溫 艷， 趙 興,2

(1.寧夏工商職業(yè)技術學院能源化工學院，寧夏 銀川 750021;2.中國石油寧夏石化分公司，寧夏 銀川 750021 )

在新建甲醇生產廠中應用夾點技術，有助于企業(yè)節(jié)約50%的能量，且至少減少10%的資金投入成本。因此，夾點技術是實現(xiàn)甲醇工藝降資節(jié)能最有效的渠道。在化工企業(yè)開展甲醇生產項目時，可在CO變換工段進一步擴大夾點技術的應用范圍，從而確保它在換熱網絡中發(fā)揮出真正的效用，實現(xiàn)化工企業(yè)長遠發(fā)展。

1 夾點技術的原理

夾點技術最早出現(xiàn)在1970年左右，它是由英國Bodo Linnhoff教授所提出的一種改造換熱網絡的優(yōu)化方法[1]。在工業(yè)生產過程中涉及到許多能量轉化問題，為了進一步實現(xiàn)能源的合理配置與成本的有效縮減，通過應用集成技術對具體操作流程加以規(guī)范，由此在化工能量轉化過程中進行能量的科學回收與利用。從相關調查數據可知：應用夾點技術所形成的新?lián)Q熱網絡設計裝置，可達到30%到50%之間的節(jié)能效果。當能量有所減少時自然也會造成投資額度縮減。因此，夾點技術在化工生產環(huán)節(jié)具有較強的實用價值。夾點技術在化工工藝操作過程中包含許多冷熱物流，它主要是利用能量轉換焓值對物流走向進行確定，由此保證夾點技術發(fā)揮出真正的節(jié)能降耗作用。

2 CO變換工段寬溫耐硫工藝流程

CO變換工段是甲醇工藝中較為重要的變換部分。它主要是指CO與H2O經過催化劑的催化反應后形成一定比例的CO2與H2，由此滿足甲醇生產工藝要求。以黔希化工為例，它具備30萬t·a-1規(guī)格的乙二醇生產裝置，具體是借助寬溫耐硫變換工藝提取乙二醇。首先，它需將氣化裝置中儲存的71.1%水氣比的煤氣進行冷凝分離，然后對其進行預熱，待達到220℃之后可將其排入到過濾器中，由此實現(xiàn)CO的有效變換。CO變換反應屬于放熱過程，故而可利用這部分熱量作為后續(xù)預熱供應能量，以免造成能量浪費。最后在變換過程中還可進行有機硫與無機硫的轉換，由此得到企業(yè)生產所需物質。

在CO變換工段寬溫耐硫工藝中一般所具備的特點包括以下內容：其一，CO變換工段中所采用的催化劑作用溫度為180℃，且最高耐溫度可達到500℃，如此大的溫變范圍可為CO變換工段中濃度升高引發(fā)的高溫升提供重要保障；其二，CO變換工段自由調節(jié)方式較為多樣，由此可極大程度上滿足碳氫比變化需求；其三，CO變換工段涉及到能量利用，而借助寬溫耐硫工藝可為反應流程提供等級回收途徑；其四，在粗煤氣進行冷凝過濾之前可安裝低壓廢鍋，促使水氣比處于可控狀態(tài)下；其五，有機硫的轉化可對后期工段脫除工作提供便捷?；诖?，CO變換工段寬溫耐硫工藝確實具有一定的操作優(yōu)勢[2]。

3 夾點技術在CO變換工段換熱網絡優(yōu)化改造中的應用要點

3.1 優(yōu)化CO變換工段系統(tǒng)

夾點技術可進一步實現(xiàn)CO變換工段系統(tǒng)的合理優(yōu)化。

具體內容如下：(1)在以往CO變換工段中粗煤氣的有效轉化率為70%，但系統(tǒng)并不能為其提供重要的壓力支持，導致粗煤氣中CO含量達不到實際標準。在此基礎上，需對甲醇工藝CO變換工段系統(tǒng)中所應用的工藝手段進行改造，比如在系統(tǒng)第一變爐口煤氣預熱器處加設高壓蒸汽接入裝置，從而將水氣比降至0.3到0.35范圍內，以此為第一變爐器的正常使用提供保障。若甲醇工藝生產過程中CO變換工段所形成的CO濃度較大，應及時開啟預熱器將高壓蒸汽進行導入，這樣可有效提高第二變爐器的水氣比。當爐前水氣比得到有效調整時，自然也能保證后續(xù)工段的順利進行；(2)在提高變換系統(tǒng)的變換效率時，可及時對系統(tǒng)內催化劑的使用情況，溫度變化等進行合理化控制，以便達到最佳變換目的[3]。比如當CO變換系統(tǒng)長期處于高溫狀態(tài)下，應當在氣壓超過2MPa的情況下進行氣流導入，并適當調節(jié)導入速度，這樣有助于變換爐內的熱量及時排出。而在變換系統(tǒng)出現(xiàn)了壓力負荷驟減的情況下，應重點控制變換爐的入口溫度與水氣比，可在降溫基礎上達到減小變換率的效果。甲醇工藝是化工企業(yè)中的關鍵步驟，要想保證CO變換工段的順利進行，就需結合實際情況加大能量回收利用率，在夾點技術的輔助下促使CO變換工段換熱網絡得到適當優(yōu)化，以此避免化工企業(yè)在發(fā)展自身經濟的同時違背我國出臺的環(huán)保節(jié)能政策。

