氯乙烯装置节能降耗研究

樊增强，刘清昀，马广翔

（天津渤化化工发展有限公司，天津）

氯乙烯作为一种重要的基础化工原料， 在化工、建材、塑料等多个行业中广泛应用。 氯乙烯的生产过程中能耗较高，并产生一定的废气排放。 为提高氯乙烯生产的能源利用效率，减少能源消耗和环境污染，开展氯乙烯装置的节能降耗研究具有重要意义。

随着全国节能减排措施的逐步落实，平衡氧氯化法生产氯乙烯已成为国内生产氯乙烯的主流生产工艺之一。

本研究针对平衡氧氯化法生产氯乙烯装置的节能降耗问题，以天津渤化发展有限公司实际的节能降耗优化方向为例开展分析，为氯乙烯装置的节能降耗提供新的思路和方法，对相关行业的能源利用和节能优化有一定的参考和借鉴意义。

1 氯乙烯生产概况

氯乙烯装置包括4 个主要生产单元，分别是直接氯化单元、EDC 水洗及精制单元、 裂解单元和氧氯化单元。

直接氯化单元利用乙烯和氯气发生氯化反应生成二氯乙烷，分为高温氯化和低温氯化两种不同单元。

EDC 水洗及精制单元是EDC 的处理单元，将直接氯化单元及氧氯化单元生产的粗湿二氯乙烷进行精制提纯为干纯二氯乙烷。

裂解单元通过裂解工艺，将干纯二氯乙烷裂解，产生氯乙烯及氯化氢，并将各组分分离。

氧氯化单元利用乙烯、氧气及裂解单元副产的氯化氢通过氧氯化反应，生产二氯乙烷。 氯乙烯装置流程简图见图1。

图1 氯乙烯装置流程简图

2 氯乙烯装置降低原料消耗措施

2.1 降低乙烯消耗

氯乙烯装置中，乙烯是主要的生产原料，用于生产中间产品二氯乙烷。 其消耗的降低能带来更高的收率，进而节约能源，主要有以下几种措施。

（1）降低低温氯化尾气乙烯含量

低温氯化处理氧氯化单元及高温氯化单元的乙烯净化气。 低温氯化单元尾气直接进入排放系统进行处理，尾气乙烯含量高，将影响乙烯消耗。 尾气设有在线乙烯含量分析表，乙烯含量要求控制在0.5%～3.0%， 适当降低尾气乙烯含量， 能够减少乙烯的损耗，从而降低乙烯单耗。 本装置通过调整，控制低温氯化尾气乙烯含量为0.5%～0.8%，以达到降耗需求。

（2）提高乙烯汽提塔的汽提效果

乙烯汽提塔主要用于回收氧氯化单元产生的EDC 中溶解的乙烯，减少乙烯的浪费。 乙烯汽提塔的汽提效果直接影响乙烯的消耗。 乙烯汽提塔开车后出现填料破碎，堵塞换热器等现象，严重影响了乙烯汽提塔的运行效率。 因此更换填料材质，减少填料的破损， 从而提高乙烯汽提塔的运行效果，降低乙烯的单耗。

（3）投用加氢反应器

保证加氢反应器正常运行，使HCl 中的乙炔转化为乙烯，提高乙烯收率。

2.2 提高二氯乙烷收率

氯乙烯生产过程中二氯乙烷作为主要的中间产品，其在精馏提纯过程中，伴随着部分二氯乙烷的损耗。 因此，提高二氯乙烷的收率是装置主要研究的降耗措施之一，主要措施如下。

（1）提高乙烯转化率

装置主要对低温氯化、高温氯化反应器调整乙烯/氯气进料比例， 合理控制反应器催化剂铁含量，以减少副产物的生成，使原料最大程度地转化为目标产物二氯乙烷，减少乙烯消耗。

