聚酯装置能源优化措施

2010-04-20上海石油化工股份有限公司涤纶事业部张莉琼

上海节能 2010年3期

上海石油化工股份有限公司涤纶事业部张莉琼

前言：

近几年国内聚酯行业的竞争日趋激烈，各企业除产品品种、质量外，主要表现在成本的竞争上。几乎所有的聚酯企业都在盈亏平衡线附近生存，降低成本几乎成为企业生存的主要手段，而降低成本又较多地集中在能耗方面。通过能源优化措施降低产品成本已成为目前装置提高竞争力的主要手段之一。

1 装置概述

上海石化共有三套聚酯装置，产能为55万吨。其中1#聚酯装置于2004年9月投产，装置采用国产化三釜流程聚酯生产技术，年生产能力为15万t。2#聚酯装置1983年11月建成投产，采用日本钟纺公司专利技术为基础的五釜聚酯生产工艺，共有六条生产能力原设计为101 t/d的聚酯生产线，年生产能力为20万t；近几年经过对装置的扩产改造，目前装置各线的生产能力达到160 t/d的水平，装置年产能达到了30万t以上。3#PET聚酯装置是1987年从美国杜邦公司引进的二手设备，共有两条生产线，原设计年生产能力为5.27万t，通过对CP-2预聚釜、酯化蒸发器等的改造，装置年产能达到10万t。

1.1 生产工艺

聚酯装置以对苯二甲酸粉体和乙二醇液体为原料，通过酯化、缩聚两个主要反应过程生产聚酯切片。

1)酯化单元

1#、3#聚酯装置为三釜流程,其酯化反应器为单一的外循环反应器,从浆料供应槽送来的EG/PTA浆料由酯化加热器(以气相热媒加热)的下端管线上注入酯化反应系统，在加热器的加热腾升作用下，新注入的物料与老的物料一起在酯化反应系统中形成一个由“U型管→加热器→酯化蒸发器”的大循环，在这个循环过程中，酯化反应不断地进行，达到酯化率要求的齐聚物不断地从U型管的底部送往下一道缩聚工序。

2#聚酯装置为五釜流程,其酯化工序有两个反应器,浆料由浆料泵连续供应给第一酯化釜。在第一酯化釜PTA与EG被加热进行酯化反应，它是一台立式返混反应器，设有二段透平式搅拌器，内有加热盘管和釜外加热夹套(以液相热媒加热)，达到一定酯化率后物料送到第二酯化反应器中进一步酯化；第二酯化釜是一个内分三槽的卧式反应器，各槽有立式搅拌器，釜内有加热盘管和釜外加热夹套，达到酯化率要求后的齐聚物用齿轮泵经粗滤器过滤后，送往下一道缩聚工序。

2）缩聚单元

1#、3#聚酯装置缩聚分预缩聚和终缩聚,在进行缩聚反应前，必须要加入缩聚催化剂溶液，液体DEG，稳定EG，根据不同的产品添加相应的消光剂量,还可以添加其它添加剂生产新产品。齐聚物进入一个上流式塔式反应器(UFPP)进行预缩聚反应,在该反应器中将酯化单元送来的酯化率为92%～96%、聚合度为4～5左右的齐聚物，进行第一次缩聚，使物料的酯化率达到99%～99.5%、聚合度达到15～35，送往终缩聚。终缩聚反应器(FIN)是一个带鼠笼搅拌的反应器,在该反应器酯化率为99%～99.5%、聚合度为15～35左右的齐聚物，进行最终的缩聚反应，使物料的酯化率达到99.8%以上、聚合度达到100左右的成品熔体，再经滤网孔径为20 μm的熔体过滤器过滤以供制成聚酯切片。

