田濤　曹博雅

在化學工業(yè)生產(chǎn)體系當中，烯烴是一種極為重要的基礎原材料，特別是在汽車加工、塑化生產(chǎn)等行業(yè)飛速發(fā)展的影響之下，為石油化工產(chǎn)業(yè)中的烯烴制造量和分離純度提出了更高的要求。在煤制烯烴的反應中不僅要應用到汽化原煤，還需要燃燒煤炭提供熱能，這也是能源消耗較多的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，必須要重視節(jié)能減排的優(yōu)化應用。因此，本文系統(tǒng)介紹煤制烯烴項目中的烯烴分離技術和能源消耗計算方法，結合當前技術應用的不足，詳細分析如何在具體實操過程當中落實節(jié)能減排目標。

節(jié)能減排?煤制烯烴?烯烴分離?能源消耗

當前基礎化工行業(yè)的飛速發(fā)展，促使企業(yè)在生產(chǎn)制造的技術手段方面有了極大的提升，特別是在利用煤炭進行烯烴原料的制造分離中，能夠更好地通過裝置優(yōu)化的方式實現(xiàn)節(jié)能減排，為實現(xiàn)偉大的碳中和目標邁出了重要一步。在進行煤制烯烴的物質分離過程當中，我國已經(jīng)成功實現(xiàn)了自主研究設備的投產(chǎn)和使用，特別是在系統(tǒng)結構優(yōu)化和裝置提升的發(fā)展進程中，能夠有效地減少煤炭的熱值損失和能源的損耗，更好地優(yōu)化了生產(chǎn)技術的迭代更新和適用范圍。

煤制烯烴的反應過程是指利用原煤的汽化過程，使其中的碳原子和通入的氫氣之間發(fā)生化學反應，反應物當中包含了烯類和烴類的混合物質，需要通過壓縮、吸收和分離的方式來提升產(chǎn)物純度，供后續(xù)的化工生產(chǎn)應用。目前我國所運用的烯烴分離裝置是自主研發(fā)的MTO設備，其運行原理是將煤的汽化反應混合物進行壓縮、清洗和分離，特別是其中的氣相和液相的烯烴物質能夠得到更為純凈的處理，精度達到99.5%以上。干燥處理后的烯烴混合氣體經(jīng)過冷卻干燥后可以送入脫甲烷塔，使C2和C3形成了有效分離，經(jīng)過脫乙烯塔時還需要送入氫氣對乙炔氣體進行還原，更重的C4物質經(jīng)過冷卻處理后會收集到對應的汽化罐中，從而完成整個煤制烯烴過程的有效分離。

我國的煤制烯烴年產(chǎn)量可達1672萬t，在整個生產(chǎn)過程當中，需要消耗大量的原煤和燃煤來保證連續(xù)性的化工生產(chǎn)。為更好地實現(xiàn)碳中和的遠景目標，在烯烴生產(chǎn)與分離的使用化工技術當中必須要將節(jié)能減耗作為主要研究對象，做好能源總量的計算和優(yōu)化。在煤制烯烴和烯烴分離的技術應用過程當中，能源的總消耗量包括了汽化原煤、燃燒煤、電能資源和油類物質等應用，是一項實際消耗較大且具有一定綜合性的過程。根據(jù)某國家級煤制烯烴生產(chǎn)企業(yè)實際投產(chǎn)過程來看，單位量的烯烴產(chǎn)品在綜合能耗方面的需求量極大，轉化為標準煤，用量大約可達4000kg/t，較其他基礎的石油化工產(chǎn)業(yè)而言能耗偏高，必須要著重關注應用設備、生產(chǎn)分離流程等多方面的技術優(yōu)化和提升。

由于石油化工行業(yè)的研究起步較晚，MTO技術為純自主研發(fā)，在實踐應用和裝置設計方面存在著一定的不足，會對最終制造和分離出的烯烴物質的純度和質量產(chǎn)生一定的影響，反應過程當中的能源消耗量也較大。在整個分離過程當中需要經(jīng)歷多步驟的清洗和吸收，必須要充分考慮到混合物質的化學特性來科學排布分離流程，并適當增加氫氣、丙烷等來促進反應過程的完全性。但在水洗、堿洗的環(huán)節(jié)，由于對于混合物雜質的吸收不充分可能會導致一些雜質析出、油性物質堵塞等問題的出現(xiàn)，對于實現(xiàn)更為純凈的烯烴分離會產(chǎn)生一些不利影響，甚至會造成煤制烯烴和分離設備的停運問題，必須要對其進行優(yōu)化改造，更好地實現(xiàn)生產(chǎn)過程的節(jié)能減耗和產(chǎn)品質量的提升。

