硝基甲苯精馏塔顶工艺蒸汽热能回收利用

全 佳，赵 琳，杨 科，郭 歌，杨献斌

(1.昊华工程有限公司，北京 100202 ;2.北京建盛达工程设计有限公司，北京 100201 ;3.河南省化工研究所有限责任公司，河南郑州 450052)

1 概述

江苏淮河化工有限公司现有一套100 kt/a 硝基甲苯装置，采用精馏与结晶结合的方法进行产品精制。精馏主要用于硝基甲苯混合组分中三个同分异构体的初步分离，最终产品的纯化则利用对、间位硝基甲苯熔点差异进行结晶分离。其精馏装置共4 套21 座塔(17 座精馏分离塔+3 座干燥塔+1 座备用塔)，连续操作。结晶采用间歇批次操作，硝基甲苯结晶器共12 台，间硝基甲苯结晶器共4 台。

精馏装置塔顶工艺蒸汽温度在120 ℃左右，目前大部分采用河水直流冷却，部分采用循环冷却水，将塔顶工艺蒸汽冷凝。该方式既浪费了塔顶热源，又使得冷凝器易结垢，影响传热效果，一次水消耗量较大造成浪费。其循环冷却水装置能力5 000 t/h，分4 个循环水系统并分置于不同的地方。

结晶操作经过降温结晶、加热发汗及加热熔化三个过程，结晶过程使用低温介质降温，发汗及熔化过程则需要热能进行加热。其冷却降温过程需要低温水才能满足工艺要求，目前采用氨制冷机组产生11 ℃冷水进行降温。制冷系统采用三台氨制冷机组，其中制冷量为4.2 MJ(100 万大卡)的机组2 台，2.10 MJ(50 万大卡)机组1 台，11 ℃冰水总产量约为200 t/h。发汗及熔化过程采用直接通入蒸汽加热的方法。

2 热能利用改造方案

2.1 蒸汽由冷却水冷凝改为循环热水冷凝

现有精馏装置，采用冷却水冷凝，由于原塔顶冷凝器换热面积过大，致使实际操作回流温度约为100 ℃，为过冷回流。改为70 ℃→90 ℃循环热水冷凝，并增加温度自调措施调节回流温度在泡点温度。通过计算，可回收精馏塔顶工艺蒸汽冷凝热量为17.38 MW，折合70 ℃→90 ℃循环热水量为730 t/h。各精馏塔第一冷凝器回收热量见表1。

表1 各精馏塔塔顶第一冷凝器参数表

2.2 热能、冷能利用措施

2.2.1 热能利用

回收塔顶热能所生产的730 t/h 热水，主要用于结晶器加热、溴化锂制冷和冬季采暖水取热，并可用于液氨汽化，满足热用户需求之后，多余热能则由循环冷却水带走。热水用户分布如下:①结晶器加热。发汗和化料两个过程需要用热水。按熔融热计算，对位结晶器需要736 kW，间位结晶器需要278 kW，共计1 014 kW，平均每小时加热能耗折合蒸汽1.7 t/h(一年按8 000 h 计算产能)，考虑热损及其它损失，加热能耗最多可计为2 t/h，即需要1.2 MW热量即可，折合90 ℃→80 ℃的热水约103 t/h。②液氨气化。该公司硝酸生产中消耗气氨，按照目前100 kt 硝酸规模计算，每小时耗氨3.75 t。现在液氨气化采用蒸汽加热方式。液氨气化过程改用热水，按气化热计算，液氨气化热为1 127.45 kJ/kg，需热量为1 171 kW，每小时加热能耗折蒸汽1.98 t/h(一年按8 000 h 计算产能)，考虑热损及其它损失，加热能耗可计为2.1 t/h，即需要1.25 MW 热量即可，折合80 ℃→70 ℃的热水约107 t/h。③用于溴化锂制冷。现有制冷装置的制冷量为2 900 kW。因天气原因夏天冷量不能满足装置要求，从而影响了生产能力。综合各方面因素，确定采用4 660 kW(两台2 330 kW)溴化锂制冷机组，以回收的90 ℃热水进行制冷，生产7 ℃冷水，替代现有氨制冷机组，用于全厂用冷系统。④富余热水。夏季时，剩余热量8.27 MW(17.38 -1.2 -1.25 -6.66)。此部分热能由55 t/h(730 -103 -572)的90 ℃→80 ℃热水及623 t/h(730 -107)的80 ℃→70 ℃热水组成，直接使用循环水带走剩余热量。冬季时，剩余热量为9.93 MW(17.38 -1.2 -1.25 -5.0)。此部分热能由197 t/h(730 -103 -430)的90 ℃→80 ℃热水及623 t/h(730 -107)的80 ℃→70 ℃热水组成，采用冬季取暖水取热或者直接使用循环水带走剩余热量。