2#聚酯装置缩聚分预缩聚和终缩聚,酯化后齐聚物经过滤器首先进入预聚系统的第一缩聚反应器(立式反应釜)，在该反应器中，聚合体的聚合度由5.1提高到26左右。而后由出料齿轮泵输送至第二缩聚反应器(卧式单轴反应釜)。在该反应器中，聚合体的聚合度由26提高到63左右。再由出料齿轮泵输送至第三缩聚反应器 (卧式双轴搅拌反应釜)，在该反应器中，聚合体的聚合度由63提高到100左右。由出料齿轮泵送出，再经滤网孔径为20μm的F-33熔体过滤器过滤，部分送到切片化工序造粒、另一部分经增压齿轮泵送纺丝车间直接纺丝。

1.2 用能状况

聚酯装置生产工艺主要消耗的能源品种有电、蒸汽、燃料油(气)、氮气和水等。电主要用于整个工艺流程中的电机设备；蒸汽主要用于外围导生炉子喷枪、浆料预热、蒸汽真空泵和仪表设备伴热等；燃料油（气）用于导生炉加热热媒油；氮气用于PTA输送和料仓氮封和松动；各种品质的水主要用作工艺系统的冷却、冲洗和消防等。其中燃料油（气）为装置主要耗能品种，其能耗占装置总能耗的50%以上，其次为电和蒸汽。聚酯装置用能情况如图1所示。

2 能源优化方案

2.1 分析1#PET装置工艺特点及能源综合利用的优势。

1#PET装置采用的三釜聚酯技术立足于工艺及装备的国产化，其中第一和第二反应器为塔式反应器，没有机械搅拌设备，在酯化工序中使用了较低摩尔比、外循环加热的双室双压反应器和加压酯化及蒸汽回收等国内开发的专利技术；在缩聚反应真空获得系统中，采用了国内开发的乙二醇蒸汽喷射泵和喷淋冷凝器的低温循环乙二醇系统技术，装置使用的冷冻水来自酯化产生的工艺蒸汽推动的溴化锂制冷机组；加热采用了流程更为简洁的就地蒸发气相热媒加热技术。装置能源消耗少，能源的综合利用和节能体现在两个方面：1）将过程中耗能最大的酯化工序产生的工艺蒸汽推动溴化锂制冷机组，产生的冷量用于缩聚蒸汽的回收和切粒机循环水系统的冷却，节省了由公用工程供应的冷冻水量；2）高温液相热媒在车间就地闪蒸产生气相热媒送给用户，优化了各不同加热等级的需求，降低了系统热能损耗。如何借鉴1#PET装置的能源综合利用方法，是降低二套聚酯装置能耗最有效的方法之一。

2.2 能源优化方案在2#PET、3#PET装置上的应用

1)乙二醇真空泵替代水蒸汽喷射泵

2#、3#二套聚酯装置在缩聚反应真空获得系统中，缩聚反应器的真空由水蒸汽喷射泵产生，而水蒸汽喷射泵不仅存在着齐聚物堵塞，水蒸汽喷射泵系统会将反应过程的有机物抽掉而造成原料损失，还存在污染大和能耗大的问题。这些是水蒸汽喷射泵的工作原理和自身结构所造成的固有缺陷，无法克服。

而乙二醇（EG）蒸汽喷射泵是近年来在聚酯工业中应用的新技术，该技术日趋成熟，已得到广泛的应用。EG蒸汽真空喷射泵是降低装置蒸汽单耗的关键设备。通过对1#PET装置工艺分析及对国内新建的聚酯装置进行广泛调研，同时对装置自身的生产工艺设备进行深入的研究，不改变2#、3#二套聚酯装置原来的生产工艺，保留反应釜和EG循环系统等大部分设备，只对水蒸汽喷射泵部分的设备进行改造，就可应用乙二醇（EG）蒸汽喷射泵。改造后的装置利用一台蒸发器将EG蒸发为气体，作为喷射泵的驱动蒸汽；将反应器系统抽出的带有EG的蒸汽合为一股后，由另外一个冷EG循环、喷淋系统冷凝吸收；回收下来的废EG全部作为原料循环利用。用乙二醇蒸汽喷射泵取代原来使用的蒸汽喷射泵,可以使整个装置生产主流程中不再使用蒸汽，这样可以减少热损失和蒸汽的跑冒滴漏，而且乙二醇蒸汽喷射泵可以把真空抽出的乙二醇全部回收使用，减少废水、废气排出，节能减排效果非常明显。

