聚酯装置酯化工艺塔余热利用集成技术及效益探讨

邱中南，王春燕,2*，徐剑锋，马健峰，朱振栋，裴付宇

(1.桐昆集团浙江恒通化纤有限公司，浙江 桐乡 314500； 2.浙江省桐昆恒通新纤维研究院，浙江 桐乡 314500; 3.国家纺织服装产品质量监督检验中心(浙江桐乡)，浙江 桐乡 314500)

“十四五”期间，在国家“碳达峰、碳中和”目标导向下，绿色低碳循环发展已成为大势所趋，而资源回收再利用技术是实现社会价值和企业效益最大化的重要手段。2021年，我国化纤产量突破65 000 kt，占全球的比重已超过70%，其中聚酯纤维作为发展速度最快、产量最高的化纤品种，已成为我国最重要的民生产业。桐昆集团浙江恒通化纤有限公司拥有多套400 kt/a聚酯装置生产聚酯及聚酯纤维，其中装置耗能主要在酯化系统部分，约占整个装置耗能的60%以上[1]。

目前，为提高资源综合利用效率，在聚酯生产过程中，通过在酯化阶段增加工艺塔，工艺塔利用水(沸点100 ℃)和乙二醇(EG)(沸点197.3 ℃)的沸点不同，通过不断加热将水蒸气和酯化反应中过量的EG进行分离，其中分离后的EG可回收再利用；同时，工艺塔将混合蒸气中的水和醛等从塔顶蒸出，这部分气体被称为酯化蒸气，其携带的热量通过冷却水冷却后排放，造成大量的热量损失[2]。因此，为减少能源浪费，桐昆集团浙江恒通化纤有限公司通过技术节能改造，将工艺塔的混合蒸气余热用于溴化锂制冷机制冷或加热热水用于纺丝车间等，但还存在蒸气余热利用不完全的问题。

为了更好地利用好酯化工艺塔蒸气余热，作者分析了400 kt/a聚酯装置酯化工艺塔蒸气余热的特点，探讨了蒸气余热利用集成技术及产生的经济效益，以提高资源利用效率，加快聚酯行业绿色低碳发展。

1 400 kt/a聚酯装置及工艺塔余热的特点

400 kt/a聚酯装置采用四釜工艺技术，以精对苯二甲酸(PTA)和EG为原料、乙二醇锑为催化剂，二氧化钛(TiO2)为消光剂，经酯化、缩聚反应生成聚酯。其生产主要流程包括：PTA浆料制备系统、酯化系统、缩聚系统(预缩聚和终缩聚)、真空系统和热媒系统等。聚酯酯化反应生成的副产物是水蒸气，但酯化反应釜的温度为250～290 ℃，在此温度条件下EG也为蒸气。因此，酯化反应过程中会有部分EG跟反应生成的水一起蒸出去，为将水蒸气和EG蒸气分离，需进入工艺塔分馏[3]，工艺塔顶分离出的酯化蒸气需经冷凝后回收，即产生的高温热量不仅没有利用，还需要消耗冷却循环水进行降温处理。

装置酯化工艺塔余热的主要特点如下：(1)该工艺采用中国昆仑工程公司设计400 kt/a的“一头两尾”聚酯装置，其工艺塔顶气相温度约102 ℃；(2)工艺塔出口蒸气为低压饱和蒸气，压力约为105 kPa，接近常压；(3)工艺塔出口蒸气含有部分杂质蒸气且沸点差大。虽然工艺塔主要成分为水，占比超过97%以上，但还含有乙醛(沸点20.8 ℃)、EG(沸点197.3 ℃)及少量低聚物等。且由于乙醛沸点较低，对冷凝温度要求高，利用时需避免乙醛蒸气冷凝不理想引起塔憋压[4]。

2 工艺塔余热利用集成技术

余热利用集成技术包括将余热用于以下三种用途：一是余热制冷；二是余热制热水，分别用于加热新鲜EG、配浆EG和长丝空调机组；三是余热发电[5]。

工艺塔塔顶蒸气余热利用工艺流程见图1所示。

图1 工艺塔塔顶蒸气余热利用工艺流程示意Fig.1 Process flow diagram of waste heat utilization of overhead steam of process tower1—工艺塔;2，3，4，5，6—板式换热器;7—空冷器;8—冷却水塔;9—余热发电装置;10—纺丝空调机组;11—乙醛回收装置;12—溴化锂制冷机;13—配浆乙二醇

2.1 蒸气余热制冷

夏季气温高，聚酯装置和纺丝空调部分设备需要冷冻水。为此，通过在酯化工艺塔增加2台溴化锂制冷机，将蒸气余热制备成冷冻水，用于装置夏季冷冻水的供给。溴化锂制冷机是以溴化锂水溶液为吸收剂，以水为制冷剂，利用酯化蒸气作为驱动热源，并在一定温度下溴化锂水溶液液面上的水蒸气饱和分压发生变化，通过蒸发、吸收、压缩等形成循环，达到制冷目的[6-7]。工艺塔蒸气余热制冷的工艺特点为蒸气余热直接进入溴化锂制冷机制备冷冻水，而不经过板式换热器进行换热。

