国产化芳烃联合装置能耗优化分析

秦文戈，李明发

(1.中国石油化工股份有限公司工程部，北京 100728；2.中国石化海南炼油化工有限公司)

芳烃联合装置是以石脑油为原料，以生产苯、甲苯、对二甲苯(PX)为目的产品的系列装置的总称，一般包括石脑油预加氢、催化重整、芳烃抽提、歧化及烷基转移、吸附分离、异构化、二甲苯分馏等单元[1]。中国石油化工股份有限公司(简称中国石化)首套国产化600 kt/a芳烃联合装置于2013年12月建成投产，主要包括芳烃抽提、歧化及烷基转移、吸附分离、异构化、二甲苯分馏等单元及配套的公用工程系统。该装置以C6+重整生成油和部分外购混合二甲苯为原料，主要产品为对二甲苯、邻二甲苯和苯，同时副产高辛烷值汽油调合组分和抽余油。中国石化第二套国产化芳烃联合装置的规模为1 000 kt/a，于2019年9月建成投产，主要包括二甲苯分馏、吸附分离、异构化3个单元及与之配套的公用工程系统。该装置以外购混合二甲苯为原料，主要产品为对二甲苯和邻二甲苯。这两套国产化芳烃联合装置自开车成功以来运行平稳，能耗及工艺技术指标在整个芳烃行业处于领先地位。

然而近年来，国内多个大型PX装置陆续建成投产，对国内PX市场产生了巨大影响，芳烃装置的盈利能力大幅下降，甚至亏损。能耗成本是芳烃加工成本的重要组成，降低能耗有利于提高装置经济性和产品竞争力。芳烃联合装置中的吸附分离、异构化、二甲苯分馏3个单元是芳烃联合装置的能耗大户，其能耗占芳烃联合装置总能耗的80%以上[2]，因此降低这3个单元的能耗是提高芳烃联合装置经济性和产品竞争力的重要途径。一般将吸附分离、异构化、二甲苯分馏3个单元合称为二甲苯装置。本研究通过对上述600 kt/a芳烃联合装置的1号二甲苯装置(简称1号装置)和1 000 kt/a芳烃联合装置的2号二甲苯装置(简称2号装置)在能耗、原料、换热流程、低温余热利用效率及催化剂、吸附剂使用量等方面进行详细对比，分析总结降低二甲苯装置能耗的措施及优化方向。

1 二甲苯装置概况

1.1 二甲苯装置能耗

二甲苯装置是高能耗装置，其用能的重要特点是分离系统与换热网络高度耦合。二甲苯加热炉是二甲苯装置的主要热源，可为二甲苯塔和其他精馏塔再沸器供热[3]，是全装置的供热中心，因而二甲苯加热炉的燃料消耗在装置能耗中占比很大。

表1对比了1号装置和2号装置中二甲苯加热炉燃烧器喷火嘴和氧含量检测器的数量。从表1可知：2号装置中加热炉每个燃烧器有8股火焰比1号装置加热炉(3股火焰)的燃烧更稳定；而且其设置的氧含量监测点有10个，比1号装置加热炉氧含量监测点(1个)测得的数据更具有代表性，因而可以根据氧含量监测值及时精准调整加热炉送风量，从而提高二甲苯加热炉热效率，减少燃料消耗量，降低装置能耗[4]。

表1 二甲苯加热炉燃烧器、氧含量检测仪配置

电耗也是装置能耗的重要组成部分，国产化芳烃装置首创利用低温余热发电技术，大幅降低了装置能耗，实现低温余热发电量大于全装置耗电量，装置运行实现“由外供电到向外送电”的历史性突破，大幅降低装置能耗；规模化效益显著，增大装置规模可以有效降低装置产品能耗。表2为1号装置和2号装置在80%负荷时能耗情况，表3为1号装置和2号装置在80%负荷时PX产量和综合能耗，1号装置产品能耗为247.09 kgEO/t(1 kgEO=41.8 MJ)，2号装置产品能耗为177.2 kgEO/t，可以看出2号装置的能耗大幅低于1号装置。

表2 1号装置和2号装置的能耗统计结果(80%负荷)

表3 1号装置和2号装置的PX产量和产品能耗(80%负荷)

1.2 不同二甲苯装置的加工原料

二甲苯装置的原料通常为催化重整装置的产物重整生成油以及外购的混合二甲苯。不同原料的芳烃含量不同，因而加工工艺流程稍有区别，对装置产品收率和能耗会有明显影响[5]。2019年11月28—30日两套二甲苯装置在80%负荷时的原料组成情况如表4所示。由表4可知：1号装置加工原料为质量分数50.70%的C8+重整生成油、质量分数42.96%的歧化C8+芳烃、以及质量分数6.34%的外购混合C8芳烃，经计算可得原料中PX、C8芳烃、C9+芳烃的质量分数分别为12.18%，58.87%，40.74%；2号装置原料全部为外购C8芳烃，原料中PX、C8芳烃、C9+芳烃的质量分数分别为18.55%，99.15%，0.72%。可见，2号装置的原料中PX含量较高，C9+芳烃含量很低，因而大幅降低了二甲苯分馏单元的物料循环量，相应降低了二甲苯塔的产物分离难度，有利于降低芳烃联合装置的综合能耗。

