大型煤制乙二醇装置蒸汽梯度利用的研究

2022-09-03李成科韩明珠

煤化工 2022年4期

李成科，赵强，韩明珠

（陕煤集团榆林化学有限责任公司，陕西榆林 719000）

近年来，随着环境问题的日益严峻及“双碳”目标的提出，低碳化发展受到了各方的高度关注。煤炭清洁高效利用、煤制乙二醇的技术升级显得尤为重要。陕煤集团榆林化学有限责任公司（简称榆林化学）成立于2017年12月，其“煤炭分质利用制化工新材料示范工程”是陕煤集团“十三五”期间重点规划建设的大型煤转化项目，其中一期180万t/a煤制乙二醇项目投资约219亿元。为进一步落实国家节能降碳的要求，榆林化学煤制乙二醇项目中使用了灵活的蒸汽等级变换设计，通过对蒸汽管网的合理设计和利用，在保证装置正常运行的情况下，减少了热量损失和蒸汽消耗，降低了煤制乙二醇生产技术成本，进一步达到了CO2减排的目的。

1 煤制乙二醇工艺简介

目前，国际上根据原料不同，将乙二醇生产工艺分为两大类：一类是以石油为原料的石油路线法制乙二醇，优点是工艺成熟稳定、技术门槛低，缺点是水耗多、成本高、能耗大，且国内产能有限[1]；另一类是以煤为原料的煤制乙二醇路线，主要包括直接合成法、煤制烯烃法以及合成气两步法。直接合成法即合成气一步直接合成，其缺点是对催化剂和反应条件的要求极高，选择性低，精制乙二醇难度大，未来一段时间很难实现工业化。煤制烯烃法分为四步，即合成气制甲醇、甲醇制乙烯、乙烯氧化制环氧乙烷、环氧乙烷水合法制乙二醇。煤制烯烃法尽管工艺成熟，但是流程太长，投资较高，用水量较大，不适合陕北地区的环境。合成气两步法是以煤为原料制得合成气CO和H2，经过羰化、加氢两步反应制得乙二醇[2]，目前在我国已经完成大规模工业化应用，榆林化学乙二醇装置采用的就是高化学的两步法技术，其反应方程式见式（1）～（3）：

亚硝酸甲酯（MN）合成：

草酸二甲酯加氢制乙二醇：

总反应式见式（4）：

2 蒸汽等级的变换应用

蒸汽系统是煤制乙二醇装置正常运行的关键系统，正常工况下有效控制蒸汽系统是保障企业稳定运行的关键，异常工况下有效控制蒸汽系统可将企业的损失降到最低。在煤制乙二醇装置中，蒸汽等级分为5个级别，不同级别蒸汽各自消耗量如表1所示。为了保证蒸汽系统安全稳定运行，同时达到操作便捷且节能降耗的目的，榆林化学对蒸汽系统进行了设计升级，在正常工况及异常工况下有效控制蒸汽系统，各等级蒸汽管线之间加设相应设备实现蒸汽等级变换。

表1 各等级蒸汽消耗量

2.1 11.5 MPa高压过热蒸汽的变换

11.5 MPa高压过热蒸汽主要用于DMO合成工段9套CO压缩机组的正常运行。界外的高压过热蒸汽送至界区后分为三组进入CO压缩机组厂房，每组再分三路分别进入9套CO压缩机组。整个装置界区设有放空消音器，在每套CO压缩机组内设置管线，将第二道蒸汽手阀前和速关阀前蒸汽通至同一消音器放空。每套CO压缩机组用气量约42 t/h，9套机组用气量约378 t/h。CO压缩机组为抽汽凝汽式，机组功率6 780 kW，在正常运行期间，高压段做功完成的大量蒸汽经中间级抽出蒸汽管道进入减温减压装置，调至合适温度压力后，并入1.7 MPa低压过热蒸汽管网。低压段做功完成的乏汽进入空冷岛冷凝至热阱并送至凝液管网，不凝汽再经射汽抽气器抽出。抽汽凝汽式CO压缩机组的使用不仅使排气端温度压力降低，提高了机组效率，而且中间级抽出蒸汽管道的使用，在保证汽轮机功率不变的情况下，使过剩的高压蒸汽进入低压过热蒸汽管网，减少了低压过热蒸汽的消耗量。

2.2 4.0 MPa中压过热蒸汽的变换

4.0 MPa中压过热蒸汽主要用于乙二醇（EG）合成工段3套H2压缩机组和1套丙烯冰机的正常运行。界外的中压过热蒸汽送至界区后分三组进入H2压缩机组厂房，中间一组再分一路进入丙烯冰机机组。整个装置界区总管处分出一路经减温减压装置后连接5.5 MPa锅炉给水管线，再并入3.5 MPa中压饱和蒸汽管网。这样的设计既可以将进入界区内的4.0 MPa中压过热蒸汽在过剩的情况下送至3.5 MPa中压饱和蒸汽管网，又可以使3.5 MPa中压饱和蒸汽量不足时通过4.0 MPa中压过热蒸汽减温减压后得到补充。在每套CO压缩机组内设置管线，将第二道蒸汽手阀前和速关阀前蒸汽通至同一消音器放空。每套H2压缩机组用气量约17 t/h，3套机组用气量约51 t/h，1套丙烯冰机机组用气量约20 t/h，整个4.0 MPa中压过热蒸汽用气量约71 t/h。H2压缩机组与EG合成系统采用“两并两串”工艺方案，压缩机、机泵、设备、仪表、阀门和管道数量大大减少，装置占地面积同步减少，蒸汽浪费量也相应减少，蒸汽利用率高。

