汪 英 枝

(中國(guó)昆侖工程公司，北京 100037)

精對(duì)苯二甲酸裝置能耗計(jì)算及分析

汪 英 枝

(中國(guó)昆侖工程公司，北京 100037)

根據(jù)GB31533—2015《精對(duì)苯二甲酸單位產(chǎn)品能源消耗限額》的規(guī)定，確定了精對(duì)苯二甲酸(PTA)裝置界區(qū)的劃分及用能分布，比較了不同規(guī)模PTA裝置的能耗及技術(shù)先進(jìn)性，同時(shí)指出，項(xiàng)目的能耗分析還應(yīng)對(duì)比同行業(yè)或同類(lèi)技術(shù)的能耗。以1 000 kt/a PTA裝置“四合一”工藝空壓機(jī)組為例，進(jìn)行能耗和做功能力計(jì)算及分析，空壓機(jī)組對(duì)裝置外輸出電量約為8 220 kW，折合單位產(chǎn)品節(jié)能65.8 kW，節(jié)能效果顯著；單位產(chǎn)品能耗計(jì)算同時(shí)還應(yīng)考慮物料消耗。

精對(duì)苯二甲酸 裝置能耗 折標(biāo)系數(shù) 能量平衡 當(dāng)量值 等價(jià)值

近年來(lái)，國(guó)家有關(guān)部門(mén)通過(guò)制定新的能耗限額標(biāo)準(zhǔn)，倒逼產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。以精對(duì)苯二甲酸(PTA)產(chǎn)業(yè)鏈為例，2015年5月15日國(guó)家發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)GB31533—2015《精對(duì)苯二甲酸單位產(chǎn)品能源消耗限額》和GB31534—2015《對(duì)二甲苯單位產(chǎn)品能源消耗限額》，并于2016年6月1日實(shí)施；《聚酯滌綸單位產(chǎn)品能源消耗限額》標(biāo)準(zhǔn)也已上報(bào)送審稿。新標(biāo)準(zhǔn)(GB31533—2015)要求現(xiàn)有企業(yè)PTA單位產(chǎn)品能耗限定值為不大于5 852 MJ，新建或改擴(kuò)建裝置準(zhǔn)入值為不大于2 779.7 MJ，先進(jìn)值為2 340.8 MJ。

多年來(lái)，在PTA產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)劃項(xiàng)目的環(huán)境影響報(bào)告、項(xiàng)目申請(qǐng)報(bào)告、節(jié)能評(píng)估報(bào)告的評(píng)估過(guò)程中，有關(guān)方面對(duì)裝置的能耗及技術(shù)先進(jìn)性的評(píng)價(jià)往往存在分歧。作者以PTA項(xiàng)目節(jié)能評(píng)估報(bào)告編制和評(píng)審中的難點(diǎn)，PTA裝置最大能耗單元工藝空壓機(jī)組的能耗及做功能力計(jì)算為例，解讀對(duì)標(biāo)準(zhǔn)GB31533—2015的理解和使用，指出計(jì)算時(shí)的注意事項(xiàng)，并以此為借鑒，用于石化行業(yè)其他裝置或其他行業(yè)的能耗計(jì)算和對(duì)比。

1 PTA工程用能分布及能耗情況

1.1 PTA裝置組成及用能分布

PTA工程包括生產(chǎn)系統(tǒng)(PTA裝置)、輔助生產(chǎn)系統(tǒng)(公用工程及公用設(shè)施)，以及附屬生產(chǎn)系統(tǒng)。生產(chǎn)系統(tǒng)由氧化工段和精制工段組成。氧化工段包括空氣壓縮、氧化反應(yīng)、對(duì)苯二甲酸(TA)結(jié)晶、TA固體分離、TA干燥及中間貯存、廢氣處理和溶劑回收等單元。精制工段包括漿料調(diào)配、PTA加氫精制和結(jié)晶、固體分離、PTA干燥和產(chǎn)品風(fēng)送及貯存等單元。輔助生產(chǎn)系統(tǒng)包括熱電聯(lián)產(chǎn)裝置(鍋爐房)、綜合給水站、循環(huán)水站、海水泵站(如果有)、空壓站和污水處理站等。附屬生產(chǎn)系統(tǒng)包括中央控制室、中心化驗(yàn)室、原料罐區(qū)、成品庫(kù)、輔料倉(cāng)庫(kù)、制氫裝置等。PTA工程各裝置能量關(guān)聯(lián)見(jiàn)圖1。