2）用酯化反应废气加热生产原料

2#聚酯联合装置的生产工艺流程主要由浆料调制部分（原料）、反应部分、造粒包装部分等组成。反应部分由5台反应釜组成，第一、第二反应釜为酯化反应釜，位号为R-21和R-22,第三、四、五反应釜为缩聚反应釜，位号为R-31、R-32和R-33，酯化反应釜的辅助部分为酯化分离塔系统，位号为T-21和T-22，缩聚反应釜的辅助部分为真空系统。原设计浆料在进入R-21前的温度为30℃，R-21的反应温度为270℃，反应压力为0.7kg/cm2（表压），R-21第一酯化釜需要的热媒流量为120m3/h。而浆料在R-21第一酯化釜进行反应过程中会产生大量的含有EG蒸汽、水蒸汽以及各类醛类的高温气体，酯化反应废气具有危害性和污染性，不能直接排入大气中，同时EG为生产原料、且价值较高，所以含有EG的高温废气从底部进入分离塔T-21，利用塔的精馏原理，经过10层塔板的分离作用，EG蒸汽从反应废气中冷却成液态（温度约为110℃左右，低于EG的沸点），重新流回R-21第一酯化釜作为生产原料再次使用。经过分离塔的反应废气，虽然已经分离出EG，但反应废气中还是含有大量的水蒸气和醛类，温度也大于100℃。高温反应废气继续通过一只管式冷凝器，被冷却成为50℃左右的废水和一些不凝性气体，废水从冷凝器的溜出水管中流出，到公用系列的废水收集槽，一些不凝性气体从冷凝器顶部的放空管排入大气。若能采用第一酯化反应分离塔顶产生的低品质反应废蒸汽加热进第一酯化釜前（R-21）的浆料，不仅可减少现有热媒加热量，还可减少冷却酯化废汽所需的循环冷却水量。

3）用酯化废气驱动溴化锂冷冻机组，为装置切片化系统提供冷量

3#PET联合装置能耗组成中，冷冻系统的能耗在总能耗中所占比例约为5%。而酯化系统每小时产生60kPa压力的蒸汽约4t，其向外排出的热量仅汽化潜热就达200余万kcal/h，为了冷却这些蒸汽需耗用循环水360t/h。

目前该装置使用冷冻水由动力冷冻站提供，冷冻站溴机使用事业部PTA装置产生的副产蒸汽，PTA装置将实施能源优化项目（氧化单元空压系统采用氧化反应副产低压蒸汽供透平驱动工艺空气压缩机），待项目实施后，将无副产蒸汽外供。若能利用酯化产生60kPa压力的酯化蒸汽去驱动150万kcal溴化锂冷冻机组，可满足装置所需冷量。不仅可降低冷冻系统用能，还能降低冷却酯化蒸汽所需的循环水量。

4)热煤炉燃烧介质由燃料油改为天然气（干气）

事业部三套聚酯装置共有热煤炉7台，正常投用4台，3台为备台。按目前生产负荷，1#聚酯的炉油耗量在845kg/h左右，2#聚酯的炉油耗量在1320kg/h左右，3#聚酯的炉油耗量在755kg/h左右，其用能占装置总能耗的50%以上。热媒炉作为聚酯装置的主要设备之一，其安全运行将直接影响到各装置的正常生产。使用燃料油时，随着工艺上油压变化，出口热媒温度变化大，严重会造成热媒炉熄火，影响生产运行。燃油炉子的热效率较低，炉管和空气预热器容易结垢和列管容易腐蚀烂穿，经常要进行清洗，设备维修费用较高。油改气后，在燃烧系统中省去了由于重油的燃烧结焦等堵塞喷嘴而带来频繁对喷枪喷嘴的清洗；同时由于燃气的成分是碳氢化合物，燃烧的尾气对空气预热器内积灰的影响甚微，改变了对热煤炉的吹灰周期；另外油改气后，炉子的排烟温度有所降低，炉子热效率也得以提高。

