氯乙烯裝置節能降耗研究

樊增強，劉清昀，馬廣翔

（天津渤化化工發展有限公司，天津）

氯乙烯作為一種重要的基礎化工原料， 在化工、建材、塑料等多個行業中廣泛應用。 氯乙烯的生產過程中能耗較高，并產生一定的廢氣排放。 為提高氯乙烯生產的能源利用效率，減少能源消耗和環境污染，開展氯乙烯裝置的節能降耗研究具有重要意義。

隨著全國節能減排措施的逐步落實，平衡氧氯化法生產氯乙烯已成為國內生產氯乙烯的主流生產工藝之一。

本研究針對平衡氧氯化法生產氯乙烯裝置的節能降耗問題，以天津渤化發展有限公司實際的節能降耗優化方向為例開展分析，為氯乙烯裝置的節能降耗提供新的思路和方法，對相關行業的能源利用和節能優化有一定的參考和借鑒意義。

1 氯乙烯生產概況

氯乙烯裝置包括4 個主要生產單元，分別是直接氯化單元、EDC 水洗及精制單元、 裂解單元和氧氯化單元。

直接氯化單元利用乙烯和氯氣發生氯化反應生成二氯乙烷，分為高溫氯化和低溫氯化兩種不同單元。

EDC 水洗及精制單元是EDC 的處理單元，將直接氯化單元及氧氯化單元生產的粗濕二氯乙烷進行精制提純為干純二氯乙烷。

裂解單元通過裂解工藝，將干純二氯乙烷裂解，產生氯乙烯及氯化氫，并將各組分分離。

氧氯化單元利用乙烯、氧氣及裂解單元副產的氯化氫通過氧氯化反應，生產二氯乙烷。 氯乙烯裝置流程簡圖見圖1。

圖1 氯乙烯裝置流程簡圖

2 氯乙烯裝置降低原料消耗措施

2.1 降低乙烯消耗

氯乙烯裝置中，乙烯是主要的生產原料，用于生產中間產品二氯乙烷。 其消耗的降低能帶來更高的收率，進而節約能源，主要有以下幾種措施。

（1）降低低溫氯化尾氣乙烯含量

低溫氯化處理氧氯化單元及高溫氯化單元的乙烯凈化氣。 低溫氯化單元尾氣直接進入排放系統進行處理，尾氣乙烯含量高，將影響乙烯消耗。 尾氣設有在線乙烯含量分析表，乙烯含量要求控制在0.5%～3.0%， 適當降低尾氣乙烯含量， 能夠減少乙烯的損耗，從而降低乙烯單耗。 本裝置通過調整，控制低溫氯化尾氣乙烯含量為0.5%～0.8%，以達到降耗需求。

（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單元產生的EDC 中溶解的乙烯，減少乙烯的浪費。 乙烯汽提塔的汽提效果直接影響乙烯的消耗。 乙烯汽提塔開車后出現填料破碎，堵塞換熱器等現象，嚴重影響了乙烯汽提塔的運行效率。 因此更換填料材質，減少填料的破損， 從而提高乙烯汽提塔的運行效果，降低乙烯的單耗。

（3）投用加氫反應器

保證加氫反應器正常運行，使HCl 中的乙炔轉化為乙烯，提高乙烯收率。

2.2 提高二氯乙烷收率

氯乙烯生產過程中二氯乙烷作為主要的中間產品，其在精餾提純過程中，伴隨著部分二氯乙烷的損耗。 因此，提高二氯乙烷的收率是裝置主要研究的降耗措施之一，主要措施如下。

（1）提高乙烯轉化率

裝置主要對低溫氯化、高溫氯化反應器調整乙烯/氯氣進料比例， 合理控制反應器催化劑鐵含量，以減少副產物的生成，使原料最大程度地轉化為目標產物二氯乙烷，減少乙烯消耗。