另外对氧氯化反应器做好催化剂运行数据分析，控制好热点温度，提高产品二氯乙烷纯度，在提高乙烯转化率的同时延长催化剂的使用周期。

（2）减少二氯乙烷的采出量

氯乙烯装置中为了防止副产物累积，需要定期采出轻组分及重组分。 在保证装置稳定运行情况下，尽可能的降低轻重组分中二氯乙烷含量，提高二氯乙烷收率。

a.减少轻组分的采出量

轻组分塔是二氯乙烷中水及轻组分分离的设备，其轻组分中含有15%～40%的二氯乙烷。 在保证二氯乙烷精馏效果的前提下，适当减少轻组分的采出，有助于提高二氯乙烷的收率。 如将轻组分中二氯乙烷纯度从40%降低至15%，公司每年轻组分采出量约为12000 t， 每年可提高二氯乙烷产量12000×（40%-15%）=3000（t）。

b.减少重组分的采出量

氯乙烯装置中，由于生产过程产生部分焦油和重组分，容易结焦阻塞设备，有一定量的重组分采出， 重组分送至焚烧处理。 重组分中约含有15%～40%的二氯乙烷。在保证系统不结焦的前提下，适当减少重组分的采出， 有助于提高二氯乙烷的收率。如将重组分中二氯乙烷纯度从40%降低至15%，公司每年重组分采出量约为20000 t， 可提高二氯乙烷产量20000×（40%-15%）=5000 （t）。

通过以上措施的落实， 乙烯单耗从0.293 t/t EDC 降低至0.290 t/t EDC。

3 降低装置能耗的措施

3.1 氯乙烯装置能耗使用概述

天津渤化化工发展有限公司氯乙烯装置2022年2月开车成功。经过近两年的运行，对装置能源使用情况进行分析，以达到节能降耗的效果。 装置主要原料为乙烯，来自外购和MTO 装置。 能源种类有生产水、生产电、4.5 MPa 蒸汽、1.0 MPa 蒸汽、燃气等，公司氯乙烯装置2022年全年主要能源能耗构成情况见表1。

从表1 可看出， 装置能耗使用量最大的为蒸汽，消耗使用量第二为燃气，次之为生产电消耗，用量较少的为生产水。

3.2 氯乙烯装置节能措施

3.2.1 蒸汽节能措施

从上述能耗构成可看出，氯乙烯装置能耗使用最高的为蒸汽，蒸汽来源主要有外购蒸汽及装置副产蒸汽。

外购蒸汽主要由4.5 MPa 蒸汽和1.0 MPa 蒸汽，副产蒸汽为氧氯化单元副产1.75 MPa 和裂解炉副产的1.0 MPa 两种蒸汽。 氯乙烯装置使用的蒸汽类型主要有4 种，由以上蒸汽减温减压得到。 次高压饱和蒸汽MHS 1.75 MPa 208 ℃；中压饱和蒸汽MS 1.0 MPa 193 ℃；低压饱和蒸汽LS 0.5 MPa 158 ℃；低低压饱和蒸汽LLS 0.3 MPa 143 ℃。

氧氯化单元利用反应热副产蒸汽和4.5 MPa 蒸汽减温减压后的蒸汽一起并入1.75 MPa 管网，1.75 MPa蒸汽主要用于EDC 气化器及VCM 塔热源使用；1.0 MPa 蒸汽用于各精馏塔作为塔釜热源使用，0.5 MPa 和0.3 MPa 蒸汽主要作为汽提塔热源使用。

