精对苯二甲酸装置能耗计算及分析

汪 英 枝

(中国昆仑工程公司，北京 100037)

精对苯二甲酸装置能耗计算及分析

汪 英 枝

(中国昆仑工程公司，北京 100037)

根据GB31533—2015《精对苯二甲酸单位产品能源消耗限额》的规定，确定了精对苯二甲酸(PTA)装置界区的划分及用能分布，比较了不同规模PTA装置的能耗及技术先进性，同时指出，项目的能耗分析还应对比同行业或同类技术的能耗。以1 000 kt/a PTA装置“四合一”工艺空压机组为例，进行能耗和做功能力计算及分析，空压机组对装置外输出电量约为8 220 kW，折合单位产品节能65.8 kW，节能效果显著；单位产品能耗计算同时还应考虑物料消耗。

精对苯二甲酸 装置能耗 折标系数 能量平衡 当量值 等价值

近年来，国家有关部门通过制定新的能耗限额标准，倒逼产业转型升级。以精对苯二甲酸(PTA)产业链为例，2015年5月15日国家发布标准GB31533—2015《精对苯二甲酸单位产品能源消耗限额》和GB31534—2015《对二甲苯单位产品能源消耗限额》，并于2016年6月1日实施；《聚酯涤纶单位产品能源消耗限额》标准也已上报送审稿。新标准(GB31533—2015)要求现有企业PTA单位产品能耗限定值为不大于5 852 MJ，新建或改扩建装置准入值为不大于2 779.7 MJ，先进值为2 340.8 MJ。

多年来，在PTA产业链规划项目的环境影响报告、项目申请报告、节能评估报告的评估过程中，有关方面对装置的能耗及技术先进性的评价往往存在分歧。作者以PTA项目节能评估报告编制和评审中的难点，PTA装置最大能耗单元工艺空压机组的能耗及做功能力计算为例，解读对标准GB31533—2015的理解和使用，指出计算时的注意事项，并以此为借鉴，用于石化行业其他装置或其他行业的能耗计算和对比。

1 PTA工程用能分布及能耗情况

1.1 PTA装置组成及用能分布

PTA工程包括生产系统(PTA装置)、辅助生产系统(公用工程及公用设施)，以及附属生产系统。生产系统由氧化工段和精制工段组成。氧化工段包括空气压缩、氧化反应、对苯二甲酸(TA)结晶、TA固体分离、TA干燥及中间贮存、废气处理和溶剂回收等单元。精制工段包括浆料调配、PTA加氢精制和结晶、固体分离、PTA干燥和产品风送及贮存等单元。辅助生产系统包括热电联产装置(锅炉房)、综合给水站、循环水站、海水泵站(如果有)、空压站和污水处理站等。附属生产系统包括中央控制室、中心化验室、原料罐区、成品库、辅料仓库、制氢装置等。PTA工程各装置能量关联见图1。

图1 PTA工艺各装置能量关联示意Fig.1 Energy connection diagram of PTA project1—综合给水站；2—热电联产装置；3—附属装置及配套公用工程；4—PTA生产装置；5—污水处理厂

1.2 不同规模PTA装置能耗

由表1可知，随着PTA装置规模扩大，技术优化，PTA装置能耗显著下降，百万吨级以上PTA装置单位产品能耗在2 926 MJ以下。

表1 不同规模PTA装置能耗

注：能耗计算中，因电力折算取当量值或等价值，计算范围按照装置或全厂，其结果会有所差异。

2 综合能耗计算折标系数分析

2.1 不同标准的折标系数

近年来，国家有关部门对拟建PTA工程《项目申报报告》和《节能评估报告》的评审通常要求分别按GB/T 50441—2007《石油化工设计能耗计算》和GB/T 2589—2008《综合能耗计算通则》的折标系数计算装置及全厂的单位产品综合能耗。比较PTA技术的先进性时，通常采用装置的综合能耗；比较万元工业总产值或万元工业增加值的能耗等宏观经济指标时，则采用全厂的综合能耗。在以往工作中，石化行业大多采用GB/T 50441—2007的折标系数，其他行业多采用GB/T 2589—2008的折标系数。前者数据较全，往往作为后者折标系数的补充。

需特别指出的是，GB/T 2589—2008中，电力折算当量值为3.60 MJ(折合2.52 MJ/kW·h)，电力折算等价值要求按当年火力发电标准煤耗计算。GB/T 50441—2007中电力折算值为7.6 MJ/kW·h，该折算值实为2005年的等价值，约为当量值的3倍。两个标准的差别对综合能耗的计算结果影响较大。电力折算等价值每年有所不同，根据国家电力部门公告，2011—2015年电力折算等价值分别为9.66，9.54，9.39，9.35,9.25 MJ/kW·h。但是，近年在制定对二甲苯(PX)、PTA及乙二醇(EG)等单位产品能源消耗限额国标时，国家发改委有关部门要求电力折算系数统一用当量值。随着节能减排工作的深入，PTA装置污水处理排放标准不断提高，污水处理能耗也显著增大。GB/T 50441—2007规定，处理每吨污水的能耗折算值为32.19 MJ。

