节能技术在丙烷脱氢装置上的应用

2015-11-02张宝春

天津化工 2015年5期

关键词：丙烯蒸汽损失

张宝春

（天津渤化石化有限公司，天津300000）

节能技术在丙烷脱氢装置上的应用

张宝春

（天津渤化石化有限公司，天津300000）

介绍了天津渤化石化有限公司年产60万t丙烷脱氢制丙烯装置上实施的节能生产技术，具体有机泵节能、传热节能、蒸馏节能等。实践证明，通过应用节能技术，装置总能耗由原设计的334kgce/t丙烯可降至300kgce/t丙烯以下，投资少、见效快、不影响产品质量，实现了环境效益与经济的统一。

丙烷脱氢；节能技术；优化；应用

我国化工生产的能源浪费严重，大多数化工产品单位能耗都比国外同类产品高出很多。例如，2012年我国乙烯产品综合能耗平均为849.30kgce/t，国外一般为500～550kgce/t、先进水平为440kgce/t。［1］因此，我国化学工业的节能潜力是很大的。

我公司年产60万t丙烷脱氢（PDH）制丙烯装置，引进西比埃鲁姆斯公司（CBILummus）先进技术，装置分为反应单元、产品气压缩和低温回收单元以及产品精制单元三个部分。丙烯产品综合能耗可达300kgce/t以下。下面就节约电力、燃料和蒸汽三个方面为主，介绍节能技术在该装置中的应用。

1　机泵节能

在PDH装置中，流体输送机械的耗电量，占装置耗电量的95%以上，通过各种措施降低机泵等流体输送机械能耗，是降低PDH装置电耗的主要途径。

1.1泵的工作范围及选择

泵的选择直接关系到泵能否安全、可靠、经济运行。每一台泵都有一个最佳的工作范围。在一定转速下，离心泵的扬程、轴功率、效率与流量间的关系可用泵的特性曲线表示。泵的特性曲线上的每一点都对应着一个工况，而泵的最高效率点的工况是泵运行的最理想设计工况。

泵在最高效率点工作在实际运行中会有困难，但是运行的效率也不能偏低太多，因此，每一台泵都规定有一定的工作范围。泵的工作范围以效率下降不大于7%为界限（一般为5%～8%）。

管路性能曲线是表示管路系统中流体的流量与所消耗的压头间的关系，将单位质量的流体从吸入容器输送到压出容器所需能量可表示为：

式中：ha→压出容器与吸入容器之间的高度差；压出容器与吸入容器之间的压头差；

∑hf从吸入容器到压出容器间的沿程与局部阻力损失。

将上式标绘在图上所得的曲线称为管路性能曲线。泵的特性曲线与管路性能曲线的交点就是泵在装置中运行的工作点。该工作点应落在泵的工作范围区内。

泵的选择应根据计算的流量与扬程，利用“离心泵性能表”或利用“离心泵综合性能图（或称型谱）”选择。不论利用哪一种方式选择泵，在具体选择了泵的型号后，应从“水泵样本”中查出该泵的性能曲线，并标绘出系统管路运行性能曲线，复查泵在系统中运行的工况，看泵在流量、扬程变化范围内，是否处在最高效率区附近工作。如果效率变化不是很大，选择就此为止；若偏离最高效率区较大，最好另行选择，否则运行经济性差。

离心泵选择应注意：

一般选择泵时裕量在8%为宜，即实际选择的泵可取：

精心设计、精确计算，选泵时不要单凭经验，这样才能保证泵在最佳效率区工作。虽然计算往往是复杂的，但可以避免常年累月的电能浪费，这样做是值得的。对大多数多级泵应避免流量低于最高效率点流量的20%。

必要时采用大小泵配置的运行形式。

1.2泵的能量损失及改善泵性能的措施

泵的效率是表示泵的能量转换程度的一个重要的经济指标。泵的能量损失包括机械损失、容积损失和水力损失。轴功率减去这三项损失所消耗的功率就是泵的有效功率。为保证泵的高效运行。

密封形式的改进：填料密封是最常用的一种轴封装置，填料密封磨损大，泄漏严重，机械损失功率较大，并需要经常的维修与保养。机械密封比填料密封性能好，泄漏少，使用寿命长，运行可靠。机械密封的机械损失功率为填料密封的10%～15%，所以高温、高压、高速泵的轴封应采用机械密封。目前，PDH装置水泵全部采用机械密封，效果良好。

及时维修、良好保养：由于泵的高速运转、输送流体的腐蚀都会使泄漏量增加。泄漏间隙越大，能量损失也越大，对开式叶轮更为明显。因此，及时维修并更换易损零件、减少间隙对节约能源是有帮助的。

