田濤　曹博雅

在化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)體系當(dāng)中，烯烴是一種極為重要的基礎(chǔ)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(yīng)中不僅要應(yīng)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(yīng)用。因此，本文系統(tǒng)介紹煤制烯烴項(xiàng)目中的烯烴分離技術(shù)和能源消耗計(jì)算方法，結(jié)合當(dāng)前技術(shù)應(yīng)用的不足，詳細(xì)分析如何在具體實(shí)操過程當(dāng)中落實(shí)節(jié)能減排目標(biāo)。

節(jié)能減排?煤制烯烴?烯烴分離?能源消耗

當(dāng)前基礎(chǔ)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(shù)手段方面有了極大的提升，特別是在利用煤炭進(jìn)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(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，為實(shí)現(xiàn)偉大的碳中和目標(biāo)邁出了重要一步。在進(jìn)行煤制烯烴的物質(zhì)分離過程當(dāng)中，我國已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了自主研究設(shè)備的投產(chǎn)和使用，特別是在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和裝置提升的發(fā)展進(jìn)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(shù)的迭代更新和適用范圍。

煤制烯烴的反應(yīng)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(xué)反應(yīng)，反應(yīng)物當(dāng)中包含了烯類和烴類的混合物質(zhì)，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(yīng)用。目前我國所運(yùn)用的烯烴分離裝置是自主研發(fā)的MTO設(shè)備，其運(yùn)行原理是將煤的汽化反應(yīng)混合物進(jìn)行壓縮、清洗和分離，特別是其中的氣相和液相的烯烴物質(zhì)能夠得到更為純凈的處理，精度達(dá)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(shí)還需要送入氫氣對乙炔氣體進(jìn)行還原，更重的C4物質(zhì)經(jīng)過冷卻處理后會(huì)收集到對應(yīng)的汽化罐中，從而完成整個(gè)煤制烯烴過程的有效分離。

我國的煤制烯烴年產(chǎn)量可達(dá)1672萬t，在整個(gè)生產(chǎn)過程當(dāng)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(shí)現(xiàn)碳中和的遠(yuǎn)景目標(biāo)，在烯烴生產(chǎn)與分離的使用化工技術(shù)當(dāng)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(jì)算和優(yōu)化。在煤制烯烴和烯烴分離的技術(shù)應(yīng)用過程當(dāng)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(zhì)等應(yīng)用，是一項(xiàng)實(shí)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(shí)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(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)煤，用量大約可達(dá)4000kg/t，較其他基礎(chǔ)的石油化工產(chǎn)業(yè)而言能耗偏高，必須要著重關(guān)注應(yīng)用設(shè)備、生產(chǎn)分離流程等多方面的技術(shù)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(shù)為純自主研發(fā)，在實(shí)踐應(yīng)用和裝置設(shè)計(jì)方面存在著一定的不足，會(huì)對最終制造和分離出的烯烴物質(zhì)的純度和質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響，反應(yīng)過程當(dāng)中的能源消耗量也較大。在整個(gè)分離過程當(dāng)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(zhì)的化學(xué)特性來科學(xué)排布分離流程，并適當(dāng)增加氫氣、丙烷等來促進(jìn)反應(yīng)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(zhì)的吸收不充分可能會(huì)導(dǎo)致一些雜質(zhì)析出、油性物質(zhì)堵塞等問題的出現(xiàn)，對于實(shí)現(xiàn)更為純凈的烯烴分離會(huì)產(chǎn)生一些不利影響，甚至?xí)斐擅褐葡N和分離設(shè)備的停運(yùn)問題，必須要對其進(jìn)行優(yōu)化改造，更好地實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的節(jié)能減耗和產(chǎn)品質(zhì)量的提升。