2.2 GB 31533—2015的正确理解和使用

GB 31533—2015限定了现有PTA生产企业单位产品能耗不大于5 852 MJ，新建或改扩建企业单位产品能耗不大于2 779.7 MJ，企业单位产品能耗先进值不大于2 340.8 MJ，企业“PTA单位产品综合能耗”应为全厂能耗[2]；标准中5.1条统计范围包括生产系统、辅助生产系统、附属生产系统，即图1中主生产装置、辅助生产装置、公用工程及公用设施[2]。

近几年来，在PTA装置项目评审、能耗对比、技术先进性比较过程中，时常出现PTA专利商或企业能耗低报情况，主要原因有：(1)能耗计算时折标系数取值不统一，将GB/T 50441—2007中等价值和GB/T 2589—2008中的当量值混在一起，计算错误；(2)能耗计算“界区”范围缩小；(3)主要设备配置不同，如工艺空气压缩机组，采用“四合一”机组或“三合一”机组。界区如果划分为主生产装置，“四合一”机组的装置就比“三合一”机组的装置综合能耗低。

3 PTA装置典型用能设备能耗计算

项目节能评估包括工艺流程及技术方案、主要用能工艺及工序和主要耗能设备等[3]。这里以PTA装置的最大耗能设备”四合一“工艺空压机组为例，进行典型设备的能耗计算。

“四合一”工艺空压机组包括空气压缩机、蒸汽轮机、尾气膨胀机和电动机/发电机四部分。空压机向反应器提供反应用空气，蒸汽轮机作为主驱动，利用装置副产低压蒸汽，尾气膨胀机作为辅助驱动，利用氧化尾气。开车时，利用电动机驱动，正常生产时，作为发电机，外供电力。1 000 kt/a PTA装置工艺空压机组配置见图2。

图2 1 000 kt/a PTA装置工艺空压机组配置示意Fig.2 Air compressor assembly diagram of 1000 kt/a PTA plant1—汽轮机；2—压缩机；3—电动机/发电机；4—尾气膨胀机

1 000 kt/a PTA装置工艺空压机组能耗计算如下：

(1)空压机排气量及排出压力

以中温中压反应工艺为例，若反应器顶部排出尾气压力(Pi1)1.13MPa，管路及调节阀压降(Pi2)0.05MPa，反应器液柱压力(Pi3)0.08MPa，反应器顶部冷凝系统压降(Pi4)0.1MPa，则空压机排出压力(P)为1.36MPa。

P=Pi1+Pi2+Pi3+Pi4

(1)

(2)空压机消耗功率(N1)

与空压机厂商沟通，估算N1，也可由设备厂家估计。本例N1为450kW(包括润滑油泵、事故油泵、油箱加热器、冷凝水泵、电动盘车等)。

(3)汽轮机用能

确定来自氧化反应器顶部冷凝器系统副产的低压、超低压蒸汽等级(工艺技术不同，副产蒸汽等级和数量不同[4])。

本例取3种等级计算，其蒸汽量合计为366.1t/h，蒸汽焓值(Q)合计为993 315MJ/kg，如表2、表3所示。

表2 氧化反应器副产蒸汽性能

表3 Q的计算数据

循环冷却水用量估算：

空压机组循环冷却水的温差(∆t)取值较大(10.0 ℃)，则冷却水消耗较少，但冷凝器面积大，投资较高；反之，∆t取值较小(6.0 ℃)，则冷却水消耗较大，但冷凝器面积小，投资较低。

综合考虑，一般∆t取值7.0～7.5℃为宜。设从汽轮机冷凝器排出蒸汽凝液温度为50 ℃，∆t取7.3 ℃，则凝液的焓值为76 663MJ/h，冷却器换热量为791 337MJ/h，冷却水消耗量为25 900m3/h。

汽轮机用能即其做功能力(N2)估算：

N2=(Q-MW)×860

(2)

式中：M为50 ℃时蒸汽总焓值(由压缩机厂商提供)；W为蒸汽总量。

经计算，汽轮机功率N2约为34 500kW。

(4)尾气膨胀机做功能力(N3)

若进入尾气透平的尾气量271.8t/h，温度175 ℃，压力1.0MPa，膨胀机为二级膨胀，级间采用3.5S蒸汽加热尾气，尾气排出温度40 ℃，所需蒸汽5.8t/h，则N3为14 320kW。N3取值可以向膨胀机厂家提工艺要求，由厂家估算；如没有物料平衡数据，也可采用类比法估算。

(5)压缩机功率(N4)