2.3 3.5 MPa中压饱和蒸汽的变换

3.5 MPa中压饱和蒸汽主要用于EG合成工段6套装置的循环气加热。界外的中压饱和蒸汽送至界区后分别进入6套EG合成装置。整个装置界区设有放空消音器和安全阀，总管处分出一路经调节阀后并入1.7 MPa低压饱和蒸汽管网。在每套EG装置内，3.5 MPa中压饱和蒸汽在与循环气换热后送至冷凝液回收装置，经蒸汽凝液闪蒸罐Ⅰ闪蒸出的蒸汽并入1.7 MPa低压饱和蒸汽管网，闪蒸罐内的液相进入蒸汽凝液闪蒸罐Ⅱ继续闪蒸。这样的设计既可以将进入界区的3.5 MPa中压饱和蒸汽在过剩的情况下送至1.7 MPa低压饱和蒸汽管网，又可以使1.7 MPa低压饱和蒸汽量不足时通过3.5 MPa中压饱和蒸汽调节或闪蒸后得到补充。每套EG合成装置用气量约36 t/h，6套装置用气量约216 t/h。

2.4 1.7 MPa蒸汽的变换

1.7 MPa低压过热蒸汽主要用于全厂压缩机组的轴封及射汽抽气器。界外的低压过热蒸汽送至界区后分别进入13套机组。大部分蒸汽分三路进入三个连接5.5 MPa锅炉给水的减温减压装置后，汇为一路成为1.7 MPa低压饱和蒸汽，整个装置界区总管设有放空消音器和安全阀。1.7 MPa低压饱和蒸汽经管廊进入DMO精馏、碳酸二甲酸（DMC）回收和EG精馏装置内各精馏塔的再沸器，主要用于各精馏塔塔釜物料加热。其在DMO精馏工段的用气量约267 t/h，在DMC回收工段的用气量约31 t/h，在EG精馏工段的用气量约605 t/h，共计903 t/h。另一路1.7 MPa低压饱和蒸汽与蒸汽凝液闪蒸罐Ⅰ的凝液一起进入蒸汽凝液闪蒸罐Ⅱ，闪蒸出的蒸汽并入0.5 MPa低压饱和蒸汽管网，罐内凝液送至脱盐水预热器做除氧处理。

2.5 0.5 MPa低压饱和蒸汽的变换

0.5 MPa低压饱和蒸汽主要用于全厂装置和管线的伴热及低温低压段循环气、脱盐水的预热升温。界外的0.5 MPa低压饱和蒸汽送至界区后分别进入相应的装置和管线，其中对所有管线起伴热作用的0.5 MPa低压饱和蒸汽管线集中设置伴热站和凝液站，部分0.5 MPa低压饱和蒸汽来源于蒸汽凝液闪蒸罐Ⅱ闪蒸出的蒸汽。整个装置0.5 MPa低压饱和蒸汽的用量为284 t/h。0.5 MPa低压饱和蒸汽在换热之后生成的凝液集中收集并入凝液管网。

3 副产蒸汽的综合利用

3.1 乙二醇装置副产蒸汽来源

乙二醇装置副产蒸汽主要来源于3个地方，分别为DMO反应器汽包副产蒸汽、EG精馏废锅副产蒸汽、废气废液焚烧副产蒸汽。在DMO合成工段，携带了DMO合成反应释放热量后的热水进入汽包的低压环境成为副产蒸汽，其中一部分用于DMO合成反应器汽包蒸汽预热器的加热，将循环气初步预热至90℃，另一部分送至新型硝酸还原装置作为伴热热源；9套装置共计回收副产蒸汽量60.561 t/h。在EG精馏工段，考虑到各精馏塔之间的压力和温度差异，将塔顶冷却和塔釜加热相互合理匹配，脱醇塔和乙二醇产品塔塔顶废锅副产低压蒸汽作为甲醇回收塔中间再沸器加热热源，降低乙二醇精馏系统蒸汽和循环水消耗；0.5 MPa低压蒸汽年耗量降低约220万t，循环水年耗量降低约1.1×108m3。废气废液焚烧装置收集的各工段的废气废液均含有大量的甲醇、乙醇、DMC、DMO等有机物，以及燃烧后可释放热量的CO、H2等无机物，设置余热锅炉将废气废液充分燃烧后产生的热量回收，副产的蒸汽经减温减压装置后并入3.5 MPa中压饱和蒸汽管网，其蒸汽量约为120 t/h。

除上述蒸汽来源，还可借鉴寿阳化工乙二醇项目CO压缩机汽轮机组汽封漏气全部回收至气化除氧站作为蒸汽来源的经验来进行技改，这样既减少了蒸汽排放量，又消除了冬季管廊结冰带来的安全隐患[3]。

3.2 副产蒸汽发电

低温余热ORC发电技术可实现低品位热能向高品质电能的转换，其技术核心是采用低沸点有机工质进行闭式热力循环，利用冷源与热源的温差驱动做功。中盐安徽红四方股份有限公司30万t/a煤制乙二醇装置的低温余热ORC发电装置已基本建成，低压蒸汽流量50 t/h，温度108℃，可实现年净发电量2 212.8万kWh，年直接发电效益1 327.7万元，年减排CO217 411 t[4]。榆林化学DMO合成汽包副产蒸汽（除用于装置回收利用）用于ORC发电，可实现年净发电量约14 472 kWh。

3.3 副产蒸汽采暖或伴热

在后续工艺改进中，榆林化学还可将上述副产蒸汽及各等级蒸汽凝液接引至厂区换热站，作为高温热源加热采暖循环水，在冬季可降低蒸汽消耗，节约项目成本。也可将该股蒸汽及凝液作为DMO装置中输送DMO管道及动设备的伴热热源，例如粗DMO泵、粗DMO管线和DMO储罐的伴热，从而降低蒸汽消耗量，进一步提高能源利用率。