張高博，魏云輝，汪廣春，郭忠江，陳平平

（1.上?；鄣霉?jié)能科技有限公司，上海 浦東 201206；2.山東聯(lián)泓新材料科技股份有限公司，山東 滕州 277500；3.福建聯(lián)合石油化工有限公司，福建 泉州 362000）

甲醇制烯烴（MTO）技術已經(jīng)實現(xiàn)工業(yè)化，作為一個新興的工藝，發(fā)展時間較晚，在能量利用上不夠充分，因此在節(jié)能方面有較大的提升空間[1,2]。MTO裝置的原料為液體甲醇，需要通過換熱和蒸汽加熱氣化后進入反應器。一套30萬t/a（以烯烴產(chǎn)量計）的MTO裝置，原料預熱需要消耗熱量12600萬kW，其中消耗蒸汽70t/h，費用9408萬￥/a，占成本的12%。與此同時，該裝置產(chǎn)生大量的凝結水，凝結水的余熱沒有得到有效利用。

浦江龍等[3]通過Aspen plus進行了熱力學模擬得到了在反應過程的影響因素中（溫度、壓力、水含量等），溫度對于反應的影響最大的結論。神華甲醇制烯烴（SHMTO）技術經(jīng)過工藝流程和催化劑性能方面的優(yōu)化后，首次給出的生產(chǎn)結果也達到了同行業(yè)領先水平[4]。周立進等[5]引入高溫脫硫反應單元并優(yōu)化產(chǎn)品高溫熱回收網(wǎng)絡后，與傳統(tǒng)工藝相比，總能耗降低24.5%。神華包頭煤化工公司對MTO裝置再生取熱系統(tǒng)進行了優(yōu)化改造[6]，改造內(nèi)容有：提高再生壓力；降低催化劑循環(huán)量、提高待生定碳；增加再生輸送蒸汽比例；濃縮水回煉改入油水分離系統(tǒng)；提高再生藏量；降低再生溫度等技改方案，不僅將生產(chǎn)負荷提高到110%，而且還額外產(chǎn)出3.5MPa蒸汽，取得了良好的經(jīng)濟效益。孫高攀[7]將甲醇合成和甲醇制烯烴原料預熱工藝進行了優(yōu)化，提出甲醇合成工序的脫輕塔后移至MTO進料預熱工段，降低裝置操作難度，節(jié)約投資，降低能耗。

針對降低MTO原料甲醇的氣化過程用能優(yōu)化方面的研究鮮有報道，華賁[8]提出的“三環(huán)節(jié)”理論從能量利用的本質(zhì)出發(fā)，對煉油廠催化裝置的余熱進行優(yōu)化回收利用，取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。華賁[9]闡述了節(jié)能降耗的基本觀念和全面規(guī)劃的重要意義，論述了總流程和能量綜合優(yōu)化之間的密切關系，并針對老裝置深入節(jié)能和系統(tǒng)優(yōu)化提出了改進意見。張高博等[10]采用“三環(huán)節(jié)”理論分別對柴油加氫裝置的塔、換熱網(wǎng)絡、加熱爐和機泵進行系統(tǒng)優(yōu)化，取得了裝置能耗下降38.9%的顯著效果，該方法也可用于其他裝置的全面節(jié)能優(yōu)化。

本文以國內(nèi)已經(jīng)開工的一套30萬t/a的MTO裝置為例，采用“三環(huán)節(jié)”理論對原料預熱流程進行優(yōu)化，提出回收凝結水余熱，替代原料氣化用汽的優(yōu)化方案。

1 方法和原理

式中：Ex,q-，kW；T0-基準溫度，K；T-絕對溫度，K；Q-熱負荷，kW。

1.2 換熱器評價

對一個換熱器的能量利用效率的評價通常采用熱力學第一定律，評價其熱效率η，熱效率越高，該換熱器的能量回收效果越好。但這種評價方法無法評價出換熱器熱流和冷流溫位的科學匹配，以及換熱器的科學選型。采用熱力學第二定律，用效率ηex來評價傳熱過程，可以得到更科學的結果，對于后續(xù)的換熱器的改造方案指出方向。所用的公式如下：

