节能减排新技术在煤制烯烃项目烯烃分离装置中的应用

田涛　曹博雅

在化學工业生产体系当中，烯烃是一种极为重要的基础原材料，特别是在汽车加工、塑化生产等行业飞速发展的影响之下，为石油化工产业中的烯烃制造量和分离纯度提出了更高的要求。在煤制烯烃的反应中不仅要应用到汽化原煤，还需要燃烧煤炭提供热能，这也是能源消耗较多的生产环节，必须要重视节能减排的优化应用。因此，本文系统介绍煤制烯烃项目中的烯烃分离技术和能源消耗计算方法，结合当前技术应用的不足，详细分析如何在具体实操过程当中落实节能减排目标。

节能减排 煤制烯烃 烯烃分离 能源消耗

当前基础化工行业的飞速发展，促使企业在生产制造的技术手段方面有了极大的提升，特别是在利用煤炭进行烯烃原料的制造分离中，能够更好地通过装置优化的方式实现节能减排，为实现伟大的碳中和目标迈出了重要一步。在进行煤制烯烃的物质分离过程当中，我国已经成功实现了自主研究设备的投产和使用，特别是在系统结构优化和装置提升的发展进程中，能够有效地减少煤炭的热值损失和能源的损耗，更好地优化了生产技术的迭代更新和适用范围。

煤制烯烃的反应过程是指利用原煤的汽化过程，使其中的碳原子和通入的氢气之间发生化学反应，反应物当中包含了烯类和烃类的混合物质，需要通过压缩、吸收和分离的方式来提升产物纯度，供后续的化工生产应用。目前我国所运用的烯烃分离装置是自主研发的MTO设备，其运行原理是将煤的汽化反应混合物进行压缩、清洗和分离，特别是其中的气相和液相的烯烃物质能够得到更为纯净的处理，精度达到99.5%以上。干燥处理后的烯烃混合气体经过冷却干燥后可以送入脱甲烷塔，使C2和C3形成了有效分离，经过脱乙烯塔时还需要送入氢气对乙炔气体进行还原，更重的C4物质经过冷却处理后会收集到对应的汽化罐中，从而完成整个煤制烯烃过程的有效分离。

我国的煤制烯烃年产量可达1672万t，在整个生产过程当中，需要消耗大量的原煤和燃煤来保证连续性的化工生产。为更好地实现碳中和的远景目标，在烯烃生产与分离的使用化工技术当中必须要将节能减耗作为主要研究对象，做好能源总量的计算和优化。在煤制烯烃和烯烃分离的技术应用过程当中，能源的总消耗量包括了汽化原煤、燃烧煤、电能资源和油类物质等应用，是一项实际消耗较大且具有一定综合性的过程。根据某国家级煤制烯烃生产企业实际投产过程来看，单位量的烯烃产品在综合能耗方面的需求量极大，转化为标准煤，用量大约可达4000kg/t，较其他基础的石油化工产业而言能耗偏高，必须要着重关注应用设备、生产分离流程等多方面的技术优化和提升。

由于石油化工行业的研究起步较晚，MTO技术为纯自主研发，在实践应用和装置设计方面存在着一定的不足，会对最终制造和分离出的烯烃物质的纯度和质量产生一定的影响，反应过程当中的能源消耗量也较大。在整个分离过程当中需要经历多步骤的清洗和吸收，必须要充分考虑到混合物质的化学特性来科学排布分离流程，并适当增加氢气、丙烷等来促进反应过程的完全性。但在水洗、碱洗的环节，由于对于混合物杂质的吸收不充分可能会导致一些杂质析出、油性物质堵塞等问题的出现，对于实现更为纯净的烯烃分离会产生一些不利影响，甚至会造成煤制烯烃和分离设备的停运问题，必须要对其进行优化改造，更好地实现生产过程的节能减耗和产品质量的提升。

4.1碱洗塔的优化

在实现烯烃分离的过程当中，会产生一定的酸性气体，容易对分离设备内壁产生损坏和腐蚀问题，必须要使烯烃气体经过碱洗塔的充分吸收后才能够更好地实现分离作用。在碱洗塔内部的碱性液体吸收气体中杂质的过程中会大量地生成碳酸氢钠溶液，一旦其浓度控制不到位会造成晶体的析出，对通气管道内壁形成堵塞，给烯烃分离处理带来一定的负面影响。在对烯烃分离装置进行优化处理的过程当中，技术人员设计了不同浓度的碱性溶液进行实验探究，在模拟实验的过程中发现，注碱量较为适中的碱洗塔在气体的吸收反应方面表现更优，浓度过高时尽管能够达到较好的气体吸收效果，但更容易和气体当中的氧化物质发生化学反应形成油状生成物，对最终的排液产生了污染，不利于实现烯烃分离应用的节能环保效用。

