Повышение энергетической эффективности теплотехнологической схемы пиролиза в совместном производстве этилена и пропилена методами энерготехнологического комбинирования

Актуальность темы

.

Предприятия нефтехимической отрасли относятся к числу наиболее крупных потребителей топливно-энергетических ресурсов. На предприятиях нефтехимии ежегодно расходуется около 30 млн. т. условного топлива и 650 млн. ГДж теплоты. По уровню потребления тепловой энергии она занимает первое место, по затратам натурального топлива — пятое место, по затратам электрической энергии — третье место среди других отраслей промышленности.

Одним из крупнейших предприятий нефтехимической промышленности Татарстана и России, производящим ежегодно более 1 млн. тонн химической продукции, является Акционерное общество «Казаньоргсинтез». ОАО «Казаньоргсинтез» сохраняет лидирующее положение в России среди производителей полиэтилена низкого и высокого давления (ПВД и ПНД) и является его крупнейшим экспортером. Удельный вес ПВД и ПНД в товарной продукции предприятия составляет 60%. Исходным сырьем для производства полиэтилена служит этилен — один из целевых продуктов олефинового производства, осуществляемого на первом в технологической цепочке ОАО «Казаньоргсинтез» заводе «Этилен». Наиболее топливои энергоемким участком теплотехнологической схемы производства низших олефинов, таких как этилен, пропилен, бутен, бутан, бутадиен, и ряда ароматических углеводородов, является участок пиролиза или термического разложения углеводородного сырья. Показатели норм расхода энергетических ресурсов ОАО «Казаньоргсинтез» для выработки этилена в 2003 году составили 700 тыс. Гкал/год теплоты в виде водяного пара, 400 тыс. Гкал/год холода, 280 тыс. МВт-ч/год электроэнергии. Энергопотребление рассматриваемой стадии пиролиза одной из технологических линий при производстве низших олефинов — 200 тыс. Гкал/год теплоты, 95 тыс. Гкал/год холода, 65 тыс. МВт-ч/год электроэнергии. Кроме того, стадия пиролиза углеводородного сырья характеризуется значительным выходом тепловых высокопотенциальных, тепловых низкопотенциальных и горючих вторичных энергетических ресурсов.

В последнее время на мировом рынке наблюдается тенденция роста спроса на этилен и пропилен. На ОАО «Казаньоргсинтез» в 2003 году общая мощность производства этилена составила 334 тыс. тонн в год. Достигнутая производственная мощность по этилену рассматриваемой стадии пиролиза составила 78 тыс. тонн в год, по пропилену — 39,6 тыс. тонн в год. Рост объемов производства этилена по сравнению с предыдущим годом — 11,3%. Кроме того, в результате осуществляемой модернизации и расширения производства планируется увеличить выпуск этилена с 334 тыс. тонн до 600 тыс. тонн в год и нарастить производство полиэтилена различных марок до 700 тыс. тонн в год. Реконструкция завода «Этилен» позволит вывести «Казаньоргсинтез» в лидеры этиленового рынка стран СНГ. Как следствие, наблюдается рост темпов потребления топлива, тепловой и электрической энергии в производстве низших олефинов. В данных условиях проблема повышения эффективности использования всех видов энергии в совместном производстве низших олефинов (этилена и пропилена) становится все более актуальной.

При значительной энергоемкости теплотехнологической схемы пиролиза в совместном производстве этилена и пропилена нужно отметить недостаточно эффективное использование образующихся на предприятии вторичных энергетических ресурсов (ВЭР). В производстве этилена и ряда других продуктов олефинового производства теряется значительное количество теплоты уходящих из печей пиролиза дымовых газов, продуктовых потоков, охлаждающей воды. К вторичным энергоресурсам рассматриваемого производства также можно отнести теплоту продуктов реакции (пирогаза, паров верхнего продукта колонн), теплоту образующегося конденсата, теплоту, отводимую в системах принудительного охлаждения (теплоту циркуляционной воды скрубберов).

