夹点技术在CO变换工段换热网络优化改造中的应用分析

2020-02-16温艳，赵兴,2

山东化工 2020年10期

温艳，赵兴,2

(1.宁夏工商职业技术学院能源化工学院，宁夏银川 750021;2.中国石油宁夏石化分公司，宁夏银川 750021 )

在新建甲醇生产厂中应用夹点技术，有助于企业节约50%的能量，且至少减少10%的资金投入成本。因此，夹点技术是实现甲醇工艺降资节能最有效的渠道。在化工企业开展甲醇生产项目时，可在CO变换工段进一步扩大夹点技术的应用范围，从而确保它在换热网络中发挥出真正的效用，实现化工企业长远发展。

1 夹点技术的原理

夹点技术最早出现在1970年左右，它是由英国Bodo Linnhoff教授所提出的一种改造换热网络的优化方法[1]。在工业生产过程中涉及到许多能量转化问题，为了进一步实现能源的合理配置与成本的有效缩减，通过应用集成技术对具体操作流程加以规范，由此在化工能量转化过程中进行能量的科学回收与利用。从相关调查数据可知：应用夹点技术所形成的新换热网络设计装置，可达到30%到50%之间的节能效果。当能量有所减少时自然也会造成投资额度缩减。因此，夹点技术在化工生产环节具有较强的实用价值。夹点技术在化工工艺操作过程中包含许多冷热物流，它主要是利用能量转换焓值对物流走向进行确定，由此保证夹点技术发挥出真正的节能降耗作用。

2 CO变换工段宽温耐硫工艺流程

CO变换工段是甲醇工艺中较为重要的变换部分。它主要是指CO与H2O经过催化剂的催化反应后形成一定比例的CO2与H2，由此满足甲醇生产工艺要求。以黔希化工为例，它具备30万t·a-1规格的乙二醇生产装置，具体是借助宽温耐硫变换工艺提取乙二醇。首先，它需将气化装置中储存的71.1%水气比的煤气进行冷凝分离，然后对其进行预热，待达到220℃之后可将其排入到过滤器中，由此实现CO的有效变换。CO变换反应属于放热过程，故而可利用这部分热量作为后续预热供应能量，以免造成能量浪费。最后在变换过程中还可进行有机硫与无机硫的转换，由此得到企业生产所需物质。

在CO变换工段宽温耐硫工艺中一般所具备的特点包括以下内容：其一，CO变换工段中所采用的催化剂作用温度为180℃，且最高耐温度可达到500℃，如此大的温变范围可为CO变换工段中浓度升高引发的高温升提供重要保障；其二，CO变换工段自由调节方式较为多样，由此可极大程度上满足碳氢比变化需求；其三，CO变换工段涉及到能量利用，而借助宽温耐硫工艺可为反应流程提供等级回收途径；其四，在粗煤气进行冷凝过滤之前可安装低压废锅，促使水气比处于可控状态下；其五，有机硫的转化可对后期工段脱除工作提供便捷。基于此，CO变换工段宽温耐硫工艺确实具有一定的操作优势[2]。

3 夹点技术在CO变换工段换热网络优化改造中的应用要点

3.1 优化CO变换工段系统

夹点技术可进一步实现CO变换工段系统的合理优化。

具体内容如下：(1)在以往CO变换工段中粗煤气的有效转化率为70%，但系统并不能为其提供重要的压力支持，导致粗煤气中CO含量达不到实际标准。在此基础上，需对甲醇工艺CO变换工段系统中所应用的工艺手段进行改造，比如在系统第一变炉口煤气预热器处加设高压蒸汽接入装置，从而将水气比降至0.3到0.35范围内，以此为第一变炉器的正常使用提供保障。若甲醇工艺生产过程中CO变换工段所形成的CO浓度较大，应及时开启预热器将高压蒸汽进行导入，这样可有效提高第二变炉器的水气比。当炉前水气比得到有效调整时，自然也能保证后续工段的顺利进行；(2)在提高变换系统的变换效率时，可及时对系统内催化剂的使用情况，温度变化等进行合理化控制，以便达到最佳变换目的[3]。比如当CO变换系统长期处于高温状态下，应当在气压超过2MPa的情况下进行气流导入，并适当调节导入速度，这样有助于变换炉内的热量及时排出。而在变换系统出现了压力负荷骤减的情况下，应重点控制变换炉的入口温度与水气比，可在降温基础上达到减小变换率的效果。甲醇工艺是化工企业中的关键步骤，要想保证CO变换工段的顺利进行，就需结合实际情况加大能量回收利用率，在夹点技术的辅助下促使CO变换工段换热网络得到适当优化，以此避免化工企业在发展自身经济的同时违背我国出台的环保节能政策。