3.2 控制催化劑溫升速度

3.2.1 溫度

在CO變換工段換熱網絡優(yōu)化改造中應用夾點技術時還應合理控制CO變換所需催化劑溫升速度，以免系統(tǒng)運行出現(xiàn)超溫現(xiàn)象[4]。在CO變換工段中可能發(fā)生的化學反應如下：

CO+H2O=CO2+H2

CO+H2S=COS+H2O

CO+3H2=CH4+H2O

在第三個反應過程中所釋放的熱量為第一個化學反應熱量的5倍左右，這也是引發(fā)CO變換工段出現(xiàn)溫升的主要原因。所以，對此可利用催化劑進行緩解。通常情況下催化劑會受溫度的影響而造成變換率不明確。比如應將化學放熱反應所引發(fā)的溫升控制在合理范圍內，盡量不超過催化劑正?；钚苑秶?。據相關調查，在硫化反應中若反應溫度處于275℃與425℃之間，催化劑活性將不受到影響，且在<275℃時，活性明顯下降，而>475℃情況下，硫化反應相比會更強烈一些。因此，需在不同階段合理控制反應溫度，這樣才能保證CO變換率滿足甲醇生產工藝要求。事實上，最為重要的溫控措施主要有：

第一，在反應前對催化劑溫度進行有效調節(jié)。比如在初步使用催化劑時，它的活性反應溫度若為220℃，在系統(tǒng)運行前應將溫度控制在260℃，而隨著催化劑不斷為化學反應發(fā)揮作用，它的活性溫度也會有所變化，此時也應隨之調整系統(tǒng)環(huán)境問題。同時，還需在反應末期及時采取降溫措施，避免催化劑在催化過程中引發(fā)系統(tǒng)前后工段壓差超標，影響變換效果。

第二，控制CO的濃度變化情況。比如在甲烷化反應中，若CO濃度過大極易增加反應速率，由此引發(fā)溫升現(xiàn)象。因此，以100000m3的煤氣規(guī)格為例，應將CO濃度控制在大約50%，并適當加入4000m3N2，促使CO各項化學反應所造成的溫度驟增狀況得到有效控制，以此為夾點技術的應用創(chuàng)造有利條件。

3.2.2 水氣比

以煤制甲醇工藝為例，它在CO變換工段中，若水氣比有所增加將造成CO變換率升高。從經濟性角度上來分析，增加水氣比會極大程度上增大蒸汽消耗量，且對甲烷化化學副反應產生抑制效果，故而水氣比的增加不利于企業(yè)節(jié)約成本。然而從CH4含量與水氣比之間的變化曲線結果中可知：CH4含量會隨著水氣比變大而呈現(xiàn)遞減趨勢。因此，應注重水氣比的控制，以便獲得換熱網絡最佳改造成果。具體可從以下兩個方面著手：

(1)控制第一變爐器入口水氣比。由于系統(tǒng)運行之前煤氣溫度相對較低，而形成的水氣比也較低，若突然接氣易出現(xiàn)溫度驟升等不良現(xiàn)象。因此，相關人員應對煤氣管線里的蒸汽進行伴熱，一般在溫度達到140℃時才能進行接氣。而伴熱所需能量可借助夾點技術從煤氣反應過程中加以轉化，由此避免能量浪費，影響企業(yè)經濟收益。

(2)控制第二與第三變爐器入口水氣比。首先可在入口處對蒸汽量與淬冷水進行控制，以此改變水氣比。承載淬冷水的淬冷器因其自身溫度較低，若馬上接入蒸汽、淬冷水會造成催化劑在發(fā)揮催化作用時因進水而受到不良影響?；诖?，需在第二與第三變爐器入口溫度超過220℃情況下實施接氣行為，從而保證水氣比在有效控制的前提下為夾點技術的節(jié)能降耗操作提供助力。

3.2.3 空速

在CO變換工段換熱網絡改造中充分應用夾點技術實現(xiàn)能量合理轉化時還應注重空速對化學反應的影響程度。首先，空速會對催化劑裝填量等帶來一定影響，當空速越大時，催化劑裝填量就越小，由此可降低投入成本。所以，相關人員可利用調節(jié)變換爐內的壓力負荷控制空速，從而有效把控轉換率；其次，空速也會對甲烷反應帶來抑制作用。比如從實驗數據中發(fā)現(xiàn)：在0.25水氣比、3.7MPa壓力值、入口溫度為220℃的條件下，當空速分別為2000，3500，4500h-1時，甲烷出口含量為0.62%，0.38%，0.27%，由此可得出以下結論：甲烷出口量會隨著空速增加而減小。