4.2脱丙烷的优化

在自主研制的MTO烯烃分离装置当中，应用了丙烷来代替丙烯，更好地实现了生产过程中的节能减排和成本节约。对于脱丙烷塔的装置应用优化主要是针对烯烃物质的分离和裂解的不同反应过程，由于其反应物、原理等方面更为相似，不需要重复建立两个脱丙烷塔来实现烯烃生产，可以考虑将二者合一，取消塔顶的冷凝器、塔底泵等零件，而是利用了烯烃裂解过程当中的气缩机，将气液混合物制通入到分离过程当中脱丙烷塔内，C2、C3和C4的分离和裂解都可以使用整合后的脱丙烷塔系统完成，有效减少了在气液转换过程当中产生的乙烯损失。在脱丙烷塔的整合优化处理过程当中，技术人员需要将连接口位置的气液管道尺寸直径进行扩增，并根据实际反应的需求对重沸器的功率和规格进行合理调整，更好地实现了反应过程当中的节能优化，在生产企业的基础设施建设成本方面也起到了极大的节约效用。

4.3回收气相丙烯

在丙烯的分离处理时主要是以液相状态进入到塔内形成脱离，但在这个过程当中仍然会存在一定的气相丙烯出现逸散，不利于提升烯烃分离的实际产量。技术人员在对分离装置进行改造和优化的过程当中，通过涂刷吸附剂的方式使这些丙烯气体能够更好地聚集在吸附剂周围，特别是在受热的情况下，这些气体会产生大量的残留造成一定的生产损失。在优化丙烯的分离吸收过程当中，还可考虑在进行气象混合物料的排除和压缩处理过程当中增加回收罐，使这些吸附剂中收集到的气相丙烯能够更好地回收利用，有效实现了节能减耗和增加产量的目的。在烯烃分离的装置设计当中，不同的循环流程对应于不同的分离处理环节，技术人员在予以优化时要充分考虑到分离物质的气相、液相特征和反应环境温度控制等条件实现更有针对性的调整。

4.4废水环保处理

在整个烯烃分离处理的过程当中，需要运用到水洗的方式对气体进行净化吸收，而由于对于气流速度控制的不当和反应环境温度过高等影响，一些净水会伴随着气流进入到后续的反应塔内，特别是在碱洗塔的反应环节当中，由于吸收了这些净水会造成碱性液体的液面上升、排除的废水量增加的问题，不利于实现系统性的水循环和环保处理。但若盲目减少前期的水洗环节用量，则可能会导致一些氧化物质的处理不完全，以及与碱性液体反应形成的油性物质容易产生管道堵塞问题。基于环保优化的目的，技术人员可在水洗反应环节的末端增除沫网，在水洗循环的过程当中，可以实现向净水内进行透平凝液补充的目的，有效提升了净水的质量和水体循环效用，对于后续的碱洗塔和其他反应环节也不会产生质量影响。

4.5蒸汽凝液回收

在烯烃分离装置当中，为实现气相和液相的有效转换，需要使用一定的冷凝装置来促进反应完成，常规的冷凝主要是依靠蒸汽的循环来实现，相较于冷循环泵更加节能环保。为更好地减少分离反应过程当中对水资源的浪费，技术人员将冷却塔内水蒸气凝液进行了回收再利用，将水冷却塔内的蒸汽利用导管实现了液化循环，增加了收集罐避免冷凝液的随意排放，经过充分冷却后可注入到水冷却塔的入口处参与冷凝反应，也可作为二次循环的液体补充。在某生产场地内利用了该项蒸汽凝液的回收技术，每年节约的能耗总量换算为标准煤可达1900t，更好地为实现碳中和发展形成助力。

4.6多余单元调整

在傳统的煤制烯烃和分离设备的应用过程当中会涉及大量的多余单元，需要进行简化处理，不仅能够帮助生产企业从投产成本上予以合理控制，也能够更好地节约在制备和分离过程当中的能源消耗。首先，在甲烷分离处理的过程当中需要使用到冷循环设备将其中的油性物质进行吸收处理，但从生产实践来看，冷循环泵长时间地持续运行需要消耗大量的电力资源，且技术人员通过增加吸收油的循环口高差也可以达到类似的冷处理效果，通过对其进行简化处理更好地实现了电能节约。其次，在煤制烯烃的反应过程当中，由于氢气供应不充分可能会生成乙炔气体造成乙烯不纯的现象，利用加氢反应装置可以进一步促进乙炔向乙烯的反应完全度。经过技术人员对煤制烯烃装置的研究和升级中发现，在系统连续反应时以缺的实际产量较为有限，请通过温度的合理调控能够使乙烯的纯度达到生产标准，加氢反应装置的实际利用率较低且每台设备的使用年限仅为6个月，不符合环保节能的发展目标。最后，绿油即乙炔分子的低聚合物质，通过在系统内设计温度感应装置等能够较好地满足生产纯度需求，增建绿油系统反而会扩大装置的空间，不利于节约生产成本。以规范化的MTO生产过程来看，通过对上述3个多余单元的优化和调整，可以实现能耗节约达11.45GJ/h，节约生产投资83万左右。

