原料甲醇自罐區(qū)至MTO裝置的原料緩沖罐，經(jīng)甲醇泵升壓后，依次與凈化水和凝結(jié)水換熱器后，進(jìn)入甲醇?xì)饣鳎烧羝鳛闊嵩催M(jìn)行氣化，氣化后的甲醇再次與氣相反應(yīng)產(chǎn)物換熱后進(jìn)入反應(yīng)器。見圖1。

圖1  原料氣化流程圖

液體甲醇?xì)饣鞒讨杏?組換熱器。對其進(jìn)行分析，換熱器E1201AB、E1104AB、E1102AB的對數(shù)平均溫差分別為107℃、32℃、54℃，對應(yīng)的?損費(fèi)用分別為306￥/h、35￥/h、51￥/h。可見，E1201AB的對數(shù)傳熱溫差明顯高于E1104AB和E1102AB，?損費(fèi)用也同時顯著高于E1104AB、E1102AB，可見，降低?損的措施是降低傳熱溫差。措施來自兩個方面，一方面是從熱源側(cè)入手降低入口溫度，另一方面從熱阱側(cè)入手，提高甲醇在進(jìn)入甲醇?xì)饣髦暗臏囟取Ｒ姳?。

表2 原料甲醇預(yù)熱流程?分析

2.2  反應(yīng)產(chǎn)物換熱過程

反應(yīng)產(chǎn)物(125 t/h，460℃)的換熱流程是首先與來自甲醇?xì)饣鞯臍庀嗉状紦Q熱至340℃，然后再進(jìn)入急冷、水洗塔，洗滌催化劑，脫除過熱，將反應(yīng)產(chǎn)物水冷凝后，反應(yīng)氣(40℃)進(jìn)入烯烴分離裝置。

2.2.1  熱量分析

反應(yīng)產(chǎn)物的熱量按照回收至60℃計(jì)算，可以回收的總熱量為209160 MJ/h，實(shí)際回收的余熱一部分用于與甲醇換熱，換熱量為62748 MJ/h；剩余的熱量進(jìn)入急冷塔和水洗塔，通過急冷水和水洗水作為烯烴分離塔底熱源，換熱量為134197 MJ/h，熱量回收率為94%，剩余的熱量由循環(huán)水和空冷器帶出系統(tǒng)。

2.2.2  ?分析

反應(yīng)產(chǎn)物換熱過程的?損較大，尤其是急冷、水洗塔的?損占總?損的67%。說明反應(yīng)產(chǎn)物的熱量未得到充分利用。目前反應(yīng)產(chǎn)物-甲醇換熱器采用普通的立式換熱器，熱側(cè)進(jìn)出口溫度為460~340℃，冷側(cè)進(jìn)出口溫度為100~144℃，對數(shù)平均傳熱溫差高達(dá)277℃。一般情況下，合理的傳熱溫差在20~50℃。該工藝中由于熱側(cè)物料中含有催化劑顆粒，容易結(jié)垢，造成傳熱效果下降，影響了反應(yīng)產(chǎn)物余熱的充分利用，導(dǎo)致大量余熱進(jìn)入急冷塔由循環(huán)水帶出裝置，致使?損增大。采用?分析方法對該換熱過程進(jìn)行分析，與通常的換熱溫差相比，?損帶來的效益損失高達(dá)3492萬￥/a。反應(yīng)產(chǎn)物換熱流程?見表3。

表3  反應(yīng)產(chǎn)物換熱流程?

2.3  凝結(jié)水系統(tǒng)的余熱利用情況

MTO裝置凝結(jié)水主要來自原料預(yù)熱和污水汽提兩個單元。兩路凝結(jié)水同時進(jìn)入到凝結(jié)水閃蒸罐V1205，閃蒸罐頂壓力為0.17 MPa，凝結(jié)水中的閃蒸汽變?yōu)榉ζ趴眨牌繛? t/h。罐底的凝結(jié)水繼續(xù)通過甲醇-凝結(jié)水換熱器E1102AB換熱，以及通過空冷器冷卻至93℃送出裝置，見圖2。

圖2  凝結(jié)水系統(tǒng)工藝流程圖

凝結(jié)水的余熱沒有得到回收。兩路凝結(jié)水可回收的余熱16733 MJ/h，其中：

(1)污水汽提塔凝結(jié)水：該凝結(jié)水由污水汽提塔使用1.0 MPa蒸汽產(chǎn)生，流量25 t/h，溫度176℃。如果回收余熱至100℃，可回收的余熱7949 MJ/h。實(shí)際生產(chǎn)中，該路凝結(jié)水與物料換熱，溫度從176℃降至116℃，回收的余熱僅為6275 MJ/h，余熱回收率為79%。

(2)甲醇汽化器凝結(jié)水：該凝結(jié)水由甲醇?xì)饣魇褂玫?.4 MPa蒸汽產(chǎn)生，流量70 t/h，溫度130℃。按照凝結(jié)水降溫至100℃，可回收余熱8784 MJ/h。各路凝結(jié)水的情況見表4。