4.1堿洗塔的優(yōu)化

在實現(xiàn)烯烴分離的過程當中，會產(chǎn)生一定的酸性氣體，容易對分離設備內(nèi)壁產(chǎn)生損壞和腐蝕問題，必須要使烯烴氣體經(jīng)過堿洗塔的充分吸收后才能夠更好地實現(xiàn)分離作用。在堿洗塔內(nèi)部的堿性液體吸收氣體中雜質的過程中會大量地生成碳酸氫鈉溶液，一旦其濃度控制不到位會造成晶體的析出，對通氣管道內(nèi)壁形成堵塞，給烯烴分離處理帶來一定的負面影響。在對烯烴分離裝置進行優(yōu)化處理的過程當中，技術人員設計了不同濃度的堿性溶液進行實驗探究，在模擬實驗的過程中發(fā)現(xiàn)，注堿量較為適中的堿洗塔在氣體的吸收反應方面表現(xiàn)更優(yōu)，濃度過高時盡管能夠達到較好的氣體吸收效果，但更容易和氣體當中的氧化物質發(fā)生化學反應形成油狀生成物，對最終的排液產(chǎn)生了污染，不利于實現(xiàn)烯烴分離應用的節(jié)能環(huán)保效用。

4.2脫丙烷的優(yōu)化

在自主研制的MTO烯烴分離裝置當中，應用了丙烷來代替丙烯，更好地實現(xiàn)了生產(chǎn)過程中的節(jié)能減排和成本節(jié)約。對于脫丙烷塔的裝置應用優(yōu)化主要是針對烯烴物質的分離和裂解的不同反應過程，由于其反應物、原理等方面更為相似，不需要重復建立兩個脫丙烷塔來實現(xiàn)烯烴生產(chǎn)，可以考慮將二者合一，取消塔頂?shù)睦淠?、塔底泵等零件，而是利用了烯烴裂解過程當中的氣縮機，將氣液混合物制通入到分離過程當中脫丙烷塔內(nèi)，C2、C3和C4的分離和裂解都可以使用整合后的脫丙烷塔系統(tǒng)完成，有效減少了在氣液轉換過程當中產(chǎn)生的乙烯損失。在脫丙烷塔的整合優(yōu)化處理過程當中，技術人員需要將連接口位置的氣液管道尺寸直徑進行擴增，并根據(jù)實際反應的需求對重沸器的功率和規(guī)格進行合理調整，更好地實現(xiàn)了反應過程當中的節(jié)能優(yōu)化，在生產(chǎn)企業(yè)的基礎設施建設成本方面也起到了極大的節(jié)約效用。

4.3回收氣相丙烯

在丙烯的分離處理時主要是以液相狀態(tài)進入到塔內(nèi)形成脫離，但在這個過程當中仍然會存在一定的氣相丙烯出現(xiàn)逸散，不利于提升烯烴分離的實際產(chǎn)量。技術人員在對分離裝置進行改造和優(yōu)化的過程當中，通過涂刷吸附劑的方式使這些丙烯氣體能夠更好地聚集在吸附劑周圍，特別是在受熱的情況下，這些氣體會產(chǎn)生大量的殘留造成一定的生產(chǎn)損失。在優(yōu)化丙烯的分離吸收過程當中，還可考慮在進行氣象混合物料的排除和壓縮處理過程當中增加回收罐，使這些吸附劑中收集到的氣相丙烯能夠更好地回收利用，有效實現(xiàn)了節(jié)能減耗和增加產(chǎn)量的目的。在烯烴分離的裝置設計當中，不同的循環(huán)流程對應于不同的分離處理環(huán)節(jié)，技術人員在予以優(yōu)化時要充分考慮到分離物質的氣相、液相特征和反應環(huán)境溫度控制等條件實現(xiàn)更有針對性的調整。

