费托合成装置节能降耗研究

丁文瑶，王瑞航，李虎，井云环，温润娟

（1.国家能源集团宁夏煤业有限责任公司，宁夏 银川 750411；2.浙江大学 化学工程与生物工程学院，浙江 杭州 310000）

我国能源资源不平衡，富煤、贫油、少气，2020年人均能源占有量不足世界平均水平的50%，而人均石油能源量约为世界人均水平的10%左右，石油对外依存度高达70%，能源结构问题十分突出，加之近年来复杂的国际形势，制约了我国化工生产自主能力，严重影响了我国经济的发展[1]。因此，针对我国煤炭资源丰富的现状，通过先进的科学技术，调整我国“富煤、贫油、少气”的资源结构，缓解国家油气资源短缺，推进国家中长期能源发展战略，降低原油对外依存度，增强国家能源安全保障能力。煤炭液化是以煤为原料发展煤制油产业的技术，是实现煤炭清洁转化、降低石油对外依存度的有效途径，但由于煤制油工艺技术特点，导致其能耗高[2-3]，因此只有通过减少装置能耗，才能使煤制油在过程经济上具有竞争力，在环境上满足绿色要求。

针对我国提高能源利用率、节能减排的基本国策以及绿色制造体系建设的发展需求，提高煤制油装置的能源梯级利用率将是“十四五”时期全面推进绿色制造体系建设迫切需要突破的重点和难点。基于以上因素，本文针对煤间接液化项目的核心费托合成装置开展节能降耗优化研究。

1 费托合成装置能耗成本分析

费托合成装置是一个复杂的工艺系统，用能种类繁多，较难实现整体优化，因此需通过能耗成本分析，如图1所示，确定重点用能项目为电、次中压蒸汽、低低压蒸汽，应用化工工艺过程模拟技术，从提高换热效率、余热利用效率、优化装置工艺等方面，提出了优化进汽提塔重质油加热效率、轻质油气ORC余热发电、轻质油气对进汽提塔轻质油加热、循环换热分离系统工艺优化等节能降耗优化方案。

图1 费托合成装置能耗成本对比图

2 节能降耗优化方案

2.1 优化进汽提塔重质油换热效率

费托合成装置中进汽提塔的重质油在重质油稳定蜡换热器中被稳定蜡加热，再经过重质油加热器被次高压过热蒸汽加热，稳定蜡则在重质油稳定蜡换热器中被重质油冷却后，在稳定蜡换热器中经由除氧水冷却，如图2所示。

图2 汽提塔重质油加热示意图

针对经过重质油稳定蜡换热器后外送稳定蜡需除氧水冷却而重质油需用蒸汽提温的问题，经过分析得到，将原换热流程优化为稳定蜡首先进入重质油加热器中，逆向与重质油稳定蜡换热器出口的重质油换热，可提高进汽提塔重质油加热效率，如图3所示。

图3 优化进汽提塔重质油加热效率示意图

在满足工艺生产需求的条件下，根据优化方案模型计算，该方案的实施每小时可节约4 t次高压饱和蒸汽，装置节能估算为1.556×106MJ·a-1。

2.2 轻质油气ORC余热发电提高余热利用率

费托合成装置费托反应器顶部排出的高温油气与原料气换热，经降温分离出重质油后成为轻质油气，进入油气空冷器被冷却后分离出轻质油[4-9]。

轻质油气流量巨大，是较好的余热利用资源，但是其温度不高，作为低品位热量难以直接利用，而其冷却所需的油气空冷器功率大、耗电量高。针对这一问题，提出了将轻质油气的热量通过ORC余热发电技术[10-13]进行回收发电，轻质油气被冷却至75 ℃，之后再经由油气空冷器进一步冷却的换热方案，如图4所示。

图4 轻质油气ORC余热发电示意图

根据优化方案模型计算得到，ORC发电系统可产生的电量为4 880 kW，每年按照8 000 h计算，每年的发电量为3 904万kW·h，其次经过ORC发电系统后轻质油气被冷却至75 ℃，每小时可降低空冷器电耗 6.90×104kW·h，每年可降低电耗55 200万kW·h。

2.3 轻质油气对轻质油加热提高热集成率

进汽提塔的轻质油在轻质油加热器中被低低压蒸汽加热后进入汽提塔。费托反应器顶部经过循环换热分离器后的轻质油气被油气空冷器由150 ℃冷却至50 ℃进入油气分离系统，如图5所示。

图5 进汽提塔轻质油加热示意图

经过分析得到，通过将进汽提塔轻质油与部分轻质油气换热，优化了能量利用系统，冷却后的轻质油气并入轻质油气总管，如图6所示。

图6 轻质油气对进汽提塔轻质油加热示意图

根据优化方案模型计算得到，该方案的实施每小时可节约5 t低低压蒸汽，部分轻质油气被轻质油冷却后，油气空气冷却器运行负荷降低，每小时可节约电耗为2.54×103kW·h，装置节能估算为5.27×105MJ·a-1。

2.4 循环换热分离系统工艺优化

费托合成反应器顶部排出的高温油气在循环换热分离系统中与原料气换热以达到反应余热加热原料的目的，提高余热利用率。但是在工艺操作过程中易出现换热效率低或重质油带水的问题。本文基于模拟软件对循环换热分离系统工艺流程开展模拟，研究了在高温油气压力、组成条件不变的情况下循环换热分离器最佳温度控制区间。

通过模拟优化得到最佳温度控制区间，如图7所示。在当前工艺条件下，循环换热分离系统温度低于125.5 ℃时，分离出的重质油中水含量快速上升，高于125.5 ℃时则趋于平稳，这是因为高温油气温度低于125.5 ℃时，达到了水的露点，导致水以液体的形式被夹带至重质油中。此外，随着循环换热分离器温度逐渐降低，来自费托反应器的高温油气将更多的热量传递至原料气，使得费托反应器产蒸汽量增多。同时，高温油气释放出更多热量后分离出的轻质油气温度、流量均减少，在被油气空冷器冷却时，空冷器负荷降低，节约了装置能耗。因此，在日常操作中，应控制循环换热分离系统温度稳定在125.5 ℃，使得能耗降低的同时实现工艺平稳运行。

图7 循环换热分离系统最佳温度控制区间

3 结 论

1）通过对装置能耗成本分析，确定了重点用能项目为电、次中压蒸汽、低低压蒸汽，为费托合成装置的节能降耗研究工作指明了方向。

2）在装置能耗分析基础上，提出了优化进汽提塔重质油换热效率、轻质油气ORC余热发电、轻质油气对轻质油加热提高热集成率、循环换热分离系统工艺优化等节能方案，理论上每年节约能源20 MJ以上。

3）提出的费托合成装置的余热利用方案充分利用装置余热资源，减少了能源消耗，经济效益明显，可以为煤化工相关企业的节能减排工作提供参考，从长远发展来看，符合“十四五”规划经济发展要求。