3.2 控制催化剂温升速度

3.2.1 温度

在CO变换工段换热网络优化改造中应用夹点技术时还应合理控制CO变换所需催化剂温升速度，以免系统运行出现超温现象[4]。在CO变换工段中可能发生的化学反应如下：

CO+H2O=CO2+H2

CO+H2S=COS+H2O

CO+3H2=CH4+H2O

在第三个反应过程中所释放的热量为第一个化学反应热量的5倍左右，这也是引发CO变换工段出现温升的主要原因。所以，对此可利用催化剂进行缓解。通常情况下催化剂会受温度的影响而造成变换率不明确。比如应将化学放热反应所引发的温升控制在合理范围内，尽量不超过催化剂正常活性范围。据相关调查，在硫化反应中若反应温度处于275℃与425℃之间，催化剂活性将不受到影响，且在<275℃时，活性明显下降，而>475℃情况下，硫化反应相比会更强烈一些。因此，需在不同阶段合理控制反应温度，这样才能保证CO变换率满足甲醇生产工艺要求。事实上，最为重要的温控措施主要有：

第一，在反应前对催化剂温度进行有效调节。比如在初步使用催化剂时，它的活性反应温度若为220℃，在系统运行前应将温度控制在260℃，而随着催化剂不断为化学反应发挥作用，它的活性温度也会有所变化，此时也应随之调整系统环境问题。同时，还需在反应末期及时采取降温措施，避免催化剂在催化过程中引发系统前后工段压差超标，影响变换效果。

第二，控制CO的浓度变化情况。比如在甲烷化反应中，若CO浓度过大极易增加反应速率，由此引发温升现象。因此，以100000m3的煤气规格为例，应将CO浓度控制在大约50%，并适当加入4000m3N2，促使CO各项化学反应所造成的温度骤增状况得到有效控制，以此为夹点技术的应用创造有利条件。

3.2.2 水气比

以煤制甲醇工艺为例，它在CO变换工段中，若水气比有所增加将造成CO变换率升高。从经济性角度上来分析，增加水气比会极大程度上增大蒸汽消耗量，且对甲烷化化学副反应产生抑制效果，故而水气比的增加不利于企业节约成本。然而从CH4含量与水气比之间的变化曲线结果中可知：CH4含量会随着水气比变大而呈现递减趋势。因此，应注重水气比的控制，以便获得换热网络最佳改造成果。具体可从以下两个方面着手：

(1)控制第一变炉器入口水气比。由于系统运行之前煤气温度相对较低，而形成的水气比也较低，若突然接气易出现温度骤升等不良现象。因此，相关人员应对煤气管线里的蒸汽进行伴热，一般在温度达到140℃时才能进行接气。而伴热所需能量可借助夹点技术从煤气反应过程中加以转化，由此避免能量浪费，影响企业经济收益。

(2)控制第二与第三变炉器入口水气比。首先可在入口处对蒸汽量与淬冷水进行控制，以此改变水气比。承载淬冷水的淬冷器因其自身温度较低，若马上接入蒸汽、淬冷水会造成催化剂在发挥催化作用时因进水而受到不良影响。基于此，需在第二与第三变炉器入口温度超过220℃情况下实施接气行为，从而保证水气比在有效控制的前提下为夹点技术的节能降耗操作提供助力。

3.2.3 空速

在CO变换工段换热网络改造中充分应用夹点技术实现能量合理转化时还应注重空速对化学反应的影响程度。首先，空速会对催化剂装填量等带来一定影响，当空速越大时，催化剂装填量就越小，由此可降低投入成本。所以，相关人员可利用调节变换炉内的压力负荷控制空速，从而有效把控转换率；其次，空速也会对甲烷反应带来抑制作用。比如从实验数据中发现：在0.25水气比、3.7MPa压力值、入口温度为220℃的条件下，当空速分别为2000，3500，4500h-1时，甲烷出口含量为0.62%，0.38%，0.27%，由此可得出以下结论：甲烷出口量会随着空速增加而减小。