另外對氧氯化反應器做好催化劑運行數據分析，控制好熱點溫度，提高產品二氯乙烷純度，在提高乙烯轉化率的同時延長催化劑的使用周期。

（2）減少二氯乙烷的采出量

氯乙烯裝置中為了防止副產物累積，需要定期采出輕組分及重組分。 在保證裝置穩定運行情況下，盡可能的降低輕重組分中二氯乙烷含量，提高二氯乙烷收率。

a.減少輕組分的采出量

輕組分塔是二氯乙烷中水及輕組分分離的設備，其輕組分中含有15%～40%的二氯乙烷。 在保證二氯乙烷精餾效果的前提下，適當減少輕組分的采出，有助于提高二氯乙烷的收率。 如將輕組分中二氯乙烷純度從40%降低至15%，公司每年輕組分采出量約為12000 t， 每年可提高二氯乙烷產量12000×（40%-15%）=3000（t）。

b.減少重組分的采出量

氯乙烯裝置中，由于生產過程產生部分焦油和重組分，容易結焦阻塞設備，有一定量的重組分采出， 重組分送至焚燒處理。 重組分中約含有15%～40%的二氯乙烷。在保證系統不結焦的前提下，適當減少重組分的采出， 有助于提高二氯乙烷的收率。如將重組分中二氯乙烷純度從40%降低至15%，公司每年重組分采出量約為20000 t， 可提高二氯乙烷產量20000×（40%-15%）=5000 （t）。

通過以上措施的落實， 乙烯單耗從0.293 t/t EDC 降低至0.290 t/t EDC。

3 降低裝置能耗的措施

3.1 氯乙烯裝置能耗使用概述

天津渤化化工發展有限公司氯乙烯裝置2022年2月開車成功。經過近兩年的運行，對裝置能源使用情況進行分析，以達到節能降耗的效果。 裝置主要原料為乙烯，來自外購和MTO 裝置。 能源種類有生產水、生產電、4.5 MPa 蒸汽、1.0 MPa 蒸汽、燃氣等，公司氯乙烯裝置2022年全年主要能源能耗構成情況見表1。

從表1 可看出， 裝置能耗使用量最大的為蒸汽，消耗使用量第二為燃氣，次之為生產電消耗，用量較少的為生產水。

3.2 氯乙烯裝置節能措施

3.2.1 蒸汽節能措施

從上述能耗構成可看出，氯乙烯裝置能耗使用最高的為蒸汽，蒸汽來源主要有外購蒸汽及裝置副產蒸汽。

外購蒸汽主要由4.5 MPa 蒸汽和1.0 MPa 蒸汽，副產蒸汽為氧氯化單元副產1.75 MPa 和裂解爐副產的1.0 MPa 兩種蒸汽。 氯乙烯裝置使用的蒸汽類型主要有4 種，由以上蒸汽減溫減壓得到。 次高壓飽和蒸汽MHS 1.75 MPa 208 ℃；中壓飽和蒸汽MS 1.0 MPa 193 ℃；低壓飽和蒸汽LS 0.5 MPa 158 ℃；低低壓飽和蒸汽LLS 0.3 MPa 143 ℃。

氧氯化單元利用反應熱副產蒸汽和4.5 MPa 蒸汽減溫減壓后的蒸汽一起并入1.75 MPa 管網，1.75 MPa蒸汽主要用于EDC 氣化器及VCM 塔熱源使用；1.0 MPa 蒸汽用于各精餾塔作為塔釜熱源使用，0.5 MPa 和0.3 MPa 蒸汽主要作為汽提塔熱源使用。