4.1堿洗塔的優(yōu)化

在實(shí)現(xiàn)烯烴分離的過程當(dāng)中，會(huì)產(chǎn)生一定的酸性氣體，容易對分離設(shè)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(shí)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(zhì)的過程中會(huì)大量地生成碳酸氫鈉溶液，一旦其濃度控制不到位會(huì)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(fù)面影響。在對烯烴分離裝置進(jìn)行優(yōu)化處理的過程當(dāng)中，技術(shù)人員設(shè)計(jì)了不同濃度的堿性溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，在模擬實(shí)驗(yàn)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(yīng)方面表現(xiàn)更優(yōu)，濃度過高時(shí)盡管能夠達(dá)到較好的氣體吸收效果，但更容易和氣體當(dāng)中的氧化物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成油狀生成物，對最終的排液產(chǎn)生了污染，不利于實(shí)現(xiàn)烯烴分離應(yīng)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(dāng)中，應(yīng)用了丙烷來代替丙烯，更好地實(shí)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(yīng)用優(yōu)化主要是針對烯烴物質(zhì)的分離和裂解的不同反應(yīng)過程，由于其反應(yīng)物、原理等方面更為相似，不需要重復(fù)建立兩個(gè)脫丙烷塔來實(shí)現(xiàn)烯烴生產(chǎn)，可以考慮將二者合一，取消塔頂?shù)睦淠鳌⑺妆玫攘慵?，而是利用了烯烴裂解過程當(dāng)中的氣縮機(jī)，將氣液混合物制通入到分離過程當(dāng)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(zhuǎn)換過程當(dāng)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(dāng)中，技術(shù)人員需要將連接口位置的氣液管道尺寸直徑進(jìn)行擴(kuò)增，并根據(jù)實(shí)際反應(yīng)的需求對重沸器的功率和規(guī)格進(jìn)行合理調(diào)整，更好地實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)過程當(dāng)中的節(jié)能優(yōu)化，在生產(chǎn)企業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)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(shí)主要是以液相狀態(tài)進(jìn)入到塔內(nèi)形成脫離，但在這個(gè)過程當(dāng)中仍然會(huì)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(shí)際產(chǎn)量。技術(shù)人員在對分離裝置進(jìn)行改造和優(yōu)化的過程當(dāng)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(huì)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(dāng)中，還可考慮在進(jìn)行氣象混合物料的排除和壓縮處理過程當(dāng)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(shí)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(shè)計(jì)當(dāng)中，不同的循環(huán)流程對應(yīng)于不同的分離處理環(huán)節(jié)，技術(shù)人員在予以優(yōu)化時(shí)要充分考慮到分離物質(zhì)的氣相、液相特征和反應(yīng)環(huán)境溫度控制等條件實(shí)現(xiàn)更有針對性的調(diào)整。

4.4廢水環(huán)保處理

在整個(gè)烯烴分離處理的過程當(dāng)中，需要運(yùn)用到水洗的方式對氣體進(jìn)行凈化吸收，而由于對于氣流速度控制的不當(dāng)和反應(yīng)環(huán)境溫度過高等影響，一些凈水會(huì)伴隨著氣流進(jìn)入到后續(xù)的反應(yīng)塔內(nèi)，特別是在堿洗塔的反應(yīng)環(huán)節(jié)當(dāng)中，由于吸收了這些凈水會(huì)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(shí)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(huì)導(dǎo)致一些氧化物質(zhì)的處理不完全，以及與堿性液體反應(yīng)形成的油性物質(zhì)容易產(chǎn)生管道堵塞問題。基于環(huán)保優(yōu)化的目的，技術(shù)人員可在水洗反應(yīng)環(huán)節(jié)的末端增除沫網(wǎng)，在水洗循環(huán)的過程當(dāng)中，可以實(shí)現(xiàn)向凈水內(nèi)進(jìn)行透平凝液補(bǔ)充的目的，有效提升了凈水的質(zhì)量和水體循環(huán)效用，對于后續(xù)的堿洗塔和其他反應(yīng)環(huán)節(jié)也不會(huì)產(chǎn)生質(zhì)量影響。

4.5蒸汽凝液回收

在烯烴分離裝置當(dāng)中，為實(shí)現(xiàn)氣相和液相的有效轉(zhuǎn)換，需要使用一定的冷凝裝置來促進(jìn)反應(yīng)完成，常規(guī)的冷凝主要是依靠蒸汽的循環(huán)來實(shí)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(yīng)過程當(dāng)中對水資源的浪費(fèi)，技術(shù)人員將冷卻塔內(nèi)水蒸氣凝液進(jìn)行了回收再利用，將水冷卻塔內(nèi)的蒸汽利用導(dǎo)管實(shí)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(yīng)，也可作為二次循環(huán)的液體補(bǔ)充。在某生產(chǎn)場地內(nèi)利用了該項(xiàng)蒸汽凝液的回收技術(shù)，每年節(jié)約的能耗總量換算為標(biāo)準(zhǔn)煤可達(dá)1900t，更好地為實(shí)現(xiàn)碳中和發(fā)展形成助力。