式中：Ex,c、Ex,h-分別為冷量、熱量，kW；T0、Tc、Th-分別為基準溫度（298K）、冷流溫度、熱流溫度，K；E-傳熱量，kW；DKH-換熱器的損，kW。

2 MTO裝置流程和分析

MTO裝置主要包括反應再生系統(tǒng)和急冷水洗系統(tǒng)，以及配套的熱力工程系統(tǒng)。反應再生系統(tǒng)采用循環(huán)流化床和不完全再生工藝；自裝置外來的液體甲醇經(jīng)加熱氣化和過熱后以氣態(tài)進入反應器，反應產(chǎn)物經(jīng)旋風分離器回收夾帶的少量細粉后進入急冷水洗系統(tǒng)。再生系統(tǒng)通過主風機為再生器提供燒焦空氣。

急冷水洗系統(tǒng)的主要設備包括急冷塔、水洗塔和污水汽提塔。反應產(chǎn)物在急冷塔中脫除過熱，在水洗塔中洗滌出攜帶的催化劑。急冷塔和水洗塔底部排出的洗滌水送至污水汽提塔回收其中的甲醇、二甲醚等有機物。

熱力工程系統(tǒng)主要包括CO焚燒爐、余熱鍋爐和再生器外取熱器，其作用是用水取出系統(tǒng)的熱量產(chǎn)生蒸汽。

2.1 原料甲醇氣化流程

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水換熱器后，進入甲醇氣化器，由蒸汽作為熱源進行氣化，氣化后的甲醇再次與氣相反應產(chǎn)物換熱后進入反應器，見圖1。

圖1 原料氣化流程圖

液體甲醇氣化流程中有3組換熱器。對其進行分析，換熱器E1201AB、E1104AB、E1102AB的對數(shù)平均溫差分別為107℃、32℃、54℃，對應的損費用分別為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，一方面是從熱源側入手降低入口溫度，另一方面從熱阱側入手，提高甲醇在進入甲醇氣化器之前的溫度，見表1。

表1 原料甲醇預熱流程分析

表1 原料甲醇預熱流程分析

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2.2 反應產(chǎn)物換熱過程

反應產(chǎn)物（125t/h，460℃）的換熱流程是首先與來自甲醇氣化器的氣相甲醇換熱至340℃，然后再進入急冷、水洗塔，洗滌催化劑，脫除過熱，將反應產(chǎn)物水冷凝后，反應氣（40℃）進入烯烴分離裝置。

2.2.1 熱量分析

反應產(chǎn)物的熱量按照回收至60℃計算，可以回收的總熱量為209160MJ/h，實際回收的余熱一部分用于與甲醇換熱，換熱量為62748MJ/h；剩余的熱量進入急冷塔和水洗塔，通過急冷水和水洗水作為烯烴分離塔底熱源，換熱量為134197MJ/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)。

表2 反應產(chǎn)物換熱流程

表2 反應產(chǎn)物換熱流程

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2.3 凝結水系統(tǒng)的余熱利用情況

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

圖2 凝結水系統(tǒng)工藝流程圖

凝結水的余熱沒有得到回收。兩路凝結水可回收的余熱16733MJ/h，其中：

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

（2）甲醇汽化器凝結水：該凝結水由甲醇氣化器使用的0.4MPa蒸汽產(chǎn)生，流量70t/h，溫度130℃。按照凝結水降溫至100℃，可回收余熱8784MJ/h。