务必使泵在工作范围区运行：泵在设计工况点运行时水力损失为最小。偏离设计流量越大，冲击损失越大，冲击损失大小与流量和设计流量偏离值 Q的平方成正比，要使泵有较高运行效率，其流量不能偏离泵的工作范围流量。

正确的设计可以有效地降低能耗：在充分满足管道柔性的前提下，设计时应使出入口管道最短；去除不必要的管道、弯头、阀门；减少换热器的压降损失；减少流体的流动阻力损失，降低动力消耗。

避免泵内夹带气体：对于离心泵，只要在液体中含有1%～2%的气体，就会降低扬程与流量3%～5%，且会引起泵的振动及其他破坏形式，引起泵效率下降。

节能调节：由于设计规范、泵系列、泵型号等限制，往往所选择的泵的流量或扬程过高，在运行中需对泵的工况点进行调节，以满足实际流量与扬程的需要。调速法和切割叶轮法与节流调节相比可节约能源40%～50%，但目前国内泵运行系统仍普遍采用节流调节法，能耗较大。对相同的流量变化，入口节流调节其附加节流阻力损失小于出口节流损失，但入口调节容易使泵产生气蚀现象，因此在水泵中不宜采用，一般只在压缩机或风机中采用。

例1，PDH装置锅炉给水泵（GA-1731A/B/S）设计选型 Q＝200m3/h，H＝580m，配电机 P＝500kW。出厂前性能测试扬程高达668m，经切割叶轮将扬程降至580m，轴功率由481kW降至436kW，年节电近72万度。

例2，PDH装置所有动力式压缩机组皆采用入口流量调节。如2套再生空气压缩机组GB-1101A/B：流量750t/h，出口压力0.138MPaG，轴功率17909kW@－18℃/22375kW@39.4℃，SGT-700燃气轮机驱动。空压机入口和燃气轮机压气机1、2级都设有IGV调节。

节能控制：对系统负荷要求发生变化较大的机泵，采用大小泵配置的运行方式，启动相适应流量的泵（台数），如PDH装置的空压机、DMW泵、FW泵等，2015年运行小空压机较以前节电700kW。工艺流程优化节电

PDH装置干燥床、脱硫床的再生原设计采用天然气循环，需设一台再生天然气压缩机连续运行。压缩机入口流量25t/h，进出口压差0.511MPa，轴功率1406kW。现将再生介质改为气相丙烷，用后作为反应器进料进行脱氢反应，改造后省去了该压缩机年可节电1000万度以上。

2　燃料和蒸汽

2.1进料加热炉燃料

该炉在设计时就充分考虑热量回收和强化传热措施，热效率达90%以上。它由对流段水平布置的BFW预热盘管、气相丙烷预热盘管和辐射段垂直布置的气相丙烷加热管组成，对流段炉管全部为翅片管，并设有在线吹灰设施。另外，燃烧器设计成既可使用气体燃料（天然气或脱氢尾气），又可使用液体燃料（C4+）。因此，PDH生产过程的轻、重组分皆可作为燃料，不足的才补充天然气。

2.2燃机用天然气

PDH装置再生空气压缩机由2台SGT-700燃机驱动。设计空气流量2X750t/h，天然气用量冬季7t/ h夏季10t/h。一方面，随季节、昼夜环境温度变化，空压机、燃机压气机都设有IGV进行入口节流调节；另一方面，燃机入口设有精密空气过滤器，使机器长期高效运行。燃机排气依次经过余热锅炉的蒸汽过热盘管、蒸汽发生盘管、BFW预热盘管和蒸汽轮机凝水预热盘管，排烟温度123℃。

2.3传热节能

换热设备是化工生产正常运行不可缺少的设备，传热过程也是化工生产中最常见的单元操作。蒸汽热能是化工生产的主要能源，其消耗量要超过电能。

2.3.1传热过程的有效能损失

在化工生产中，往往过程在某一较高温度下进行，而原料液及产品均为常温，因此原料液必须被加热，而产品却需要冷却，为节约能源，应当进行换热。能量的价值决定于所含的有效能的多少，有效能的利用与损耗是评定换热过程经济性的重要指标。

对稳定传热过程，传热速率为Q，则：

传热过程的有效能损失为：

传热过程的有效能效率为：

上式表明：

换热过程有效能损失愈大，有效能效率就愈低，能量的降级也愈大。例如温度为Th=300℃热流，如环境温度T0=15℃，当冷流为Tc=270℃（从250℃预热到290℃）的油品时，有效能损失为5.6%，换热回收有效能效率为94.4%。当冷流为25℃的空气时，有效能损失达93.2%，有效能效率仅6.8%。