4.6多余單元調(diào)整

在傳統(tǒng)的煤制烯烴和分離設(shè)備的應(yīng)用過程當(dāng)中會(huì)涉及大量的多余單元，需要進(jìn)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(dāng)中的能源消耗。首先，在甲烷分離處理的過程當(dāng)中需要使用到冷循環(huán)設(shè)備將其中的油性物質(zhì)進(jìn)行吸收處理，但從生產(chǎn)實(shí)踐來看，冷循環(huán)泵長時(shí)間地持續(xù)運(yùn)行需要消耗大量的電力資源，且技術(shù)人員通過增加吸收油的循環(huán)口高差也可以達(dá)到類似的冷處理效果，通過對其進(jìn)行簡化處理更好地實(shí)現(xiàn)了電能節(jié)約。其次，在煤制烯烴的反應(yīng)過程當(dāng)中，由于氫氣供應(yīng)不充分可能會(huì)生成乙炔氣體造成乙烯不純的現(xiàn)象，利用加氫反應(yīng)裝置可以進(jìn)一步促進(jìn)乙炔向乙烯的反應(yīng)完全度。經(jīng)過技術(shù)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(yīng)時(shí)以缺的實(shí)際產(chǎn)量較為有限，請通過溫度的合理調(diào)控能夠使乙烯的純度達(dá)到生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，加氫反應(yīng)裝置的實(shí)際利用率較低且每臺設(shè)備的使用年限僅為6個(gè)月，不符合環(huán)保節(jié)能的發(fā)展目標(biāo)。最后，綠油即乙炔分子的低聚合物質(zhì)，通過在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)計(jì)溫度感應(yīng)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(huì)擴(kuò)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(gè)多余單元的優(yōu)化和調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)能耗節(jié)約達(dá)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(yīng)原理來看，對于碳原子的利用率會(huì)直接影響最終的產(chǎn)量和分離質(zhì)量，為更好地達(dá)到節(jié)能減排的生產(chǎn)目標(biāo)，提升對于碳的捕捉和再利用也成為了技術(shù)人員工作的重點(diǎn)內(nèi)容之一。在煤制烯烴的反應(yīng)過程當(dāng)中，需要向其通入氫氣促進(jìn)碳原子和氫原子的結(jié)合反應(yīng)，但在燃燒過程當(dāng)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(yīng)過程是利用了堿洗塔將二氧化碳吸收，降低了碳原子的實(shí)際利用率。通過CCS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了二氧化碳捕捉可以更好地促進(jìn)煤制烯烴反應(yīng)的充分度，并利用這些二氧化碳?xì)怏w和冷凝過程當(dāng)中的氮?dú)獾冗M(jìn)行有效置換，進(jìn)一步提升了反應(yīng)過程當(dāng)中的碳?xì)浔壤垢嗟脑耗軌虺浞洲D(zhuǎn)化為烯烴產(chǎn)品，并降低了制備和分離過程當(dāng)中產(chǎn)生的二氧化碳尾氣。

4.8加強(qiáng)塔釜溫控

由于烯烴分離裝置的反應(yīng)環(huán)節(jié)較多、設(shè)備運(yùn)行精細(xì)度要求較高，特別是在塔釜內(nèi)部的反應(yīng)溫度控制必須要精細(xì)化處理，否則會(huì)對最終的烯烴生成物質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響，還容易因?yàn)槌瑴睾统瑝涸斐煞磻?yīng)塔釜的停運(yùn)，烯烴生成物在長導(dǎo)管內(nèi)進(jìn)行傳輸和分離時(shí)容易因?yàn)槭芾淠Y(jié)而造成后續(xù)分離裝置的連鎖停機(jī)問題。技術(shù)人員在對系統(tǒng)進(jìn)行溫度控制時(shí)需要利用溫度傳感設(shè)備輔助觀察設(shè)備內(nèi)的實(shí)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(jìn)行調(diào)控，強(qiáng)化鍋爐和冷凝裝置的實(shí)際作用，更好地促進(jìn)煤制烯烴的有效分離。

4.9氮?dú)夂績?yōu)化

在整個(gè)煤制烯烴和分離處理的過程當(dāng)中，需要使用到氮?dú)庾鳛闅怏w壓縮制冷的原材料，但其含量過高時(shí)會(huì)出現(xiàn)逸散和丙烯氣體相互混合，在壓縮機(jī)運(yùn)行的過程當(dāng)中，氣體出口處的溫度會(huì)急劇上升，對于實(shí)際的壓縮制冷效果會(huì)產(chǎn)生不利影響，還可能會(huì)引發(fā)系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備損壞，許多丙烯氣體也會(huì)伴隨著氮?dú)庀蛲馀懦鰧?dǎo)致碳元素的浪費(fèi)和損耗。技術(shù)人員可考慮在壓縮罐內(nèi)利用新氣體去置換原有的氮?dú)猓诰s塔的反應(yīng)過程內(nèi)提前進(jìn)行，避免氣體出口處的升溫問題造成其他連鎖反應(yīng)，在氣體壓縮機(jī)運(yùn)行保持平穩(wěn)后再灌入丙烯液體從而實(shí)現(xiàn)更為完全的烯烴分離反應(yīng)。

4.10鍋爐節(jié)能改造

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

煤制烯烴和烯烴分離技術(shù)在我國的基礎(chǔ)石油化工產(chǎn)業(yè)當(dāng)中發(fā)展較為成熟，并在進(jìn)一步升級革新的過程中落實(shí)了節(jié)能減排的目標(biāo)，有效提升了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。在球罐和堿洗塔的優(yōu)化過程當(dāng)中要注意氣壓的平衡和堿液濃度的控制，結(jié)合具體的煤制烯烴生產(chǎn)量來計(jì)算確定，嚴(yán)格控制分離技術(shù)當(dāng)中的能源消耗問題。在烯烴分離過程當(dāng)中，產(chǎn)生的各類廢水和蒸汽凝液可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行回收處理，使生產(chǎn)過程當(dāng)中鍋爐內(nèi)部的水循環(huán)量能夠?qū)崿F(xiàn)含氧量的有效控制。在鍋爐的節(jié)能改造當(dāng)中主要是利用了涂層優(yōu)化來提升煤炭熱值，強(qiáng)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?yàn)槊褐葡N、MTO、烯烴分離。