表4 DMTO裝置凝結(jié)水基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表

3 優(yōu)化方案和效益分析

3.1  優(yōu)化方案

3.1.1  改造立式換熱器。

VHEX高效換熱器是一種防結(jié)垢換熱器[12]，采用了高效換熱管+螺旋折流板，具有防止固體顆粒結(jié)垢的能力，同時提高了管程和殼程的流速，顯著提高了換熱效果，因此適合用在含有催化劑顆粒的反應(yīng)產(chǎn)物的換熱流程中。將目前的立式換熱器更換為VHEX高效換熱器，可以強(qiáng)化反應(yīng)產(chǎn)物和氣相甲醇換熱，充分回收反應(yīng)產(chǎn)物余熱，降低甲醇?xì)饣羝俊Ｆ涮攸c(diǎn)是具有良好的防堵性能，可以有效減少由于反應(yīng)產(chǎn)物中催化劑的沉積導(dǎo)致的換熱效率下降的問題。改造后，立式換熱器出口氣相甲醇的溫度由144℃提高至180℃，提高了36℃。優(yōu)化后的甲醇?xì)饣鞒倘鐖D3所示(圖中虛線框內(nèi)為優(yōu)化后結(jié)果)。

圖3  甲醇?xì)饣瘍?yōu)化后的流程圖

3.1.2  回收凝結(jié)水余熱。

目前的蒸汽能量回收技術(shù)包括低溫?zé)岚l(fā)電、蒸汽引射和蒸汽壓縮三種。蒸汽壓縮機(jī)技術(shù)路線采用蒸汽壓縮機(jī)對凝結(jié)水閃蒸的乏汽進(jìn)行加壓[13]，回收凝結(jié)水的余熱，熱能轉(zhuǎn)換效率達(dá)到80%以上。上海慧得公司對該技術(shù)進(jìn)行了轉(zhuǎn)化，開發(fā)了SER蒸汽能量回收機(jī)組。采用電為動力，對凝結(jié)水余熱進(jìn)行回收和升級利用，機(jī)組產(chǎn)生0.3 MPa蒸汽6.6 t/h可用于原料氣化，回收蒸汽之后的凝結(jié)水溫度100~105℃仍然采用原有的流程與甲醇原料換熱之后送出裝置。該技術(shù)既回收了凝結(jié)水的余熱，又降低空冷器的電耗。

優(yōu)化后的流程見圖4(圖中虛線框內(nèi)為優(yōu)化后結(jié)果)。

圖4  凝結(jié)水優(yōu)化流程圖

3.2  優(yōu)化后的?分析

優(yōu)化后，再次采用?分析法對甲醇?xì)饣鞒毯头磻?yīng)產(chǎn)物的換熱流程進(jìn)行分析。

3.2.1  原料甲醇?xì)饣鞒?/strong>

采取增上SER機(jī)組的優(yōu)化措施后，E1201AB的熱側(cè)入口溫度由210℃降低至190℃，降低了20℃；E1102AB冷側(cè)出口溫度由73℃提高至80℃，提高了7℃。換熱過程的?損由優(yōu)化前的5606 MJ/h降低至優(yōu)化后的4812 MJ/h，降低了14%。?損費(fèi)用由329萬￥/a降低到283萬￥/a，降低了14%。結(jié)果見表5。

 

表5  優(yōu)化后甲醇?xì)饣鞒?分析

名 稱	甲醇?xì)饣?/span> E1201AB	甲醇-凈化水 換熱器E1104AB	甲醇-凝結(jié)水 換熱器E1102AB
流量/(t/h)	160	160	160
熱負(fù)荷/kW	6391	1743	1504
熱源入口溫度/℃	190	97	130
熱源出口溫度/℃	156	88	73
熱側(cè)平均溫度/℃	173	92	102
冷測入口溫度/℃	76	50	70
冷側(cè)出口溫度/℃	99	70	80
冷側(cè)平均溫度/℃	88	60	75
對數(shù)平均溫差/℃	85	32	50
環(huán)境溫度/℃	25	25	25
?損價格/(￥/MJ)	0.07	0.07	0.07
?損/(MJ/h)	3638	496	678
?損費(fèi)用/(￥/h)	255	35	47
?損費(fèi)用/(104￥/a)	214	29	40
?損合計(jì)/( MJ/h)	4812
?損費(fèi)用合計(jì)/(104￥/a)	283

3.2.2  反應(yīng)產(chǎn)物換熱流程

采用VHEX高效換熱器對反應(yīng)產(chǎn)物換熱器E1202AB進(jìn)行改造，提高了甲醇進(jìn)反應(yīng)器的溫度，由優(yōu)化前的144℃提高至180℃，提高36℃。反應(yīng)產(chǎn)物換熱流程的?損由優(yōu)化前的59383 MJ/h降低至優(yōu)化后的57383 MJ/h，降低了3.3%。?損費(fèi)用由3492萬￥/a降低到3373萬￥/a，降低了3.3%。結(jié)果如下表6所示。