圖1 PTA工藝各裝置能量關(guān)聯(lián)示意Fig.1 Energy connection diagram of PTA project1—綜合給水站；2—熱電聯(lián)產(chǎn)裝置；3—附屬裝置及配套公用工程；4—PTA生產(chǎn)裝置；5—污水處理廠

1.2 不同規(guī)模PTA裝置能耗

由表1可知，隨著PTA裝置規(guī)模擴(kuò)大，技術(shù)優(yōu)化，PTA裝置能耗顯著下降，百萬(wàn)噸級(jí)以上PTA裝置單位產(chǎn)品能耗在2 926 MJ以下。

表1 不同規(guī)模PTA裝置能耗

注：能耗計(jì)算中，因電力折算取當(dāng)量值或等價(jià)值，計(jì)算范圍按照裝置或全廠，其結(jié)果會(huì)有所差異。

2 綜合能耗計(jì)算折標(biāo)系數(shù)分析

2.1 不同標(biāo)準(zhǔn)的折標(biāo)系數(shù)

近年來(lái)，國(guó)家有關(guān)部門(mén)對(duì)擬建PTA工程《項(xiàng)目申報(bào)報(bào)告》和《節(jié)能評(píng)估報(bào)告》的評(píng)審?fù)ǔＲ蠓謩e按GB/T 50441—2007《石油化工設(shè)計(jì)能耗計(jì)算》和GB/T 2589—2008《綜合能耗計(jì)算通則》的折標(biāo)系數(shù)計(jì)算裝置及全廠的單位產(chǎn)品綜合能耗。比較PTA技術(shù)的先進(jìn)性時(shí)，通常采用裝置的綜合能耗；比較萬(wàn)元工業(yè)總產(chǎn)值或萬(wàn)元工業(yè)增加值的能耗等宏觀經(jīng)濟(jì)指標(biāo)時(shí)，則采用全廠的綜合能耗。在以往工作中，石化行業(yè)大多采用GB/T 50441—2007的折標(biāo)系數(shù)，其他行業(yè)多采用GB/T 2589—2008的折標(biāo)系數(shù)。前者數(shù)據(jù)較全，往往作為后者折標(biāo)系數(shù)的補(bǔ)充。

需特別指出的是，GB/T 2589—2008中，電力折算當(dāng)量值為3.60 MJ(折合2.52 MJ/kW·h)，電力折算等價(jià)值要求按當(dāng)年火力發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗計(jì)算。GB/T 50441—2007中電力折算值為7.6 MJ/kW·h，該折算值實(shí)為2005年的等價(jià)值，約為當(dāng)量值的3倍。兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的差別對(duì)綜合能耗的計(jì)算結(jié)果影響較大。電力折算等價(jià)值每年有所不同，根據(jù)國(guó)家電力部門(mén)公告，2011—2015年電力折算等價(jià)值分別為9.66，9.54，9.39，9.35,9.25 MJ/kW·h。但是，近年在制定對(duì)二甲苯(PX)、PTA及乙二醇(EG)等單位產(chǎn)品能源消耗限額國(guó)標(biāo)時(shí)，國(guó)家發(fā)改委有關(guān)部門(mén)要求電力折算系數(shù)統(tǒng)一用當(dāng)量值。隨著節(jié)能減排工作的深入，PTA裝置污水處理排放標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，污水處理能耗也顯著增大。GB/T 50441—2007規(guī)定，處理每噸污水的能耗折算值為32.19 MJ。