Наиболее перспективным направлением энергосбережения в нефтехимической промышленности на сегодняшний день считается создание энерготехнологических комплексов, в которых топливно-энергетические ресурсы используются с наибольшей эффективностью [1−5]. Применение принципов энерготехнологического комбинирования стало обязательным условием проектирования новых нефтехимических производств. На действующих предприятиях по производству низших олефинов, где уже сформировалась своя теплотехнологическая структура, принцип энерготехнологического комбинирования в полной мере реализован быть не может, но возможно его частичное использование через организацию систем утилизации неиспользуемых на предприятии вторичных энергоресурсов на базе энерготехнологических комбинированных систем.

Теплотехнологические схемы пиролиза в совместном производстве низших олефинов (этилена и пропилена) представляют собой сложные объединения, состоящие из множества различных взаимозависимых элементов, различающихся по назначению, конструкции, по структуре включения в технологическую линию с учетом взаимодействия с системами энергообеспечения. Работа каждого аппарата влияет на графики энергопотребления и выхода вторичных ресурсов в той технологической линии, к которой относится данный элемент. Оценить эффективность работы такой системы возможно на основе системного анализа теплотехнологической схемы пиролиза в совместном производстве низших олефинов (этилена и пропилена), включающего анализ структуры внутренних и внешних связей рассматриваемого объекта, а также тепловой и термодинамический анализ.

Анализа структуры связей теплотехнологической схемы пиролиза в производстве этилена и пропилена заключается в выявлении зависимостей между элементами схемы, выделении замкнутых последовательностей элементов и определении оптимальной последовательности ее расчета. Термодинамический анализ, основанный на применении эксергетического метода, позволяет оценить степень термодинамического совершенства исследуемой системы, выявить потери от необратимости для всей системы и элементов, произвести оценку эффективности элементов в составе системы, определить величину технически работоспособной энергии.

Системный анализ позволяет оценить резервы энергосбережения и выявить оптимальный вариант повышения эффективности использования топливно-энергетических ресурсов в теплотехнологической схеме пиролиза при производстве этилена и пропилена.

Следовательно, целью работы является организация системы комплексной утилизации вторичных энергетических ресурсов для теплотехнологической схемы пиролиза в совместном производстве низших олефинов (этилена и пропилена) на базе комбинированных энерготехнологических систем.

Научная новизна состоит в следующем:

1. На основе методов математического моделирования проведен анализ структуры внутренних и внешних связей исследуемого объектатеплотехнологической схемы пиролиза в совместном производстве этилена и пропилена.

2. В результате проведения системного анализа, декомпозиции и синтеза теплотехнологической схемы исследуемого объекта получена расчетная модель теплотехнологической схемы пиролиза в совместном производстве этилена и пропилена.

3. Проведен анализ тепловой и термодинамической эффективности рассматриваемой теплотехнологической схемы пиролиза в совместном производстве этилена и пропилена.

4. Предложены принципиальные схемные решения по организации новой системы утилизации вторичных энергетических ресурсов в рамках энерготехнологической комбинированной системы стадии пиролиза в совместном производстве этилена и пропилена, обеспечивающей выработку технологической продукции и энергоносителей в виде пара промышленных параметров, горячей воды и холода требуемых параметров на основе применения пароструйных компрессоров и абсорбционных холодильных машин.

Достоверность.

Достоверность представленных положений, предложенных решений обеспечивается применением современных методов структурного и термодинамического анализа, фундаментальных законов технической термодинамики, гидрогазодинамики, теплообмена, апробированных методик расчета теплообменного оборудования, оборудования нефтехимических производств, пароструйных компрессоров, абсорбционных холодильных машин, технологического комбинированных систем по отпуску технологической и энергетической продукции. Полученные результаты подтверждаются результатами натурного эксперимента, проводимого с применением установленного на предприятии контрольно-измерительного оборудования, прошедшего государственные испытания и аттестацию.

Практическая ценность.