表6  優(yōu)化后反應(yīng)產(chǎn)物氣化流程?分析

名  稱	反應(yīng)氣-甲醇立式換熱器 E1202AB	急冷、水洗塔 T201/T202
流量/(t/h)	125	125
熱負(fù)荷/kW	17360	44156
熱源入口溫度/℃	460	340
熱源出口溫度/℃	340	36
熱側(cè)平均溫度/℃	400	188
冷測入口溫度/℃	99	35
冷側(cè)出口溫度/℃	180	83
冷側(cè)平均溫度/℃	140	59
對數(shù)平均溫差/℃	260	46
環(huán)境溫度/℃	25	25
?損價格/(￥/MJ)	0.07	0.07
?損/(MJ/h)	17479	39904
?損費(fèi)用/(￥/h)	1224	2793
?損費(fèi)用/(104￥/a)	1028	2346
?損合計(jì)/(MJ/h)	57383
?損費(fèi)用合計(jì)/(104￥/a)	3374
?損占比/%	30%	70%

3.3  節(jié)能效果

(1)反應(yīng)產(chǎn)物換熱流程。采用VHEX高效換熱器對反應(yīng)產(chǎn)物換熱器E1202AB進(jìn)行改造，提高了甲醇進(jìn)反應(yīng)器的溫度，這部分熱量最終轉(zhuǎn)化為3.5 MPa蒸汽2.6 t/h，可降低蒸汽消耗4%。

(2)凝結(jié)水余熱回收。增上SER蒸汽能量回收機(jī)組可以從凝結(jié)水中回收0.3 MPa蒸汽6.6 t/h(5.5萬t/a)，降低蒸汽消耗9%。同時節(jié)約空冷器電功率101 kW，需要耗電452 kW，節(jié)能量折標(biāo)煤5227 t/a。

3.4  經(jīng)濟(jì)效益

兩項(xiàng)措施后，按照每噸3.5 MPa蒸汽200元計(jì)、0.3 MPa蒸汽按120元計(jì)算，1 kWh電按0.7元計(jì)算，總效益1362萬￥/a，當(dāng)前裝置的乙烯/丙烯產(chǎn)量為30萬t/a，平均降低乙烯/丙烯生產(chǎn)成本45元/t，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

MTO裝置的規(guī)模越來越大，目前研究的這套裝置建成時間為2014年，建設(shè)年代較早。目前國內(nèi)大型的MTO裝置已經(jīng)達(dá)到80萬t/a(以產(chǎn)品計(jì))。但各裝置的與原料氣化和反應(yīng)產(chǎn)物余熱回收的流程相似，因此該方法可以推廣應(yīng)用到其它規(guī)模的MTO裝置，同樣可以產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

甲醇制烯烴(MTO)裝置原料氣化流程和反應(yīng)產(chǎn)物換熱流程存在溫差大，蒸汽耗量大的問題，以及凝結(jié)水余熱沒有得到利用的問題。采用?分析方法對甲醇回收系統(tǒng)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)?損較大的換熱設(shè)備，確定節(jié)能方向。

使用兩項(xiàng)專利技術(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行改造，一是采用VHEX高效防垢換熱器更換反應(yīng)產(chǎn)物-甲醇?xì)鈸Q熱器，解決反應(yīng)產(chǎn)物側(cè)含有催化劑顆粒容易結(jié)垢，以及流速偏低換熱效率低的問題；二是使用SER蒸汽能量回收機(jī)組回收凝結(jié)水的余熱產(chǎn)生蒸汽，用于替代甲醇?xì)饣魇褂玫?.4 MPa蒸汽。

以一套30萬t/a的MTO裝置為例，兩項(xiàng)措施實(shí)施后可以提高反應(yīng)產(chǎn)物的?效率3.3%，可以降低甲醇?xì)饣鞒痰?損14%。回收蒸汽9.2 t/h，降低原料甲醇的氣化用汽13%，總效益1362萬￥/a。每噸烯烴的耗汽量降低0.3 t，每噸烯烴的生產(chǎn)成本降低45元。

不同規(guī)模的MTO裝置換熱流程基本相同，該技術(shù)可以推廣到各種規(guī)模的甲醇制烯烴裝置。

該文章發(fā)表于天然氣化工(C1化學(xué)與化工). 2020年02期 第61-65+112頁（作者：張高博1，魏云輝1，汪廣春1，郭忠江2，陳平平3，1.上海慧得節(jié)能科技有限公司；2.山東聯(lián)泓新材料科技股份有限公司；3.福建聯(lián)合石油化工有限公司）

張高博

上海慧得節(jié)能科技有限公司技術(shù)總監(jiān)。發(fā)表了15篇論文，20余項(xiàng)專利。近年來開發(fā)了多種系統(tǒng)優(yōu)化產(chǎn)品：化工裝置系統(tǒng)能量優(yōu)化改造、單設(shè)備（塔、換熱器、爐、泵）優(yōu)化改造、蒸汽動力系統(tǒng)優(yōu)化、SER低溫余熱產(chǎn)汽機(jī)組、VHEX高效防垢換熱器、AVOS化工裝置操作優(yōu)化軟件。目前已完成60余個優(yōu)化項(xiàng)目。

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