2.2 GB 31533—2015的正確理解和使用

GB 31533—2015限定了現(xiàn)有PTA生產(chǎn)企業(yè)單位產(chǎn)品能耗不大于5 852 MJ，新建或改擴(kuò)建企業(yè)單位產(chǎn)品能耗不大于2 779.7 MJ，企業(yè)單位產(chǎn)品能耗先進(jìn)值不大于2 340.8 MJ，企業(yè)“PTA單位產(chǎn)品綜合能耗”應(yīng)為全廠能耗[2]；標(biāo)準(zhǔn)中5.1條統(tǒng)計(jì)范圍包括生產(chǎn)系統(tǒng)、輔助生產(chǎn)系統(tǒng)、附屬生產(chǎn)系統(tǒng)，即圖1中主生產(chǎn)裝置、輔助生產(chǎn)裝置、公用工程及公用設(shè)施[2]。

近幾年來(lái)，在PTA裝置項(xiàng)目評(píng)審、能耗對(duì)比、技術(shù)先進(jìn)性比較過(guò)程中，時(shí)常出現(xiàn)PTA專(zhuān)利商或企業(yè)能耗低報(bào)情況，主要原因有：(1)能耗計(jì)算時(shí)折標(biāo)系數(shù)取值不統(tǒng)一，將GB/T 50441—2007中等價(jià)值和GB/T 2589—2008中的當(dāng)量值混在一起，計(jì)算錯(cuò)誤；(2)能耗計(jì)算“界區(qū)”范圍縮小；(3)主要設(shè)備配置不同，如工藝空氣壓縮機(jī)組，采用“四合一”機(jī)組或“三合一”機(jī)組。界區(qū)如果劃分為主生產(chǎn)裝置，“四合一”機(jī)組的裝置就比“三合一”機(jī)組的裝置綜合能耗低。

3 PTA裝置典型用能設(shè)備能耗計(jì)算

項(xiàng)目節(jié)能評(píng)估包括工藝流程及技術(shù)方案、主要用能工藝及工序和主要耗能設(shè)備等[3]。這里以PTA裝置的最大耗能設(shè)備”四合一“工藝空壓機(jī)組為例，進(jìn)行典型設(shè)備的能耗計(jì)算。

“四合一”工藝空壓機(jī)組包括空氣壓縮機(jī)、蒸汽輪機(jī)、尾氣膨脹機(jī)和電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)四部分?？諌簷C(jī)向反應(yīng)器提供反應(yīng)用空氣，蒸汽輪機(jī)作為主驅(qū)動(dòng)，利用裝置副產(chǎn)低壓蒸汽，尾氣膨脹機(jī)作為輔助驅(qū)動(dòng)，利用氧化尾氣。開(kāi)車(chē)時(shí)，利用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，正常生產(chǎn)時(shí)，作為發(fā)電機(jī)，外供電力。1 000 kt/a PTA裝置工藝空壓機(jī)組配置見(jiàn)圖2。

圖2 1 000 kt/a PTA裝置工藝空壓機(jī)組配置示意Fig.2 Air compressor assembly diagram of 1000 kt/a PTA plant1—汽輪機(jī)；2—壓縮機(jī)；3—電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)；4—尾氣膨脹機(jī)

1 000 kt/a PTA裝置工藝空壓機(jī)組能耗計(jì)算如下：

(1)空壓機(jī)排氣量及排出壓力

以中溫中壓反應(yīng)工藝為例，若反應(yīng)器頂部排出尾氣壓力(Pi1)1.13MPa，管路及調(diào)節(jié)閥壓降(Pi2)0.05MPa，反應(yīng)器液柱壓力(Pi3)0.08MPa，反應(yīng)器頂部冷凝系統(tǒng)壓降(Pi4)0.1MPa，則空壓機(jī)排出壓力(P)為1.36MPa。

P=Pi1+Pi2+Pi3+Pi4

(1)

(2)空壓機(jī)消耗功率(N1)

與空壓機(jī)廠商溝通，估算N1，也可由設(shè)備廠家估計(jì)。本例N1為450kW(包括潤(rùn)滑油泵、事故油泵、油箱加熱器、冷凝水泵、電動(dòng)盤(pán)車(chē)等)。

(3)汽輪機(jī)用能

確定來(lái)自氧化反應(yīng)器頂部冷凝器系統(tǒng)副產(chǎn)的低壓、超低壓蒸汽等級(jí)(工藝技術(shù)不同，副產(chǎn)蒸汽等級(jí)和數(shù)量不同[4])。