2.2 蒸气余热制热水

2.2.1 余热制热水用于纺丝空调

冬季气温低，为确保聚酯纤维生产环境的温度和工艺冷却风温度，需要开通纺丝空调进行升温。因此，利用循环水泵将酯化蒸气余热通过板式换热器产生的热水经管道连接输送到纺丝空调，加热纺丝的工艺冷却风和环境风。

2.2.2 余热制热水用于加热配浆EG

在聚酯装置楼内增设配浆EG板式换热器，通过板式换热器制备的热水加热配浆EG，控制浆料的温度稳定，保障PTA实际含量的稳定，有利于后续反应的稳定。该板式换热器可常年运行，通过加热配浆EG，提高浆料温度，可节约进入反应釜后的热媒供热量，间接降低装置能耗[8]。

2.2.3 余热制热水用于加热新鲜EG

在进入EG蒸发器前的新鲜EG管道上增设板式换热器，通过板式换热器制备的热水加热提高进入蒸发器的新鲜EG温度，可以减少热媒系统供热量，间接降低装置能耗。

2.3 蒸气余热发电

蒸气余热发电是通过增加蒸发器、冷凝器等，利用低沸点五氟丙烷有机物作为热力循环工质回收低温余热的特点和膨胀机所需热源要求低而能源利用效率高的优点，充分回收利用酯化蒸气余热。其工艺流程是102 ℃热源通过蒸发器(管壳式换热器)，对蒸发器中有机物工质进行加热，使其变为高温高压蒸气；之后蒸气通过透平膨胀做功，透平所做的功驱动发电机产生电能；做工后工质蒸气进入冷凝器被冷却水冷却成液体，然后进入工质泵中加压，再进入蒸发器完成一个循环。其中，冷凝器采用冷却水作为冷却媒介。

3 蒸气余热利用产生的经济效益

3.1 蒸气余热制冷效益

根据测算，1 t蒸气可产生约70 t冷冻水(7～12 ℃)[6]，400 kt/a聚酯装置产生的工艺蒸气(约102 ℃)为 15.2 t/h，即可产生1 186 t/h冷冻水，这个转换过程中需要2台15 kW的溴化锂制冷机和1台75 kW的热水泵。而如果使用电制冷，相应需要增开4台18.5 kW的空冷器风机和2台850 kW的电制冷机，即蒸气余热制冷可节约用电功率为1 669 kW·h。由于工艺塔蒸气余热制冷需求具有一定的季节性，全年的需求以180 d计算，按照用电功率与标煤的换算关系(1 kW·h相当于标煤质量0.123 kg)，则全年可节约标煤886.8 t。

3.2 蒸气余热制热水效益

(1)制热纺丝空调

根据测算，聚酯装置楼顶共有6台风冷器,经余热制热纺丝空调后可停用4～5台风冷器，但需开通1台热水循环泵，可节约用电44 kW·h，纺丝空调的需求也具有一定的季节性，全年的需求以180 d计算，则全年可节约标煤23.4 t。

同时，纺丝回风电流降低276 A(400 V电压)，降低用电功率为162.5 kW·h，全年以180 d计算，则全年可节约标煤86.3 t。

两项合计，利用余热制热纺丝空调全年可节约标煤109.7 t。

(2)加热配浆EG

根据测算，通过蒸气余热制备的热水加热配浆EG，从而提高浆料温度，可节约进入酯化反应釜后浆料升温的热量。根据浆料回用EG温升为20 ℃、回用EG流量为17 000 kg/h、比热容2.72 kJ/(kg·℃)计算，可节约热量为924 800 kJ/h，按照热量与标煤的换算关系(1 kJ热量相当于标煤质量0.034 g)，则全年(按365 d计)可节约标煤275.4 t。

(3)加热新鲜EG

根据测算，将进入蒸发器的新鲜EG从常温升至75 ℃左右，根据新鲜EG温升50 ℃、流量7 000 kg/h、比热容2.72 kJ/(kg·℃)计算，可节约热量为952 000 kJ/h，按照热量与标煤的换算关系(1 kJ热量相当于标煤质量0.034 g)，则全年(按365 d计)可节约标煤284.5 t。

3.3 蒸气余热发电效益

根据测算，400 kt/a聚酯装置余热利用工艺的净发电量约达765 kW·h(共3台发电机组，已剔除发电机组自用电)。由于此余热发电技术为蒸气余热制冷和制热的补充，则仅冬、春两季使用，以180 d计算，按照1 kW·h相当于标煤质量0.123 kg，则全年可节约标煤406.5 t。

根据蒸气余热制冷、制热水(用于制热纺丝空调、加热配浆EG及新鲜EG)、发电效益，采用聚酯工艺塔余热利用集成技术，合计全年可节约标煤1 962.9 t。

4 结论

a.针对聚酯装置酯化工艺塔顶蒸气余热的特点，采用余热利用集成技术可以较好地实现工艺塔蒸气余热回收利用，包括通过增加溴化锂制冷机制备冷冻水用于夏季纺丝空调制冷；制热水用于制热纺丝空调、加热EG；通过增加蒸发器、冷凝器和膨胀机等进行发电。

b.根据400 kt/a聚酯装置酯化工艺塔顶蒸气余热为102 ℃常压蒸气，采用余热利用集成技术，通过蒸气余热制冷全年可节省标煤886.8 t，蒸气余热制热水全年可节省标煤669.6 t，蒸气余热发电全年可节省标煤406.5 t，合计全年可节约标煤1 962.9 t。