3 节能效果

3.1 乙二醇真空泵替代水蒸汽喷射泵

乙二醇蒸气喷射泵改造从2005年10月起在2#、3#聚酯联合装置的各条聚合生产线上全面推广实施，到2007年底已全部改造完毕，乙二醇蒸气喷射泵的应用效益已逐步显现。项目的实施，不仅消除了喷嘴的齐聚物堵塞的生产隐患，解决了水蒸汽喷射泵系统把反应有机物抽掉而造成的原料损失，同时降低了能耗、减少了环境污染，乙二醇真空泵替代水蒸汽喷射泵单线可减少用能56.6kg标油/h，全年运行时间按7880h计，两套装置8条生产线全年可降低能耗3568t标油。详见表2。

表2 改造前后单线公用工程数据比较

3.2 酯化反应废气加热生产原料

2#PET一条生产线就可以最大产出70kPa、114℃的低品质反应废气1.26t/h，如果全部利用将它转化为114℃的饱和水，就可以每小时得到66.8万kcal的热量。而装置单线的PTA浆料进料温度从30℃升高到90℃，仅需要20.6万kcal/h的热量，浆料加热可以使用掉31%废蒸气热量。采用第一酯化反应分离塔顶产生的低品质反应废蒸汽加热进入第一酯化釜前（R-21）的浆料，不仅可减少现有热煤加热量，还可减少冷却酯化废气所需的循环冷却水量。

浆料升温到90℃所需热量为20.6万kcal/h；单线生产负荷以7.1 t/h计，可节能2.9kg标油/t。

另浆料加热器投用后每台第一酯化塔冷凝器的循环水用量由136m3/h降为116m3/h，可节能（136-116）×0.1/7.1=0.28 kg标油/t。

项目全部实施后，2#PET装置可降低能耗3.18 kg标油/t，年产量以34万t计，全年可节能1000多t标油。

3.3 用酯化废汽驱动溴化锂冷冻机组

3#PET装置产生的酯化废气可推动一台150万kcal溴机，150万kcal溴机耗用新鲜蒸汽量约为3t/h，以全年运行7800h计，项目实施后可减少新鲜蒸汽23400t，节能1000t标油以上。目前该方案已在3#PET装置上进行了试运行，基本上能满足装置所需冷量。

3.4 炉子油改气

油改气后，炉子的热效率得到提高，炉子用能量也有较大幅度下降。其中1#PET装置炉子用能较改造前减少2.24kg标油/t，下降幅度4.7%；2#PET装置炉子用能较改造前减少13.03 kg标油/t，下降幅度22.57%；3#PET装置炉子用能较改造前减少6.45 kg标油/t，下降幅度11.19%。表3为改造前后炉子用能情况比较。

表3 炉子油改气前后能耗比较 kg标油/t

此外，炉子油改气后，还可降低电、蒸汽、压缩空气的用量：

电：炉子改造后，可停用燃料泵、重油泵，燃料供给泵和输出泵等，降低装置电耗；

蒸汽：停用重油加热器和炉子的喷雾蒸汽新鲜蒸汽及重油罐加热器和底部盘管等一系列保温蒸汽，聚酯外围热媒炉区域基本停用蒸汽；

压缩空气：原使用重油，由于炉子结灰严重，每天要定期吹灰两次，改造后，吹灰次数明显减少，减少了压缩空气用量。

3.5 聚酯能源优化方案实施后节能效果

上海石化聚酯装置通过几年的能源优化措施，综合能耗不断下降，其中3#聚酯装置下降幅度最为明显，由原来的179.91kg标油/t下降到目前的95.85kg标油/t，下降幅度高达46.72%；2#聚酯装置由原来的129.7kg标油/t下降到目前的92.08kg标油/t，下降幅度29.01%；1#聚酯装置由原来的93.08kg标油/t下降到目前73.8kg标油/t，下降幅度20.71%。见图2。