Практическая ценность полученных результатов заключается в том, что разработанные в диссертационной работе положения и реализованные программы могут быть использованы при проектировании новых и усовершенствовании уже действующих теплотехнологических схем нефтехимических производств, в частности, теплотехнологических схем пиролиза в совместном производстве этилена и пропилена. Результаты диссертационной работы могут быть рекомендованы к применению при организации энерготехнологических комплексов на предприятиях нефтехимической промышленности.

Личное участие.

Основные результаты работы получены автором лично под руководством член-корр. РАН, д.т.н. Назмеева Ю.Г.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы были доложены на следующих научно-технических конференциях:

1. Аспирантско-магистерский научный семинар КГЭУ, Казань, март 2000 г.;

2. Всероссийская школа-семинар молодых ученых и специалистов «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении», Казань, 2−4 октября 2002 г.;

3. Аспирантско-магистерский научный семинар КГЭУ, Казань, март 2003 г.;

4. III Международная конференция «Проблемы промышленной теплотехники», Киев, Украина, 29 сентября — 4 октября 2003 г.;

5. IV Международный Симпозиум «Ресурсоэффективность и энергосбережение в современных условиях хозяйствования», Казань, 18 — 20 декабря 2003 г.;

6. Аспирантско-магистерский научный семинар КГЭУ, Казань, 6−8 апреля 2004 г.;

7. IV Школа-семинар молодых ученых и специалистов «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении», 28 — 29 сентября 2004 г.;

8. V Международный Симпозиум «Ресурсоэффективность. Энергосбережение», Казань, 1−3 декабря 2004 г.;

9. Итоговая научная конференция 2004 года Казанского научного центра Российской академии наук, Казань, 8−16 февраля 2005 г.;

10. Одиннадцатая ежегодная международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 1−2 марта 2005 г.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ.

4.6. Выводы.

1. В соответствии с методикой проведения термодинамического анализа произведена оценка тепловой и термодинамической эффективности теплотехнологической схемы пиролиза в совместном производстве этилена и пропилена. Определены критерии эффективности КСИ и КПИ. Критерии позволяют определить и оценить в системе производства уровень потребления подведенной в объекте эксергии и уровень полезного использования переданной эксергии.

2. Составлены тепловой и эксергетический балансы БТТС стадии пиролиза в производстве этилена и пропилена. Определены потери и термодинамическая эффективность отдельных элементов, блоков и БТТС в составе системы производства. При расходе сырья (пропан-бутановой и этановой фракций) в количестве 34,538 т/ч к БТТС стадии пиролиза подводится 49,291 МВт (100%) эксергии. Из-за термодинамического несовершенства процессов теряется 18,604 МВт. В элементах БТТС передается 32,602 МВт (100%) эксергии, из которых воспринимается 15,036 МВт (51,9%).

3. Выполнена оценка термодинамической эффективности основных элементов БТТС стадии пиролиза по балансу КПД (Е)4'2. По количеству переданной эксергии первое место занимают печи пиролиза (69,06%), второе — подогреватели сырья и топлива (7,12%), третье — котлы-утилизаторы (6,88%), затем следуют скрубберы.

4. Выполнена оценка термодинамической эффективности основных элементов БТТС стадии пиролиза по балансу КПИ (Е). Выявлены элементы, в которых происходят потери из-за неэффективного использования воспринятой эксергии. Первое место по потерям эксергии занимают трубчатые печи пиролиза. Затем подогреватели сырья и топлива, скрубберы, котлы-утилизаторы.

5. Полученные результаты позволяют оценить резервы энергосбережения в теплотехнологической схеме пиролиза при совместном производстве этилена и пропилена. В результате проведения анализа и оценки термодинамической эффективности теплотехнологической схемы пиролиза выявлены следующие основные технологические и энергетические потоки, эксергия которых может быть использована на предприятии (см. рис. 4.3): а) потоки воздуха «60" — б) потоки антифриза «80», «140», «169» и «187" — в) потоки хладоагента «198» и «237" — г) потоки оборотной воды «36», «103», «107», «117», «120», «125», «131», «134», «163», «166», «174», «180», «183», «217», «242», «252» и «264, потоки подсмольной воды «108». Особое внимание следует уделить потокам парового конденсата «10», метано-водородной фракции «223», паров углеводородов «104», водяного пара «24», «212» и потокам дымовых газов печей пиролиза «25».