2.2.2 冷能利用

采取2.33 MW 溴化锂机组2 套，夏季需要产生4.44 MW 冷量，折合7 ℃→12 ℃的冷水约771 t/h;冬季需要产生3.5 MW 冷量，折合7 ℃→12 ℃的冷水约586 t/h;根据现装置运行经验及验算，冷水用户分布如下:①精馏装置。主要是干燥塔及其水环泵部分，一、二、三、四套干燥塔塔顶冷凝器需要冷量约为499.4 kW，折合7 ℃→12 ℃冷水84.9 t/h，再加上水环泵冷水所需，共计为120 t/h。②结晶过程。经核算，所需冷量上限为1.744 MW，折合7 ℃→12 ℃冷水300 t/h。③夏季空调。夏季办公区空调制冷，需要7 ℃→12 ℃冷水185 t/h。④氨合成水冷器。氨合成工段水冷器气体有75 ℃→10 ℃耗冷量3.486 ×106kJ/h，需要7 ℃→12 ℃冷水166 t/h。

表2 冷却水流量

总之，夏季时，溴化锂制冷量4.6 MW，精馏装置干燥塔顶冷凝器、结晶器降温、空调及氨合成用冷能4.5 MW，折合7 ℃→12 ℃的冷水量771 t/h，耗90 ℃→80 ℃热水571 t/h。冬季时，溴化锂制冷量3.5 MW，精馏装置干燥塔顶冷凝器、结晶器、氨合成水冷器降温用冷能3.4 MW，折合7 ℃→12 ℃冷水量586 t/h，耗90 ℃→80 ℃热水430 t/h。

3 溴化锂制冷及冷热水循环系统

工艺流程如图1 所示。

3.1 热水循环流程

以循环脱盐水取代原精馏塔顶的循环冷却水，采用70 ℃循环热水储罐的脱盐水对塔顶工艺蒸汽进行冷凝，控制塔顶循环热水出口温度为90℃。精馏塔顶冷凝器出来的90 ℃循环热水汇集后直接送至溴化锂制冷机组，用于制取7 ℃冷水。热水温度降至80 ℃后直接经循环水换热器冷却至70 ℃进70 ℃热水泵入口管，由泵送入精馏塔顶冷凝器，形成热水闭路循环系统循环使用。多余90 ℃水则分别送至结晶器热水加热器，用于发汗和融晶过程的加热和液氨气化加热器用于液氨气化。之后温度降至70 ℃也返回70 ℃泵入口管。在冬季取暖期，另有一股50 t/h 的循环热水去办公楼用于取暖，回水温度为55 ℃。

通过以上过程，形成70 ℃→90 ℃热水闭路循环系统，即70 ℃热水→热水泵→精馏塔顶冷凝器→90 ℃热水用户(溴化锂制冷机组、结晶器热水加热器)→80 ℃热水用户(液氨气化加热器、循环冷却器)→70℃热水闭路循环系统。停车检修时，70℃、80 ℃、90 ℃热水分别回70 ℃、80 ℃、90 ℃热水罐，满足开、停车要求。

3.2 制冷循环脱盐水系统

图1 工艺流程图

溴化锂冰机制备的7 ℃冷水用于四部分:一部分到结晶工段、一部分到干燥塔塔顶冷凝器及水循环真空泵，一部分到办公楼用于夏季制冷，另一部分到氨合成水冷器。采用闭路循环系统循环使用。通过以上过程形成7 ℃→12 ℃冷水闭路循环系统，即12 ℃冷水→冷水泵→溴化锂制冷机组→7 ℃冷水用户(干燥塔顶冷凝器、结晶冷却器、办公楼空调器、氨合成冷却冷凝器)→12 ℃冷水闭路循环系统。当停车检修时，7 ℃、12 ℃冷水分别回7 ℃、12 ℃冷水罐，满足开、停车要求。冬季需60 ℃热水量为50 t/h，而能量综合利用项目的热水温度为70～80 ℃，所以需要增设一台冷却器(E002，换热面积27 m2，Φ450 mm×3 000 mm)对供暖热水进行降温，以保护风机盘管系统，冷却介质选用循环水。