本例取3種等級(jí)計(jì)算，其蒸汽量合計(jì)為366.1t/h，蒸汽焓值(Q)合計(jì)為993 315MJ/kg，如表2、表3所示。

表2 氧化反應(yīng)器副產(chǎn)蒸汽性能

表3 Q的計(jì)算數(shù)據(jù)

循環(huán)冷卻水用量估算：

空壓機(jī)組循環(huán)冷卻水的溫差(?t)取值較大(10.0 ℃)，則冷卻水消耗較少，但冷凝器面積大，投資較高；反之，?t取值較小(6.0 ℃)，則冷卻水消耗較大，但冷凝器面積小，投資較低。

綜合考慮，一般?t取值7.0～7.5℃為宜。設(shè)從汽輪機(jī)冷凝器排出蒸汽凝液溫度為50 ℃，?t取7.3 ℃，則凝液的焓值為76 663MJ/h，冷卻器換熱量為791 337MJ/h，冷卻水消耗量為25 900m3/h。

汽輪機(jī)用能即其做功能力(N2)估算：

N2=(Q-MW)×860

(2)

式中：M為50 ℃時(shí)蒸汽總焓值(由壓縮機(jī)廠商提供)；W為蒸汽總量。

經(jīng)計(jì)算，汽輪機(jī)功率N2約為34 500kW。

(4)尾氣膨脹機(jī)做功能力(N3)

若進(jìn)入尾氣透平的尾氣量271.8t/h，溫度175 ℃，壓力1.0MPa，膨脹機(jī)為二級(jí)膨脹，級(jí)間采用3.5S蒸汽加熱尾氣，尾氣排出溫度40 ℃，所需蒸汽5.8t/h，則N3為14 320kW。N3取值可以向膨脹機(jī)廠家提工藝要求，由廠家估算；如沒(méi)有物料平衡數(shù)據(jù)，也可采用類(lèi)比法估算。

(5)壓縮機(jī)功率(N4)

根據(jù)工藝要求，氧化反應(yīng)尾氣氧的體積分?jǐn)?shù)取3.5%，空壓機(jī)進(jìn)氣溫度38 ℃(設(shè)計(jì)點(diǎn))，進(jìn)氣壓力(P1)0.099 1MPa，進(jìn)口相對(duì)濕度95%(設(shè)計(jì)點(diǎn))，排出溫度102 ℃。

根據(jù)工藝物料平衡確定空壓機(jī)排氣量，其中干基382 462kg/h，濕基390 262kg/h，含水7 800kg/h；空壓機(jī)進(jìn)氣量干基397 762kg/h，級(jí)間排出凝液7 500kg/h?？捎?jì)算出空壓機(jī)進(jìn)氣體積流量(V1)為5 798m3/min。則：

(3)

式中：r1為壓縮比；K為絕熱系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，N4約為36 600kW。

(6)PTA裝置用電功率(N5)

由于PTA工藝技術(shù)路線(xiàn)不同，N5數(shù)據(jù)相差較大。選取工藝空壓機(jī)組的功率為450kW，循環(huán)氮?dú)庠鰤簷C(jī)的功率為480kW，RPF循環(huán)氮?dú)庀到y(tǒng)功率為185kW，空冷器功率為650kW，干燥機(jī)(包括風(fēng)機(jī)及電機(jī))功率為550kW，泵類(lèi)功率為1 500kW，母液超濾系統(tǒng)功率為500kW，則N5為4 315kW。

(7)空壓機(jī)組對(duì)外輸出功率

空壓機(jī)組做功能力來(lái)自汽輪機(jī)和尾氣膨脹機(jī)，二者做功能力合計(jì)48 820kW。而根據(jù)PTA裝置工藝流程，N5約為4 000kW，則空壓機(jī)組對(duì)裝置外輸出電量約為8 220kW，折合單位產(chǎn)品節(jié)能65.8kW，節(jié)能效果非常顯著。

上述工藝空壓機(jī)組物料和能量平衡匯總于圖3。作為原料用途的能源不計(jì)入綜合能源消耗量[5]，但要計(jì)入綜合能源消費(fèi)量，如原料重油、氫氣等。