表4 两套二甲苯装置的加工原料数据

2 二甲苯装置工艺流程优化

芳烃联合装置工艺流程长、操作复杂，各加工单元间工艺流程高度关联，通过热集成技术和流程优化实现节能降耗[6]。在二甲苯装置的热联合流程中，2号装置的热联合程度比1号装置更加紧密和优化。两者的主要区别有3个方面：①基于低温利于吸附、高温利于脱附的原理，优化了吸附分离单元装置进料温度，2号装置的吸附进料温度比1号装置低了15 ℃；对2号装置吸附进料的换热流程进行了进一步优化(见图1)，优化后2号装置的热量直接利用率提高，能效也得到提升。②1号装置异构化汽提塔的热源为1.0 MPa蒸汽，重整油分馏塔再沸器部分的热源为3.5 MPa蒸汽；2号装置中所有精馏塔均未采用蒸汽加热，异构化汽提塔的热源改为异构化进料。③1号装置的异构化压缩机由外来3.5 MPa蒸汽驱动，2号装置的异构化压缩机则由回收装置余热自产的低压蒸汽驱动，省去了对外供3.5 MPa蒸汽的消耗。上述流程优化使装置能耗进一步降低约29 kgEO/t。

3 低温热利用

芳烃联合装置的工艺特性决定了整个装置物料循环量大、设备大型化，特别是塔器大型化，各精馏塔的冷/热负荷均较高。对于常压塔来说，由于操作压力低、温位低，导致塔顶低温余热回收困难[7-8]。为满足工艺生产对物料温度的要求，传统芳烃生产工艺中往往采用空气冷却或循环水冷却等方式将这些低温热排散，致使大量低温余热没有得到有效利用。鉴于此，国产化芳烃成套技术利用低温热发生蒸汽或通过热媒水的方式进行回收利用，不但节省了冷却空气和循环水的用量，而且可将回收的低温热用于自产电能，显著降低了装置能耗。

3.1 低温热发生蒸汽

二甲苯塔是二甲苯装置的物料集合分离中心和热量集成中心。将二甲苯塔塔顶和塔底分别与抽余液塔、抽出液塔等进行热集成，一方面可以充分回收塔顶冷凝热，另一方面通过集中供热可以提高热利用效率。中国石化自主芳烃成套技术在芳烃联合装置设计[9]时首创对二甲苯塔提压提温，协同提高抽余液塔和抽出液塔的塔顶操作压力和物料的温位，利用抽余液塔和抽出液塔塔顶余热发生低压蒸汽。

表5为在80%负荷下1号装置和2号装置的二甲苯塔、抽余液塔、抽出液塔以及蒸汽系统连续3天操作参数平均值。由表5可知：在2号装置的二甲苯塔塔顶压力比1号装置降低0.17 MPa的情况下，其抽余液塔和抽出液塔仍可以满足回收塔塔顶低温余热自产0.45 MPa蒸汽的要求；同时采用更低的操作压力可以降低二甲苯塔物系的分离难度，可有效降低精馏塔回流比，节省操作费用。2号装置回收热发生的低压蒸汽经二甲苯加热炉对流段过热后优先用于异构化循环氢压缩机驱动，其余部分送入蒸汽发电机组发电，蒸汽利用效率更高，有利于降低装置能耗。

表5 两套二甲苯装置主要运行参数对比

3.2 低温热产热水

对于不能发生蒸汽的低温位余热，可采用产生热水发电的方式回收低温热。表6为两套二甲苯装置低温热回收产生热水发电相关运行数据。由表6可知：1号装置回收低温热产生的热水量为433.76 t/h，有机朗肯循环(ORC)热水发电机组用量为202.00 t/h，热水利用率为46.6%，发电量为723.8 kW·h，其余热水经水冷器冷却后循环回系统；2号装置回收低温热产生的热水量为 568.57 t/h，ORC热水发电机组用量568.57 t/h，热水利用率为100%，发电量为1 817.5 kW·h。此外，若优化调整操作参数将2号装置的ORC机组进水温度提高至123 ℃，则发电量将明显增加，装置能耗还将进一步降低。

表6 两套二甲苯装置热水发电运行数据

4 催化剂与吸附剂性能对装置的影响

两套二甲苯装置的异构化单元和吸附分离单元均选用了中国石化石油化工科学研究院开发的催化剂和吸附剂。其中，1号装置选用的是RIC-200乙苯转化型异构化催化剂和RAX-3000型PX吸附剂。2号装置选用的是新一代RIC-270型异构化催化剂和RAX-4000型PX吸附剂。其性能对比见表7。

从表7可知，选用新一代催化剂和吸附剂后，2号装置异构化单元的异构化率和乙苯转化率均明显提高，异构化产物中乙苯和碳八非芳烃(C8NA)含量降低，有效增产了PX。由表4加工原料情况可知，1号装置的新鲜C8芳烃原料中的乙苯含量为5.457%，而2号装置则为15.993%，2号装置的新鲜C8芳烃原料中的乙苯含量远高于1号装置。可见，2号装置使用的RIC-270型乙苯高效转化催化剂更适应于高乙苯含量原料，可有效降低乙苯、C8非芳烃的含量，对减少物料循环量、提高产物中的PX含量是有利的。吸附分离单元在单位吸附剂吸附能力大幅增强的情况下解吸剂相对循环量基本不变。由此提高了装置整体运行效率，有利于降低装置能耗。

表7 两套二甲苯装置异构化催化剂与PX吸附剂性能对比

5 结 论

通过对比两套国产化芳烃联合装置中吸附分离、异构化、二甲苯分馏3个单元(合称二甲苯装置)的能耗、原料、工艺流程和低温热利用，发现增强装置热联合利用水平，通过物料间直接换热可提升热利用效率；装置低温余热回收后可发生蒸汽或产生热媒水，用于优先压缩机动力驱动介质，其余用于自产发电，可尽可能减少或避免使用外供蒸汽，降低装置能耗；采用高效燃烧器提高加热炉热效率；使用新一代高性能催化剂和吸附剂等措施，均可有效降低二甲苯装置综合能耗，增加装置效益。