各路凝結水的情況見表3。

表3 DMTO裝置凝結水基礎數(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

MHE高效換熱器是一種防結垢換熱器[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產(chǎn)物的換熱流程中。將目前的立式換熱器更換為MHE高效換熱器，可以強化反應產(chǎn)物和氣相甲醇換熱，充分回收反應產(chǎn)物余熱，降低甲醇氣化蒸汽量。其特點是具有良好的防堵性能，可以有效減少由于反應產(chǎn)物中催化劑的沉積導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)化后的甲醇氣化流程如圖3所示（圖中虛線框內(nèi)為優(yōu)化后結果）。

圖3 甲醇氣化優(yōu)化后的流程圖

3.1.2 回收凝結水余熱

目前的蒸汽能量回收技術包括低溫熱發(fā)電、蒸汽引射和蒸汽壓縮三種。蒸汽壓縮機技術路線采用蒸汽壓縮機對凝結水閃蒸的乏汽進行加壓[13]，回收凝結水的余熱，熱能轉換效率達到80%以上。上?；鄣霉緦υ摷夹g進行了轉化，開發(fā)了SER蒸汽能量回收機組。采用電為動力，對凝結水余熱進行回收和升級利用，機組產(chǎn)生0.3MPa蒸汽6.6t/h可用于原料氣化，回收蒸汽之后的凝結水溫度100~105℃仍然采用原有的流程與甲醇原料換熱之后送出裝置。該技術既回收了凝結水的余熱，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)化后結果）。

圖4 凝結水優(yōu)化流程圖

3.2 優(yōu)化后的分析

3.2.1 原料甲醇氣化流程

采取增上SER機組的優(yōu)化措施后，E1201AB的熱側入口溫度由210℃降低至190℃，降低了20℃；E1102AB冷側出口溫度由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%。損費用由329萬￥/a降低到283萬￥/a，降低了14%。結果見表4。

表4 優(yōu)化后甲醇氣化流程分析

表4 優(yōu)化后甲醇氣化流程分析

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3.2.2 反應產(chǎn)物換熱流程

采用MHE高效換熱器對反應產(chǎn)物換熱器E1202AB進行改造，提高了甲醇進反應器的溫度，由優(yōu)化前的144℃提高至180℃，提高36℃。反應產(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%。損費用由3492萬￥/a降低到3373萬￥/a，降低了3.3%。結果如表5所示。

表5 優(yōu)化后反應產(chǎn)物氣化流程分析

表5 優(yōu)化后反應產(chǎn)物氣化流程分析

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3.3 節(jié)能效果

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

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

3.4 經(jīng)濟效益

兩項措施后，按照每噸3.5MPa蒸汽200元、每噸0.3MPa蒸汽120元、1kWh電0.7元計算，總效益1362萬￥/a，當前裝置的乙烯/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，建設年代較早。目前國內(nèi)大型的MTO裝置已經(jīng)達到80萬t/a（以產(chǎn)品計）。但各裝置的原料氣化和反應產(chǎn)物余熱回收的流程相似，因此該方法可以推廣應用到其它規(guī)模的MTO裝置，同樣可以產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益。

4 結論

甲醇制烯烴（MTO）裝置原料氣化流程和反應產(chǎn)物換熱流程存在溫差大，蒸汽耗量大的問題，以及凝結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)進行分析，可以發(fā)現(xiàn)損較大的換熱設備，確定節(jié)能方向。

使用兩項專利技術對系統(tǒng)進行改造，一是采用MHE高效防垢換熱器更換反應產(chǎn)物-甲醇氣換熱器，解決反應產(chǎn)物側含有催化劑顆粒容易結垢，以及流速偏低換熱效率低的問題；二是使用SER蒸汽能量回收機組回收凝結水的余熱產(chǎn)生蒸汽，用于替代甲醇氣化器使用的0.4 MPa蒸汽。

以一套30萬t/a的MTO裝置為例，兩項措施實施后可以提高反應產(chǎn)物的效率3.3%，可以降低甲醇氣化流程的損14%?；厥照羝?.2t/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0.3t，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，該技術可以推廣到各種規(guī)模的甲醇制烯烴裝置。