传热过程的能量损失来自于传热温差，温差愈大，有效能损失愈大，在节能上愈有潜力。

设备热损失所引起的有效能损失不仅取决于散热量，而且与其温度有关，温度越远离常温，有效能损失越大。这反映了保温工作的重要性。

随着节能工作的深入，传热温差将减少。传热温差的减少，使管壳式换热器的热应力减小，从而使固定管板式换热器有更大的使用范围。另外，传热温差的减小，有利于减轻污垢。但传热温差的减小，必然会降低传热速率，若要改善换热器的经济性，就必须提高总传热系数。

2.3.2传热方程与节能

稳定传热过程可用传热速率方程表示：Q=KA

tm。由方程可知，提高传热速率有三种途径，即：提高传热系数，增大换热面积，增大传热平均温差。

提高传热系数：在换热面积和传热温差给定的情况下，提高传热系数是强化传热的重要途径，也是增大换热量的唯一方法。对洁净的换热器，要增大传热系数，就必须增大管壁两侧的传热膜系数，尤其是提高换热差一侧的传热膜系数。

增大换热面积：扩展传热面积是强化传热量的有效途径，采用各种翅片管、螺纹管等是提高单位体积内换热面积的有效方法。

增大传热平均温差：在换热器中冷热流体一般作逆向流动，其传热平均温差最大。但在化工生产中，冷热流体的种类和温度往往由生产要求而定。

2.3.3传热节能的强化途径

工艺改进，提高热能的利用率。蒸发和蒸馏都是耗能很大的化工过程，为了减少蒸发与蒸馏过程的热能消耗，应在尽可能条件下采用多效蒸发和多效蒸馏，以充分利用热量。多效蒸馏即利用一个塔的塔顶蒸汽潜热作为另一个塔塔底再沸器的热源。在PDH装置中，产品分离塔就是利用产品气压缩机、丙烯制冷压缩机两台蒸汽透平的排气（246t/ h@86℃）冷凝以及丙烯制冷压缩机出口热丙烯（180t/h@101℃）冷凝提供热源。246t/h@83℃冷凝水经燃气轮机排气余热锅炉预热至102℃后进入除氧器作为锅炉给水。因塔顶冷凝器采用空冷，夏季丙烯机出口热丙烯将不能用塔底丙烷汽化来冷凝，塔底所缺少的热量由蒸汽满足（加至表冷器）。脱乙烷塔塔底热源也全部来自丙烯制冷压缩机三段出口115t/h@32℃丙烯冷凝提供。

充分回收低位热能：化工企业所消耗的总热能80%左右最终以低品位热能形式向环境排放，造成能量的严重损失，因此，有效地利用低位热能是提高能源利用率的重要途径。在PDH装置中，低位余热利用主要有以下几种类型：

蒸馏过程可以充分利用塔顶或塔侧产品的潜热或显热及塔底产品的显热来预热（冷）物料。例如：用脱乙烷塔塔底15℃物料先后经欲冷冻的丙烯产品、冷箱中的热物料回收冷量后作为产品分离塔进料。

烟气余热回收。PDH装置利用一台大型板换回收烟气热量（280℃降至154℃），将1364t/h再生空气由60℃加热至194℃。

回收蒸汽凝水的热量：将锅炉排污近10t/h热水闪蒸出微正压蒸汽至除氧器用于加热锅炉给水。

化学反应热的充分利用：反应器催化剂再生烧焦产生的热量直接用于加热床层；反应器内安装1/4床层的HGM（Heat Generation Material），反应过程（氢气还原HGM）和再生过程（空气氧化HGM）都是放热反应，给丙烷脱氢反应提供热量。

减少热量传输过程的热损失：加强对设备及管道的保温管理，改进保温材料，提高保温效果，尽量减少设备和管道的热损失。比如，一根1m长裸露的4″蒸汽管道，每小时将冷凝2～5kg的蒸汽，每年将要多消耗1～2t煤。对冷冻管道及设备也要注意保冷，保冷的绝缘层要保持干燥，避免湿气进入，以影响保冷效果。

建立设备维修制度，定期对换热设备进行清洗、检修，去除污垢、杂质。

加强对疏水器的维修与管理。对蒸汽漏损严重的老式疏水器应予以淘汰更换。

提高传热系数，强化传热。例如，PDH装置选用了8台螺旋折流板换热器来强化传热。

2.4节能技术在蒸馏操作中的应用

蒸馏操作能源消耗高，但热效率很低，精馏系统的能源95%被塔顶冷凝器的冷却水/空气所带走，能源利用率仅5%。蒸馏系统可以采取的节能措施有：

热量的充分回收利用。在蒸馏操作中，塔顶蒸汽的余热、塔釜产品的热物料流及再沸器为蒸汽冷凝水所带走的余热数量相当可观。在PDH装置中，有多处利用塔顶产品的潜热或显热及塔底产品的显热来预热（冷）物料。