4.7碳的捕捉利用

根据碳制烯烃的反应原理来看，对于碳原子的利用率会直接影响最终的产量和分离质量，为更好地达到节能减排的生产目标，提升对于碳的捕捉和再利用也成为了技术人员工作的重点内容之一。在煤制烯烃的反应过程当中，需要向其通入氢气促进碳原子和氢原子的结合反应，但在燃烧过程当中仍不可避免的产生二氧化碳等酸性气体，传统的分离反应过程是利用了碱洗塔将二氧化碳吸收，降低了碳原子的实际利用率。通过CCS技术实现了二氧化碳捕捉可以更好地促进煤制烯烃反应的充分度，并利用这些二氧化碳气体和冷凝过程当中的氮气等进行有效置换，进一步提升了反应过程当中的碳氢比例，使更多的原煤能够充分转化为烯烃产品，并降低了制备和分离过程当中产生的二氧化碳尾气。

4.8加强塔釜温控

由于烯烃分离装置的反应环节较多、设备运行精细度要求较高，特别是在塔釜内部的反应温度控制必须要精细化处理，否则会对最终的烯烃生成物质量产生一定的影响，还容易因为超温和超压造成反应塔釜的停运，烯烃生成物在长导管内进行传输和分离时容易因为受冷凝结而造成后续分离装置的连锁停机问题。技术人员在对系统进行温度控制时需要利用温度传感设备辅助观察设备内的实际温度状况，一旦出现有温度范围不适配的情况要立即通过增温或降温的方式进行调控，强化锅炉和冷凝装置的实际作用，更好地促进煤制烯烃的有效分离。

4.9氮气含量优化

在整个煤制烯烃和分离处理的过程当中，需要使用到氮气作为气体压缩制冷的原材料，但其含量过高时会出现逸散和丙烯气体相互混合，在压缩机运行的过程当中，气体出口处的温度会急剧上升，对于实际的压缩制冷效果会产生不利影响，还可能会引发系统内的设备损坏，许多丙烯气体也会伴随着氮气向外排出导致碳元素的浪费和损耗。技术人员可考虑在压缩罐内利用新气体去置换原有的氮气，在精馏塔的反应过程内提前进行，避免气体出口处的升温问题造成其他连锁反应，在气体压缩机运行保持平稳后再灌入丙烯液体从而实现更为完全的烯烃分离反应。

4.10锅炉节能改造

在煤制烯烃的反应过程当中需要先将煤进行燃烧气化反应后再进行生成物的分离处理，在燃烧时，一部分煤渣在压滤和汽化的过程中会形成湿煤灰从而导致环境的污染，为更好地满足节能减排的发展目标，在对锅炉进行改造优化时可以将这些湿煤灰收集后作为燃料送入锅炉当中，或通过循环流化的方式提升对这部分排放物的利用率。另外，锅炉的反应温度和热值利用会直接影响烯烃物质的生成质量，技术人员可考虑在炉膛内壁上喷附超导热涂层使煤的汽化反应更加充分，更有利于节约循环流化炉的实际燃烧用量。在某石油化工企业的实践改造应用过程当中，增加超导热涂层后的热值利用率提升了约3%，年均节约煤炭可达1t，进一步提升了企业的实际效益。

煤制烯烃和烯烃分离技术在我国的基础石油化工产业当中发展较为成熟，并在进一步升级革新的过程中落实了节能减排的目标，有效提升了企业经济效益。在球罐和碱洗塔的优化过程当中要注意气压的平衡和碱液浓度的控制，结合具体的煤制烯烃生产量来计算确定，严格控制分离技术当中的能源消耗问题。在烯烃分离过程当中，产生的各类废水和蒸汽凝液可以根据实际需求进行回收处理，使生产过程当中锅炉内部的水循环量能够实现含氧量的有效控制。在锅炉的节能改造当中主要是利用了涂层优化来提升煤炭热值，强化了碳粉的捕捉效用。

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：田涛（1986—），男，本科，中级工程师，研究方向为煤制烯烃、MTO、烯烃分离。