圖3 1 000 kt/a PTA裝置工藝空壓機(jī)組物料和能量平衡示意Fig.3 Feedstock and energy balance of air compressors of 1 000 kt/a PTA plant1—電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)(12 220 kW)；2—壓縮機(jī)(～36 600 kW)；3—汽輪機(jī)(34 500 kW)；4—膨脹機(jī)(14 320 kW)

4 結(jié)論

a. GB31533—2015規(guī)定的PTA單位產(chǎn)品能耗限額值和準(zhǔn)入值為強(qiáng)制性條款，先進(jìn)值為非強(qiáng)制性條款，企業(yè)應(yīng)加大監(jiān)督管理。

b. PTA單位產(chǎn)品能耗折標(biāo)系數(shù)主要按照GB31533—2015計(jì)算，如需要，也可參考GB/T 2589—2008和GB/T 50441—2007。

c. 單位產(chǎn)品能耗計(jì)算要同時(shí)考慮物料消耗，不能為了降低能耗而舍棄物耗?，F(xiàn)有裝置節(jié)能減排升級(jí)改造，還要考慮框架結(jié)構(gòu)、施工安裝是否可行，以及投資成本和回收期等。

[1] 汪英枝.精對(duì)苯二甲酸項(xiàng)目的節(jié)能評(píng)估及建議[J]. 合成纖維工業(yè),2015,38(3):44-47.

Wang Yingzhi. Energy conservation estimation and suggestion on purified terephthalic acid project[J].Chin Syn Fiber Ind, 2015,38(3):44-47.

[2] GB31533—2015,精對(duì)苯二甲酸單位產(chǎn)品能源消耗限額[S].

GB31533—2015,Norm of energy consumption of purified terephthalic acid per unit product[S].

[3] 謝極,徐志強(qiáng),陸新明,等. 固定資產(chǎn)投資項(xiàng)目節(jié)能評(píng)估和審查工作指南[S].

Xie Ji, Xu Zhiqiang, Lu Xinming,et al.Guide of assessment/examination on energy conservation work of capital projects in fixed assets[S].

[4] 姚玉英,黃鳳廉,陳常貴,等.化工原理[M].天津:天津科學(xué)技術(shù)出版社,2004:336-349.

Yao Yuying, Huang Fenglian,Chen Changgui, et al. Principle of chemical engineering[M].Tianjin: Tianjin Sci & Tech Press,2004:336-349.

[5] 國(guó)家節(jié)能中心.固定資產(chǎn)投資項(xiàng)目節(jié)能評(píng)估和審查工作手冊(cè)[S].

National Energy Conservation Center. Manual of assessment/examination on energy conservation work of capital projects in fixed assets[S].

Energy consumption calculation and analysis of purified terephthalic acid plant

Wang Yingzhi

(ChinaKunlunContracting&EngineeringCorporation,Beijing100037)

The battery limit and distribution of energy consumers of purified terephthalic acid plant (PTA) were specified according to GB31553-2015 Norm of Energy Consumption of Purified Terephthalic Acid per Unit Product. The energy consumption and technological advancement of various production-scale PTA plants were compared. In addition, it pointed out that the energy consumption of a project should be analyzed against the energy consumptions of the same industries and technologies. The energy consumption and power capability was calculated and analyzed based upon a four-in-one process air compressor unit of a 1 000 kt/a PTA plant as an example. The external output electricity of air compressor unit was about 8 220 kW, converting the energy saving per unit product as 65.8 kW, which indicated the profound energy saving effect. And the calculation of unit product energy consumption should take into consideration the feedstock consumption.

purified terephthalic acid; plant energy consumption; reduced factor; energy balance; eauivalent value; equal value

2016- 08-22； 修改稿收到日期：2016-12-30。

汪英枝(1965—)，女，教授級(jí)高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事石油化工、化纖工程設(shè)計(jì)、市場(chǎng)咨詢(xún)和工藝技術(shù)、工藝設(shè)備研發(fā)工作。E-mail：wangyingzhi2003@163.com。

TQ245.1+2

A

1001- 0041(2017)01- 0064- 04