4 新增主要设备表

新增主要设备见表1。

表1 新增主要设备

5 经济效益分析

5.1 冰机制冷运行成本

4.6 MW 冰机耗电883 kW·h-1;耗32～38℃冷却水794 m3/h，折电耗67 kW·h-1。共计电耗950 kW·h-1。其它季节折电耗712.5 kW·h-1。

原有塔顶循环冷却水泵电耗(冷却器布置于高60 m 平台)471 kW·h-1。

5.2 回收热量溴化锂制冷

溴化锂机组耗电9.95 ×2 =19.9 kW;耗冷却水761 ×2 =1 522 m3/h，H =30 m，折合电耗:148 kW，共计167.9 kW。其它季节折电耗125.9 kW·h-1。

表2 本次改造投资概算 万元

热量回收溴化锂及配套水部分运行增加电耗:夏季4. 6 MW 制冷量运行耗电:70 ℃热水泵730 m3/h，系统压力降19.6 kPa(20 m H2O)计;循环冷却器耗循环水量1 130 m3/h、出口压力为29.4 kPa(30mH2O)。P =(978 ×9.81 ×730 ×20 +995 ×9.81 ×1130 ×30)/(3 600 ×1 000 ×0.98)=133.9 kW·h-1。

其它季节3.5 MW 制冷量运行耗电:70 ℃热水泵730 m3/h，系统压力降19.6 kPa(20 m H2O)计;循环冷却器耗循环水量1 367 m3/h、出口压力29.4 kPa(30mH2O)。P =(978 ×9.81 ×730 ×20 +995 ×9.81 ×1 367 ×30)/(3 600 ×1000 ×0.98)=153.2 kW·h-1。

5.3 冰机制冷与热回收溴化锂制冷及其供热效益比较

夏季:既要保证生产用冷，又要保证办公区空调，总制冷量为1.68 ×107kJ/h，两种方案运行电耗差为950 +471 -167.9 -133.9 =1 119.2 kW·h-1，以每度电价格0.56 元计，运行2 160 h，节约效益135.3 万元。其他季节:由于办公区不需要空调，仅保证生产用冷，制冷量为3.5 MW，两种方案运行的电耗差为904.4 kW·h，以每度电价格0.56 元计，运行5 840 h，节约效益295.8 万元。回收精馏塔顶工艺蒸汽潜热为结晶发汗、熔化供热，与冰机制冷需直接由蒸汽供热相比，每年节约蒸汽16 000 t，每吨蒸汽价格为150 元，折合经济效益为240 万元。回收精馏塔顶工艺蒸汽潜热为100 kt 硝酸装置用氨3.75 t/h 气化供热，与冰机制冷需直接由蒸汽供热相比，每年节约蒸汽16 800 t，每吨蒸汽价格为150元，折合经济效益为252 万元。以上四项计年节能效益约为923.1 万元。

5.4 节能改造结论

①本节能方案可从塔顶冷凝器回收热能17.38 MW，折合蒸汽约为29 t/h。但由于未能找到更多的低温热能(90 ℃热水)用户，回收热能的利用率低，结晶器加热、液氨气化加热及制冷机组等最高，只利用了90 ℃→80℃段热水和部分80 ℃→70 ℃段热水的热量，仅占回收热能的53.4%。②采用90 ℃热水替代原用低压蒸汽，节省蒸汽4.1t/h，一年以8 000 h 计，则年节省蒸汽32 800 t。③溴化锂机组可生产4.6 MW 的冷量，可替代现有制冷系统(制冷量2.9 MW)，又能满足增加的用冷量，节约了动力(电能)消耗，同时保证了装置的长周期稳定满负荷操作。④本能量回收综合利用投资约2 013.43 万元，每年节电769.9 万kW·h，节约蒸汽3.28 万t，直接节能降耗效益约923.1 万元，二年多即可收回投资。⑤通过热回收利用改造，提高了自动化水平。