4.4廢水環(huán)保處理

在整個烯烴分離處理的過程當中，需要運用到水洗的方式對氣體進行凈化吸收，而由于對于氣流速度控制的不當和反應環(huán)境溫度過高等影響，一些凈水會伴隨著氣流進入到后續(xù)的反應塔內(nèi)，特別是在堿洗塔的反應環(huán)節(jié)當中，由于吸收了這些凈水會造成堿性液體的液面上升、排除的廢水量增加的問題，不利于實現(xiàn)系統(tǒng)性的水循環(huán)和環(huán)保處理。但若盲目減少前期的水洗環(huán)節(jié)用量，則可能會導致一些氧化物質的處理不完全，以及與堿性液體反應形成的油性物質容易產(chǎn)生管道堵塞問題?；诃h(huán)保優(yōu)化的目的，技術人員可在水洗反應環(huán)節(jié)的末端增除沫網(wǎng)，在水洗循環(huán)的過程當中，可以實現(xiàn)向凈水內(nèi)進行透平凝液補充的目的，有效提升了凈水的質量和水體循環(huán)效用，對于后續(xù)的堿洗塔和其他反應環(huán)節(jié)也不會產(chǎn)生質量影響。

4.5蒸汽凝液回收

在烯烴分離裝置當中，為實現(xiàn)氣相和液相的有效轉換，需要使用一定的冷凝裝置來促進反應完成，常規(guī)的冷凝主要是依靠蒸汽的循環(huán)來實現(xiàn)，相較于冷循環(huán)泵更加節(jié)能環(huán)保。為更好地減少分離反應過程當中對水資源的浪費，技術人員將冷卻塔內(nèi)水蒸氣凝液進行了回收再利用，將水冷卻塔內(nèi)的蒸汽利用導管實現(xiàn)了液化循環(huán)，增加了收集罐避免冷凝液的隨意排放，經(jīng)過充分冷卻后可注入到水冷卻塔的入口處參與冷凝反應，也可作為二次循環(huán)的液體補充。在某生產(chǎn)場地內(nèi)利用了該項蒸汽凝液的回收技術，每年節(jié)約的能耗總量換算為標準煤可達1900t，更好地為實現(xiàn)碳中和發(fā)展形成助力。

4.6多余單元調整

在傳統(tǒng)的煤制烯烴和分離設備的應用過程當中會涉及大量的多余單元，需要進行簡化處理，不僅能夠幫助生產(chǎn)企業(yè)從投產(chǎn)成本上予以合理控制，也能夠更好地節(jié)約在制備和分離過程當中的能源消耗。首先，在甲烷分離處理的過程當中需要使用到冷循環(huán)設備將其中的油性物質進行吸收處理，但從生產(chǎn)實踐來看，冷循環(huán)泵長時間地持續(xù)運行需要消耗大量的電力資源，且技術人員通過增加吸收油的循環(huán)口高差也可以達到類似的冷處理效果，通過對其進行簡化處理更好地實現(xiàn)了電能節(jié)約。其次，在煤制烯烴的反應過程當中，由于氫氣供應不充分可能會生成乙炔氣體造成乙烯不純的現(xiàn)象，利用加氫反應裝置可以進一步促進乙炔向乙烯的反應完全度。經(jīng)過技術人員對煤制烯烴裝置的研究和升級中發(fā)現(xiàn)，在系統(tǒng)連續(xù)反應時以缺的實際產(chǎn)量較為有限，請通過溫度的合理調控能夠使乙烯的純度達到生產(chǎn)標準，加氫反應裝置的實際利用率較低且每臺設備的使用年限僅為6個月，不符合環(huán)保節(jié)能的發(fā)展目標。最后，綠油即乙炔分子的低聚合物質，通過在系統(tǒng)內(nèi)設計溫度感應裝置等能夠較好地滿足生產(chǎn)純度需求，增建綠油系統(tǒng)反而會擴大裝置的空間，不利于節(jié)約生產(chǎn)成本。以規(guī)范化的MTO生產(chǎn)過程來看，通過對上述3個多余單元的優(yōu)化和調整，可以實現(xiàn)能耗節(jié)約達11.45GJ/h，節(jié)約生產(chǎn)投資83萬左右。