對此可進行的優(yōu)化措施如下：為了增加煤氣與催化劑之間的接觸時間，可結合催化劑溫升速度調節(jié)空速，待其達到熱點后可適當增大空速，若在熱點超過指定標準時應通過降速的方法保證催化劑活性良好。夾點技術作為一種過程集成方法，在實際設計期間應將CO變換工段換熱網絡系統(tǒng)劃分為兩個分離式子系統(tǒng)。同時，還應防止跨越夾點傳熱現(xiàn)象的發(fā)生。由于夾點技術應用的范圍不斷擴大，導致它在系統(tǒng)中所發(fā)揮的作用也日益明顯。因此，應根據企業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與甲醇生產工藝要求對換熱網絡系統(tǒng)進行優(yōu)化，促使夾點技術為甲醇生產性質企業(yè)提供良好的技術支撐。

3.3 注重能量利用效果

3.3.1 明確夾點

在應用夾點技術改造CO變換工段換熱網絡系統(tǒng)時首先需進一步明確夾點。通過在甲醇精餾工藝中可對夾點進行科學計算，進而達到能量合理轉化目的。一般夾點計算方法共有兩種，其中一種為T-H圖法，另一種為問題表法。從兩種不同計算方法中可知：利用軟件對其換熱網絡進行計算時可得出夾點溫度處于58℃左右，最小冷、熱公用工程量各自為60.76與57.69MW。而在問題表法計算下所得出的結果基本一致。與實際量相比有些許差異，主要是因為跨越夾點所產生的換熱負荷，進而導致目標值與計算值間出現(xiàn)差距。

此外，在設計換熱網絡時還應考慮到夾點溫差對于夾點技術應用效果的影響。通常溫差越大，熱量回收的可能性就越小，所需冷熱負荷會隨之增大，最終造成換熱網絡成本投入減少。要想保證夾點技術為換熱網絡的設計提供積極作用，可在10℃到30℃之間選擇一個適合的溫差，以此符合目標值的要求。甲醇生產環(huán)節(jié)較為合理的冷熱公用工程量應為12.34與34.63MW，且在90℃夾點溫度時能夠貼合換熱網絡優(yōu)化理念。同時，在確定夾點時還需遵循一定原則，比如不允許在CO變換工段安裝冷卻器，或者不應刻意安裝加熱器等，并且只在冷熱公用工程換熱網絡實施加熱與冷卻步驟時設置夾點等，以此保證冷熱物流得到相應的能量供應，為企業(yè)甲醇生產工作增加能量回收利用率，促使能量得到妥善處理。

3.3.2 改造結構

在傳統(tǒng)換熱網絡中常存在能量利用不到位等問題。比如在夾點下利用加熱公用工程等極易增加換熱負荷，又或者在夾點上應用冷卻公用工程，這樣也會增加冷卻負擔。對此，應實施優(yōu)化手段降低熱負荷對夾點的負面影響。實際上，夾點技術對于老廠換熱網絡的改造也有著重要作用，它所帶來的節(jié)能效果雖比新廠略小一些，但至少也能獲得20%的節(jié)能效益。因此，夾點技術的節(jié)能與降資效用確實值得引起相關行業(yè)的重視。

首先，可在原有基礎上適當加裝一定數量的換熱器，這樣可防止公用工程能量同時消耗造成能量回收利用率下降；其次，可根據CO變換工段中產生的夾點溫度將其分為兩個溫度不等的時段，并在低溫段向放熱裝置汲取熱量，從而實現(xiàn)良性循環(huán)；最后，應規(guī)范換熱網絡位置，比如在加裝換熱器時，應對原有裝置的擺放位置加以調整，并對甲醇生產工藝中CO變換工段中化學反應所產生的熱量進行回收，以此為蒸汽預熱等操作提供輔助作用。在CO寬溫耐硫變換工藝中設有變換裝置，為了保證下游工作的順利開展，應結合夾點技術的應用原理對CO含量進行科學設計，使其高于21.5%，且低于22.5%，以便甲醇生產平穩(wěn)進行。另外，還需要適當提取冷熱流股，一般在甲醇生產工藝中CO變換工段換熱網絡中所具備的換熱面積越大，就證明它擁有的改造空間更充足，即具有較大節(jié)能開發(fā)潛力。但在實際情況中，常由于無法制定科學的換熱方案，導致夾點技術在具體應用流程中無法發(fā)揮出真正作用。對此，相關人員應根據不同的流股類型確定流股信息。

4 結論

綜上所述，通過在CO變換工段換熱網絡升級改造中應用夾點技術，可起到節(jié)約能量、降低成本的作用。因此，相關人員需結合夾點技術工作原理進一步規(guī)劃甲醇生產工藝流程，促使夾點技術在能量利用方面達到最佳節(jié)能效果，促使化工企業(yè)在甲醇生產工藝環(huán)節(jié)實現(xiàn)冷熱流相互轉換，由此貼合新時代發(fā)展理念。