見圖1)，優化后2號裝置的熱量直接利用率提高，能效也得到提升。②1號裝置異構化汽提塔的熱源為1.0 MPa蒸汽，重整油分餾塔再沸器部分的熱源為3.5 MPa蒸汽；2號裝置中所有精餾塔均未采用蒸汽加熱，異構化汽提塔的熱源改為異構化進料。③1號裝置的異構化壓縮機由外來3.5 MPa蒸汽驅動，2號裝置的異構化壓縮機則由回收裝置余熱自產的低壓蒸汽驅動，省去了對外供3.5 MPa蒸汽的消耗。上述流程優化使裝置能耗進一步降低約29 kgEO/t。

3 低溫熱利用

芳烴聯合裝置的工藝特性決定了整個裝置物料循環量大、設備大型化，特別是塔器大型化，各精餾塔的冷/熱負荷均較高。對于常壓塔來說，由于操作壓力低、溫位低，導致塔頂低溫余熱回收困難[7-8]。為滿足工藝生產對物料溫度的要求，傳統芳烴生產工藝中往往采用空氣冷卻或循環水冷卻等方式將這些低溫熱排散，致使大量低溫余熱沒有得到有效利用。鑒于此，國產化芳烴成套技術利用低溫熱發生蒸汽或通過熱媒水的方式進行回收利用，不但節省了冷卻空氣和循環水的用量，而且可將回收的低溫熱用于自產電能，顯著降低了裝置能耗。

3.1 低溫熱發生蒸汽

二甲苯塔是二甲苯裝置的物料集合分離中心和熱量集成中心。將二甲苯塔塔頂和塔底分別與抽余液塔、抽出液塔等進行熱集成，一方面可以充分回收塔頂冷凝熱，另一方面通過集中供熱可以提高熱利用效率。中國石化自主芳烴成套技術在芳烴聯合裝置設計[9]時首創對二甲苯塔提壓提溫，協同提高抽余液塔和抽出液塔的塔頂操作壓力和物料的溫位，利用抽余液塔和抽出液塔塔頂余熱發生低壓蒸汽。

表5為在80%負荷下1號裝置和2號裝置的二甲苯塔、抽余液塔、抽出液塔以及蒸汽系統連續3天操作參數平均值。由表5可知：在2號裝置的二甲苯塔塔頂壓力比1號裝置降低0.17 MPa的情況下，其抽余液塔和抽出液塔仍可以滿足回收塔塔頂低溫余熱自產0.45 MPa蒸汽的要求；同時采用更低的操作壓力可以降低二甲苯塔物系的分離難度，可有效降低精餾塔回流比，節省操作費用。2號裝置回收熱發生的低壓蒸汽經二甲苯加熱爐對流段過熱后優先用于異構化循環氫壓縮機驅動，其余部分送入蒸汽發電機組發電，蒸汽利用效率更高，有利于降低裝置能耗。

表5 兩套二甲苯裝置主要運行參數對比

3.2 低溫熱產熱水

對于不能發生蒸汽的低溫位余熱，可采用產生熱水發電的方式回收低溫熱。表6為兩套二甲苯裝置低溫熱回收產生熱水發電相關運行數據。由表6可知：1號裝置回收低溫熱產生的熱水量為433.76 t/h，有機朗肯循環(ORC)熱水發電機組用量為202.00 t/h，熱水利用率為46.6%，發電量為723.8 kW·h，其余熱水經水冷器冷卻后循環回系統；2號裝置回收低溫熱產生的熱水量為 568.57 t/h，ORC熱水發電機組用量568.57 t/h，熱水利用率為100%，發電量為1 817.5 kW·h。此外，若優化調整操作參數將2號裝置的ORC機組進水溫度提高至123 ℃，則發電量將明顯增加，裝置能耗還將進一步降低。

表6 兩套二甲苯裝置熱水發電運行數據

4 催化劑與吸附劑性能對裝置的影響

兩套二甲苯裝置的異構化單元和吸附分離單元均選用了中國石化石油化工科學研究院開發的催化劑和吸附劑。其中，1號裝置選用的是RIC-200乙苯轉化型異構化催化劑和RAX-3000型PX吸附劑。2號裝置選用的是新一代RIC-270型異構化催化劑和RAX-4000型PX吸附劑。其性能對比見表7。

從表7可知，選用新一代催化劑和吸附劑后，2號裝置異構化單元的異構化率和乙苯轉化率均明顯提高，異構化產物中乙苯和碳八非芳烴(C8NA)含量降低，有效增產了PX。由表4加工原料情況可知，1號裝置的新鮮C8芳烴原料中的乙苯含量為5.457%，而2號裝置則為15.993%，2號裝置的新鮮C8芳烴原料中的乙苯含量遠高于1號裝置。可見，2號裝置使用的RIC-270型乙苯高效轉化催化劑更適應于高乙苯含量原料，可有效降低乙苯、C8非芳烴的含量，對減少物料循環量、提高產物中的PX含量是有利的。吸附分離單元在單位吸附劑吸附能力大幅增強的情況下解吸劑相對循環量基本不變。由此提高了裝置整體運行效率，有利于降低裝置能耗。

表7 兩套二甲苯裝置異構化催化劑與PX吸附劑性能對比

5 結 論

通過對比兩套國產化芳烴聯合裝置中吸附分離、異構化、二甲苯分餾3個單元(合稱二甲苯裝置)的能耗、原料、工藝流程和低溫熱利用，發現增強裝置熱聯合利用水平，通過物料間直接換熱可提升熱利用效率；裝置低溫余熱回收后可發生蒸汽或產生熱媒水，用于優先壓縮機動力驅動介質，其余用于自產發電，可盡可能減少或避免使用外供蒸汽，降低裝置能耗；采用高效燃燒器提高加熱爐熱效率；使用新一代高性能催化劑和吸附劑等措施，均可有效降低二甲苯裝置綜合能耗，增加裝置效益。