4.7碳的捕捉利用

根據(jù)碳制烯烴的反應原理來看，對于碳原子的利用率會直接影響最終的產(chǎn)量和分離質量，為更好地達到節(jié)能減排的生產(chǎn)目標，提升對于碳的捕捉和再利用也成為了技術人員工作的重點內(nèi)容之一。在煤制烯烴的反應過程當中，需要向其通入氫氣促進碳原子和氫原子的結合反應，但在燃燒過程當中仍不可避免的產(chǎn)生二氧化碳等酸性氣體，傳統(tǒng)的分離反應過程是利用了堿洗塔將二氧化碳吸收，降低了碳原子的實際利用率。通過CCS技術實現(xiàn)了二氧化碳捕捉可以更好地促進煤制烯烴反應的充分度，并利用這些二氧化碳氣體和冷凝過程當中的氮氣等進行有效置換，進一步提升了反應過程當中的碳氫比例，使更多的原煤能夠充分轉化為烯烴產(chǎn)品，并降低了制備和分離過程當中產(chǎn)生的二氧化碳尾氣。

4.8加強塔釜溫控

由于烯烴分離裝置的反應環(huán)節(jié)較多、設備運行精細度要求較高，特別是在塔釜內(nèi)部的反應溫度控制必須要精細化處理，否則會對最終的烯烴生成物質量產(chǎn)生一定的影響，還容易因為超溫和超壓造成反應塔釜的停運，烯烴生成物在長導管內(nèi)進行傳輸和分離時容易因為受冷凝結而造成后續(xù)分離裝置的連鎖停機問題。技術人員在對系統(tǒng)進行溫度控制時需要利用溫度傳感設備輔助觀察設備內(nèi)的實際溫度狀況，一旦出現(xiàn)有溫度范圍不適配的情況要立即通過增溫或降溫的方式進行調控，強化鍋爐和冷凝裝置的實際作用，更好地促進煤制烯烴的有效分離。

4.9氮氣含量優(yōu)化

在整個煤制烯烴和分離處理的過程當中，需要使用到氮氣作為氣體壓縮制冷的原材料，但其含量過高時會出現(xiàn)逸散和丙烯氣體相互混合，在壓縮機運行的過程當中，氣體出口處的溫度會急劇上升，對于實際的壓縮制冷效果會產(chǎn)生不利影響，還可能會引發(fā)系統(tǒng)內(nèi)的設備損壞，許多丙烯氣體也會伴隨著氮氣向外排出導致碳元素的浪費和損耗。技術人員可考慮在壓縮罐內(nèi)利用新氣體去置換原有的氮氣，在精餾塔的反應過程內(nèi)提前進行，避免氣體出口處的升溫問題造成其他連鎖反應，在氣體壓縮機運行保持平穩(wěn)后再灌入丙烯液體從而實現(xiàn)更為完全的烯烴分離反應。

4.10鍋爐節(jié)能改造

在煤制烯烴的反應過程當中需要先將煤進行燃燒氣化反應后再進行生成物的分離處理，在燃燒時，一部分煤渣在壓濾和汽化的過程中會形成濕煤灰從而導致環(huán)境的污染，為更好地滿足節(jié)能減排的發(fā)展目標，在對鍋爐進行改造優(yōu)化時可以將這些濕煤灰收集后作為燃料送入鍋爐當中，或通過循環(huán)流化的方式提升對這部分排放物的利用率。另外，鍋爐的反應溫度和熱值利用會直接影響烯烴物質的生成質量，技術人員可考慮在爐膛內(nèi)壁上噴附超導熱涂層使煤的汽化反應更加充分，更有利于節(jié)約循環(huán)流化爐的實際燃燒用量。在某石油化工企業(yè)的實踐改造應用過程當中，增加超導熱涂層后的熱值利用率提升了約3%，年均節(jié)約煤炭可達1t，進一步提升了企業(yè)的實際效益。

煤制烯烴和烯烴分離技術在我國的基礎石油化工產(chǎn)業(yè)當中發(fā)展較為成熟，并在進一步升級革新的過程中落實了節(jié)能減排的目標，有效提升了企業(yè)經(jīng)濟效益。在球罐和堿洗塔的優(yōu)化過程當中要注意氣壓的平衡和堿液濃度的控制，結合具體的煤制烯烴生產(chǎn)量來計算確定，嚴格控制分離技術當中的能源消耗問題。在烯烴分離過程當中，產(chǎn)生的各類廢水和蒸汽凝液可以根據(jù)實際需求進行回收處理，使生產(chǎn)過程當中鍋爐內(nèi)部的水循環(huán)量能夠實現(xiàn)含氧量的有效控制。在鍋爐的節(jié)能改造當中主要是利用了涂層優(yōu)化來提升煤炭熱值，強化了碳粉的捕捉效用。

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：田濤（1986—），男，本科，中級工程師，研究方向為煤制烯烴、MTO、烯烴分離。