6. В результате проведения термодинамического анализа выявлены потоки, которые могут быть полезно использованы на производстве. К вторичным энергетическим ресурсам (ВЭР), образующимся при производстве этилена и пропилена, можно отнести теплоту уходящих из печи пиролиза дымовых газов, неиспользуемую теплоту продуктов реакции (пирогаза, паров верхнего продукта колонн), теплоту образующегося конденсата, теплоту, отводимую в системах принудительного охлаждения (теплоту циркуляционной воды из пенных аппаратов, промывателей, т. е. скрубберов), метано-водородную фракцию (МВФ) (горючие ВЭР). МВФ можно использовать в качестве топлива в печи этого же производства. Значительными потерями в рассматриваемом производстве, как и вообще на предприятиях нефтехимии, являются потери теплоты с уходящими газами промышленных печей. Основными способами утилизации теплоты уходящих газов является применение теплоиспользующих установок для подогрева воды или воздуха, сырья, а также паровых котлов-утилизаторов и газотурбинных установок, встроенных в запечный тракт. Пар, получаемый в КУ, можно использовать для разбавления сырья или для выработки в турбинах электроэнергии и пара более низкого давления, или для подогрева технологических потоков. Включение в схему процесса абсорбционных трансформаторов теплоты, утилизирующих теплоту дымовых газов, приводит к выработке холода требуемых параметров, необходимого на стадии выделения тяжелых углеводородов из пирогаза. Котлы-утилизаторы могут быть установлены также с целью получения пара или подогрева воды за счет использования теплоты пирогаза. Возможно применение теплообменных аппаратов на термосифонах. Утилизация теплоты паров верхнего продукта колонн осуществляется в кипятильниках для подогрева кубовой жидкости колонн (ТНУ). Теплота циркуляционной воды может быть утилизирована с целью подогрева технологических потоков или использована на нужды отопления и горячего водоснабжения (аппараты мгновенного вскипания). Также возможно заменить схему дросселирования пара на схему с установкой пароструйных компрессоров и использованием пара вторичного вскипания. Теплоту парового конденсата возможно использовать для выработки холода в абсорбционных холодильных машинах, для подогрева технологических потоков, сырья, а также использовать на нужды отопления, горячего водоснабжения. Комплексное внедрение вышеперечисленных мероприятий позволит повысить эффективность теплоиспользования в технологической схеме совместного производства этилена и пропилена.

ОРГАНИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ УТИЛИЗАЦИИ ВЭР НА БАЗЕ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ КОМБИНИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ СТАДИИ ПИРОЛИЗА В СОВМЕСТНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ ЭТИЛЕНА И ПРОПИЛЕНА.

5.1. Постановка задачи.

При разработке утилизационной системы в рамках энерготехнологической комбинированной системы (ЭТКС) ставились следующие задачи:

1. На основе принципов энерготехнологического комбинирования разработать систему комплексной утилизации, использующую ВЭР теплотехнологической схемы пиролиза в совместном производстве этилена и пропилена.

2. Оценить тепловую и термодинамическую эффективность теплотехнологической схемы стадии пиролиза в совместном производстве этилена и пропилена с учетом разработанной утилизационной системы ЭТКС.