在氯乙烯装置的能源使用中，蒸汽作为最主要的能源，节省蒸汽使用的作用尤为突出。 针对蒸汽节能，主要采取了以下措施。

（1）合理调配二氯乙烷的生产负荷

在二氯乙烷的生产过程中高温氯化反应热直接用于精馏，氧氯化单元反应器副产蒸汽，因此保证高温氯化及氧氯化单元高负荷，可以达到节省蒸汽的目的。

高温氯化反应： 高温氯化的反应温度控制在110 ℃左右，反应热供给与其相连接的高温氯化塔，用于二氯乙烷的气化，1 mol 反应可气化6 mol 二氯乙烷；

氧氯化反应：由乙烯、氧气及裂解副产HCl 反应生成二氯乙烷，其反应热由与反应器连接的蒸汽包带走，副产1.75 MPa 蒸汽。

（2）优化精馏塔操作

氯乙烯生产过程中，涉及到的精馏塔数量较多，主要用于二氯乙烷及氯乙烯的精制过程。 因此精馏塔的优化操作能够起到较为可观的节能效果。

过量蒸汽与过量的回流固然会带来更好的精馏效果，但会造成塔釜热量的过度使用。 因此，在保证精馏塔产物纯度的条件下， 尽可能缩减回流，减少蒸汽的使用，以达到节能的效果；在环境气温低时，通过关小循环水阀门或开大循环水旁路阀门的方式，将循环水的换热量降低，最大程度利用环境温度进行换热，从而提高回流罐的温度，节省塔釜热源蒸汽的用量；在保证精馏效果的前提下，适当降低精馏塔塔压，能够有效减少蒸汽用量。

（3）充分利用装置内物料热量

一是物料之间的充分换热。 氯乙烯装置中，轻组分塔进料与出料、 废水汽提塔的进料与出料、VCM 塔釜出料与循环EDC 塔进料等均设计有热回收换热器，需保证设备正常投用，堵塞时及时清洗，确保换热效果。 二是充分利用急冷气。 裂解急冷气温度较高，主要用于使用在HCl 塔及循环EDC 塔再沸器，以减少蒸汽用量。 通过控制塔釜液位、急冷气分配及换热器清洗，保证最佳效果。

通过优化HCl 塔的操作，使急冷气热量充分利用，其蒸汽使用量由10 t/h 降低至3 t/h 以下，按照1.0 MPa 蒸汽折合93.1 kgce/t 的折标煤系数计算，每年8000 h 的开工量可节省能源5213.6 t 标煤。

（4）其他措施

首先，通过技改项目，实施乙烯气化器改造，将低温乙烯罐的低温乙烯与循环水进行换热，减少乙烯气化消耗的蒸汽量。 同时，低温乙烯与循环水进行换热，降低了循环水的温度，减少了氯乙烯装置循环水的冷负荷。

其次，装置内蒸汽疏水阀的定期检测更换也是节省蒸汽的手段。 疏水阀的损坏，伴随着一定量的蒸汽浪费。 定期进行效果检测能够避免蒸汽的损耗。

蒸汽的输送过程中存在热量损失，选择高效的保温材料能够在一定程度上减少热量损失，提高能源的利用率。 除此之外，选取高效的换热器，利用蒸汽滴状凝结技术等均能提高换热效果，提高蒸汽利用率，降低蒸汽消耗。

3.2.2 燃气节能措施

氯乙烯装置第二多的能源使用量为燃气，燃气用于裂解炉内燃烧提供裂解所需热量。 氯乙烯装置共有裂解炉4 套，每套共有80 个烧嘴。 氯乙烯装置燃气主要使用氢气、 天然气及MTO 装置副产燃料气。 对于裂解炉的燃气消耗，主要有以下措施。

（1）提高氢气用量，减少燃料气消耗

烧碱装置副产氢气，公司内部其他装置如双氧水装置、PP 装置、POSM 装置等无法完全消耗，产生大量的氢气余量。 且氯乙烯装置使用特制燃烧器，每个燃烧器中含有氢气和燃料气两个烧嘴，可以优先使用烧碱装置的副产氢气， 保证氢气最大使用量，以减少燃气的用量。

（2）提高MTO 副产燃料气用量，减少天然气消耗

MTO 副产燃料气与天然气混合后使用。 由于MTO 燃料气热值低，且组分波动较大，会造成裂解炉温度波动，为保证MTO 副产气最大量使用，减少天然气用量。 经与燃烧器厂家沟通，最终确定了改进方案，部分燃烧器采用氢气和燃料气烧嘴同时燃烧的方法，最大程度消耗MTO 副产燃料气，同时，减少了裂解炉温度波动的情况。