根据工艺要求，氧化反应尾气氧的体积分数取3.5%，空压机进气温度38 ℃(设计点)，进气压力(P1)0.099 1MPa，进口相对湿度95%(设计点)，排出温度102 ℃。

根据工艺物料平衡确定空压机排气量，其中干基382 462kg/h，湿基390 262kg/h，含水7 800kg/h；空压机进气量干基397 762kg/h，级间排出凝液7 500kg/h。可计算出空压机进气体积流量(V1)为5 798m3/min。则：

(3)

式中：r1为压缩比；K为绝热系数。

经计算，N4约为36 600kW。

(6)PTA装置用电功率(N5)

由于PTA工艺技术路线不同，N5数据相差较大。选取工艺空压机组的功率为450kW，循环氮气增压机的功率为480kW，RPF循环氮气系统功率为185kW，空冷器功率为650kW，干燥机(包括风机及电机)功率为550kW，泵类功率为1 500kW，母液超滤系统功率为500kW，则N5为4 315kW。

(7)空压机组对外输出功率

空压机组做功能力来自汽轮机和尾气膨胀机，二者做功能力合计48 820kW。而根据PTA装置工艺流程，N5约为4 000kW，则空压机组对装置外输出电量约为8 220kW，折合单位产品节能65.8kW，节能效果非常显著。

上述工艺空压机组物料和能量平衡汇总于图3。作为原料用途的能源不计入综合能源消耗量[5]，但要计入综合能源消费量，如原料重油、氢气等。

图3 1 000 kt/a PTA装置工艺空压机组物料和能量平衡示意Fig.3 Feedstock and energy balance of air compressors of 1 000 kt/a PTA plant1—电动机/发电机(12 220 kW)；2—压缩机(～36 600 kW)；3—汽轮机(34 500 kW)；4—膨胀机(14 320 kW)

4 结论

a. GB31533—2015规定的PTA单位产品能耗限额值和准入值为强制性条款，先进值为非强制性条款，企业应加大监督管理。

b. PTA单位产品能耗折标系数主要按照GB31533—2015计算，如需要，也可参考GB/T 2589—2008和GB/T 50441—2007。

c. 单位产品能耗计算要同时考虑物料消耗，不能为了降低能耗而舍弃物耗。现有装置节能减排升级改造，还要考虑框架结构、施工安装是否可行，以及投资成本和回收期等。

[1] 汪英枝.精对苯二甲酸项目的节能评估及建议[J]. 合成纤维工业,2015,38(3):44-47.

Wang Yingzhi. Energy conservation estimation and suggestion on purified terephthalic acid project[J].Chin Syn Fiber Ind, 2015,38(3):44-47.

[2] GB31533—2015,精对苯二甲酸单位产品能源消耗限额[S].

GB31533—2015,Norm of energy consumption of purified terephthalic acid per unit product[S].

[3] 谢极,徐志强,陆新明,等. 固定资产投资项目节能评估和审查工作指南[S].

Xie Ji, Xu Zhiqiang, Lu Xinming,et al.Guide of assessment/examination on energy conservation work of capital projects in fixed assets[S].

[4] 姚玉英,黄凤廉,陈常贵,等.化工原理[M].天津:天津科学技术出版社,2004:336-349.

Yao Yuying, Huang Fenglian,Chen Changgui, et al. Principle of chemical engineering[M].Tianjin: Tianjin Sci & Tech Press,2004:336-349.

[5] 国家节能中心.固定资产投资项目节能评估和审查工作手册[S].

National Energy Conservation Center. Manual of assessment/examination on energy conservation work of capital projects in fixed assets[S].

Energy consumption calculation and analysis of purified terephthalic acid plant

Wang Yingzhi

(ChinaKunlunContracting&EngineeringCorporation,Beijing100037)

The battery limit and distribution of energy consumers of purified terephthalic acid plant (PTA) were specified according to GB31553-2015 Norm of Energy Consumption of Purified Terephthalic Acid per Unit Product. The energy consumption and technological advancement of various production-scale PTA plants were compared. In addition, it pointed out that the energy consumption of a project should be analyzed against the energy consumptions of the same industries and technologies. The energy consumption and power capability was calculated and analyzed based upon a four-in-one process air compressor unit of a 1 000 kt/a PTA plant as an example. The external output electricity of air compressor unit was about 8 220 kW, converting the energy saving per unit product as 65.8 kW, which indicated the profound energy saving effect. And the calculation of unit product energy consumption should take into consideration the feedstock consumption.

purified terephthalic acid; plant energy consumption; reduced factor; energy balance; eauivalent value; equal value

2016- 08-22； 修改稿收到日期：2016-12-30。

汪英枝(1965—)，女，教授级高级工程师，长期从事石油化工、化纤工程设计、市场咨询和工艺技术、工艺设备研发工作。E-mail：wangyingzhi2003@163.com。

TQ245.1+2

A

1001- 0041(2017)01- 0064- 04