Возможно несколько вариантов организации систем утилизации вторичных энергетических ресурсов в рамках ЭТКС. Так, к вторичным энергоресурсам, образующимся в процессе пиролиза при производстве этилена и пропилена, относят теплоту уходящих из печи пиролиза дымовых газов, неиспользуемую теплоту продуктов реакции (пирогаза, паров верхнего продукта колонн), теплоту образующегося конденсата, теплоту, отводимую в системах принудительного охлаждения (теплоту циркуляционной воды из пенных аппаратов, промывателей, т. е. скрубберов), метано-водородную фракцию (МВФ). МВФ можно использовать в качестве топлива в печи этого же производства. Наиболее значительными потерями на предприятиях нефтехимии являются потери теплоты с уходящими газами промышленных печей. Основными способами утилизации теплоты уходящих газов является применение теплоиспользующих установок для подогрева воды или воздуха, сырья, а также паровых котлов-утилизаторов и газотурбинных установок, встроенных в запечный тракт. Пар, получаемый в КУ, можно использовать для разбавления сырья или для выработки в турбинах электроэнергии и пара более низкого давления, или для подогрева технологических потоков. Включение в схему процесса абсорбционных трансформаторов теплоты, утилизирующих теплоту дымовых газов, приводит к выработке холода требуемых параметров, необходимого на стадии выделения тяжелых углеводородов из пирогаза. Котлы-утилизаторы могут быть установлены также с целью получения пара или подогрева воды за счет использования теплоты пирогаза. Возможно применение теплообменных аппаратов на термосифонах. Утилизация теплоты паров верхнего продукта колонн осуществляется в кипятильниках для подогрева кубовой жидкости колонн (ТНУ). Теплота циркуляционной воды может быть утилизирована с целью подогрева технологических потоков или использована на нужды отопления и горячего водоснабжения (аппараты мгновенного вскипания). Также возможно заменить схему дросселирования пара на схему с установкой пароструйных компрессоров и использованием пара вторичного вскипания. Теплоту парового конденсата возможно использовать для выработки холода в абсорбционных холодильных машинах, для подогрева технологических потоков, сырья, а также использовать на нужды отопления, горячего водоснабжения.

В результате проведения всестороннего системного анализа теплотехнологической схемы пиролиза, включающего исследование структуры внутренних и внешних связей схемы, а также оценку эффективности энергопотребления на предприятии, получены результаты, позволяющие оценить резервы энергосбережения. В частности, выявлено, эксергия каких основных технологических и энергетических потоков может быть использована на предприятии (см. рис. 4.3): а) потоки воздуха «60" — б) потоки антифриза «80», «140», «169» и «187" — в) потоки хладоагента «198» и «237" — г) потоки оборотной воды «36», «103», «107», «117», «120», «125», «131», «134», «163», «166», «174», «180», «183», «217», «242», «252» и «264, потоки подсмольной воды «108». Особую ценность имеют потоки парового конденсата «10», водяного пара «24», «212» и потоки дымовых газов печей пиролиза «25». Также произведена оценка потребления топливно-энергетических ресурсов на предприятии. Выявлены элементы, в которых имеют место значительные потери из-за неэффективного использования воспринятой эксергии. Первое место по потерям эксергии занимают трубчатые печи пиролиза. Затем подогреватели сырья и топлива, скрубберы. Комплексная утилизация выявленных резервов энергосбережения позволит получить дополнительное количество энергетических ресурсов, используемых на предприятии, что приведет к уменьшению потерь в элементах схемы и повысит эффективность энергоиспользования в теплотехнологической схеме пиролиза в совместном производстве этилена и пропилена.

5.2. Структура комбинированного использования ВЭР для теплотехнологической схемы пиролиза в совместном производстве этилена и пропилена.

Теплотехнологическая схема утилизационной системы ЭТКС представлена на рис. 5.1. Обозначения элементов схемы приведены в табл. 5.1. Синтезируемая ЭТКС предназначена для выработки технологического пара с давлением 0,6 МПа, захоложенной воды с температурой 7 °C и покрытия нагрузок на подогрев технологических потоков, отопление и горячее водоснабжение. Основой предлагаемой схемы является утилизационный контур, обеспечивающий непрерывную транспортировку теплоты от источников к потребителям.

Рис. 5.1. Теплотехнологическая схема утилизационной системы ЭТКС.

В теплообменном аппарате 1 осуществляется отвод теплоты от циркуляционной воды скрубберов, за счет чего происходит подогрев воды с 40 до 60 °C. Данный теплообменный аппарат заменяет воздушный холодильник, имеющий место в БТТС. Далее вода подогревается до 95 °C за.