对此可进行的优化措施如下：为了增加煤气与催化剂之间的接触时间，可结合催化剂温升速度调节空速，待其达到热点后可适当增大空速，若在热点超过指定标准时应通过降速的方法保证催化剂活性良好。夹点技术作为一种过程集成方法，在实际设计期间应将CO变换工段换热网络系统划分为两个分离式子系统。同时，还应防止跨越夹点传热现象的发生。由于夹点技术应用的范围不断扩大，导致它在系统中所发挥的作用也日益明显。因此，应根据企业发展现状与甲醇生产工艺要求对换热网络系统进行优化，促使夹点技术为甲醇生产性质企业提供良好的技术支撑。

3.3 注重能量利用效果

3.3.1 明确夹点

在应用夹点技术改造CO变换工段换热网络系统时首先需进一步明确夹点。通过在甲醇精馏工艺中可对夹点进行科学计算，进而达到能量合理转化目的。一般夹点计算方法共有两种，其中一种为T-H图法，另一种为问题表法。从两种不同计算方法中可知：利用软件对其换热网络进行计算时可得出夹点温度处于58℃左右，最小冷、热公用工程量各自为60.76与57.69MW。而在问题表法计算下所得出的结果基本一致。与实际量相比有些许差异，主要是因为跨越夹点所产生的换热负荷，进而导致目标值与计算值间出现差距。

此外，在设计换热网络时还应考虑到夹点温差对于夹点技术应用效果的影响。通常温差越大，热量回收的可能性就越小，所需冷热负荷会随之增大，最终造成换热网络成本投入减少。要想保证夹点技术为换热网络的设计提供积极作用，可在10℃到30℃之间选择一个适合的温差，以此符合目标值的要求。甲醇生产环节较为合理的冷热公用工程量应为12.34与34.63MW，且在90℃夹点温度时能够贴合换热网络优化理念。同时，在确定夹点时还需遵循一定原则，比如不允许在CO变换工段安装冷却器，或者不应刻意安装加热器等，并且只在冷热公用工程换热网络实施加热与冷却步骤时设置夹点等，以此保证冷热物流得到相应的能量供应，为企业甲醇生产工作增加能量回收利用率，促使能量得到妥善处理。

3.3.2 改造结构

在传统换热网络中常存在能量利用不到位等问题。比如在夹点下利用加热公用工程等极易增加换热负荷，又或者在夹点上应用冷却公用工程，这样也会增加冷却负担。对此，应实施优化手段降低热负荷对夹点的负面影响。实际上，夹点技术对于老厂换热网络的改造也有着重要作用，它所带来的节能效果虽比新厂略小一些，但至少也能获得20%的节能效益。因此，夹点技术的节能与降资效用确实值得引起相关行业的重视。

首先，可在原有基础上适当加装一定数量的换热器，这样可防止公用工程能量同时消耗造成能量回收利用率下降；其次，可根据CO变换工段中产生的夹点温度将其分为两个温度不等的时段，并在低温段向放热装置汲取热量，从而实现良性循环；最后，应规范换热网络位置，比如在加装换热器时，应对原有装置的摆放位置加以调整，并对甲醇生产工艺中CO变换工段中化学反应所产生的热量进行回收，以此为蒸汽预热等操作提供辅助作用。在CO宽温耐硫变换工艺中设有变换装置，为了保证下游工作的顺利开展，应结合夹点技术的应用原理对CO含量进行科学设计，使其高于21.5%，且低于22.5%，以便甲醇生产平稳进行。另外，还需要适当提取冷热流股，一般在甲醇生产工艺中CO变换工段换热网络中所具备的换热面积越大，就证明它拥有的改造空间更充足，即具有较大节能开发潜力。但在实际情况中，常由于无法制定科学的换热方案，导致夹点技术在具体应用流程中无法发挥出真正作用。对此，相关人员应根据不同的流股类型确定流股信息。