（3）控制裂解炉负压及含氧量，减少天然气消耗

VCM 裂解炉为自然通风型，负压过大，会造成空气进入过多，带走热量。 通过减小裂解炉风门，控制裂解炉负压，减少含氧量，避免热量损失。

（4）合理调整裂解炉烧嘴分布

通过对裂解炉烧嘴分布的调整，尽可能保证其热量均匀分布，使热量充分利用，减少燃气消耗。

（5）控制合理的裂解度

裂解炉运行过程中， 裂解度过低会造成大量EDC 未裂解进入到循环EDC 中， 重新精馏及裂解会造成能源浪费。 因此在保证产品质量及裂解炉使用周期情况下，适当提高裂解度，增加产量，能够降低燃气消耗。

3.2.3 生产电节能措施

氯乙烯装置用电设备较多，大型机组共有12 台，用电量较大的主要设备有冷冻机、 乙烯压缩机等，其节能优化主要措施如下。

（1）使用变频电机

VCM 装置循环系统风机采用变频电机，根据温度变化及时调整， 冬季温度低时可以停部分风机，降低电耗。

（2）低气温时，停用冷冻机

每套氯乙烯装置均有3 台冷冻机制冷，由于冬季气温较低， 冷冻机负荷较低， 可使用2 台冷冻机制冷，减少冷冻机用电量。每台冷冻机1760 kW，电量折标煤系数为0.1229 kgce/（kW·h），按照冬季90 天低温天气计算，每年可节省19.47 t 标煤。

（3）合理利用系统压力，减少机泵开启

氯乙烯装置HCl 汽提塔压力为0.78 MPa，塔釜氯乙烯产品依靠塔釜泵输送至氯乙烯罐区，系统压力可直接输送至生产罐区，因此可停用塔釜泵。 每台机泵25 kW，开工量按照每年8000 h 计算，电量折标煤系数为0.1229 kgce/（kW·h）， 每年可节省24.58 t 标煤。

3.2.4 生产水节能措施

氯乙烯装置生产水主要供机泵机封冲洗使用，部分用于系统内添加。 采取的节能措施有3 种：一是对机泵机封冲洗水进行了工艺改造，增加机泵机封冲洗水罐，改造机泵机封水管道结构，使机泵冲洗水可循环使用，从而降低生产水的消耗；二是工艺水管道增加电伴热， 以减少冬季防冻长流水量；三是对冬季不常使用的生产水管道进行排空处理，以避免管路冻凝或防冻长流水。

4 APC 先进控制技术的应用

先进控制（APC）技术的应用使生产过程控制实现革命性的突破，由原来的常规控制过渡到多变量模型预估控制，工艺生产控制更加合理、优化。 先进控制技术采用科学、 先进的控制理论和控制方法，以工艺过程分析和数学模型为核心，以工厂控制网络和管理网络为信息载体，充分发挥DCS 和常规控制系统的潜力， 保障生产装置始终运转在最佳状态， 通过多变量协调和约束控制降低装置能耗，实现卡边操作，以获取最大的经济利益，是企业节能增效的有效手段之一。

天津渤化化工发展有限公司氯乙烯装置优先使用了中智软创先进控制技术， 使上述节能措施中的控制手段均能实现自动优化调整。

5 结语

天津渤化化工发展有限公司从氯乙烯装置的节能措施入手，提出了氯乙烯生产上的节能优化方向及所采取的节能措施，但仍存在一定的节能优化空间，如裂解气的热量利用不够充分，裂解炉烟气的热量回收，氧氯化单元开车后的乙烯回收等。 后续将进一步优化调整， 以促进装置安稳长满优运行，同时实现节能降耗的目标。