在氯乙烯裝置的能源使用中，蒸汽作為最主要的能源，節省蒸汽使用的作用尤為突出。 針對蒸汽節能，主要采取了以下措施。

（1）合理調配二氯乙烷的生產負荷

在二氯乙烷的生產過程中高溫氯化反應熱直接用于精餾，氧氯化單元反應器副產蒸汽，因此保證高溫氯化及氧氯化單元高負荷，可以達到節省蒸汽的目的。

高溫氯化反應： 高溫氯化的反應溫度控制在110 ℃左右，反應熱供給與其相連接的高溫氯化塔，用于二氯乙烷的氣化，1 mol 反應可氣化6 mol 二氯乙烷；

氧氯化反應：由乙烯、氧氣及裂解副產HCl 反應生成二氯乙烷，其反應熱由與反應器連接的蒸汽包帶走，副產1.75 MPa 蒸汽。

（2）優化精餾塔操作

氯乙烯生產過程中，涉及到的精餾塔數量較多，主要用于二氯乙烷及氯乙烯的精制過程。 因此精餾塔的優化操作能夠起到較為可觀的節能效果。

過量蒸汽與過量的回流固然會帶來更好的精餾效果，但會造成塔釜熱量的過度使用。 因此，在保證精餾塔產物純度的條件下， 盡可能縮減回流，減少蒸汽的使用，以達到節能的效果；在環境氣溫低時，通過關小循環水閥門或開大循環水旁路閥門的方式，將循環水的換熱量降低，最大程度利用環境溫度進行換熱，從而提高回流罐的溫度，節省塔釜熱源蒸汽的用量；在保證精餾效果的前提下，適當降低精餾塔塔壓，能夠有效減少蒸汽用量。

（3）充分利用裝置內物料熱量

一是物料之間的充分換熱。 氯乙烯裝置中，輕組分塔進料與出料、 廢水汽提塔的進料與出料、VCM 塔釜出料與循環EDC 塔進料等均設計有熱回收換熱器，需保證設備正常投用，堵塞時及時清洗，確保換熱效果。 二是充分利用急冷氣。 裂解急冷氣溫度較高，主要用于使用在HCl 塔及循環EDC 塔再沸器，以減少蒸汽用量。 通過控制塔釜液位、急冷氣分配及換熱器清洗，保證最佳效果。

通過優化HCl 塔的操作，使急冷氣熱量充分利用，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 的折標煤系數計算，每年8000 h 的開工量可節省能源5213.6 t 標煤。

（4）其他措施

首先，通過技改項目，實施乙烯氣化器改造，將低溫乙烯罐的低溫乙烯與循環水進行換熱，減少乙烯氣化消耗的蒸汽量。 同時，低溫乙烯與循環水進行換熱，降低了循環水的溫度，減少了氯乙烯裝置循環水的冷負荷。

其次，裝置內蒸汽疏水閥的定期檢測更換也是節省蒸汽的手段。 疏水閥的損壞，伴隨著一定量的蒸汽浪費。 定期進行效果檢測能夠避免蒸汽的損耗。

蒸汽的輸送過程中存在熱量損失，選擇高效的保溫材料能夠在一定程度上減少熱量損失，提高能源的利用率。 除此之外，選取高效的換熱器，利用蒸汽滴狀凝結技術等均能提高換熱效果，提高蒸汽利用率，降低蒸汽消耗。

3.2.2 燃氣節能措施

氯乙烯裝置第二多的能源使用量為燃氣，燃氣用于裂解爐內燃燒提供裂解所需熱量。 氯乙烯裝置共有裂解爐4 套，每套共有80 個燒嘴。 氯乙烯裝置燃氣主要使用氫氣、 天然氣及MTO 裝置副產燃料氣。 對于裂解爐的燃氣消耗，主要有以下措施。

（1）提高氫氣用量，減少燃料氣消耗

燒堿裝置副產氫氣，公司內部其他裝置如雙氧水裝置、PP 裝置、POSM 裝置等無法完全消耗，產生大量的氫氣余量。 且氯乙烯裝置使用特制燃燒器，每個燃燒器中含有氫氣和燃料氣兩個燒嘴，可以優先使用燒堿裝置的副產氫氣， 保證氫氣最大使用量，以減少燃氣的用量。

（2）提高MTO 副產燃料氣用量，減少天然氣消耗

MTO 副產燃料氣與天然氣混合后使用。 由于MTO 燃料氣熱值低，且組分波動較大，會造成裂解爐溫度波動，為保證MTO 副產氣最大量使用，減少天然氣用量。 經與燃燒器廠家溝通，最終確定了改進方案，部分燃燒器采用氫氣和燃料氣燒嘴同時燃燒的方法，最大程度消耗MTO 副產燃料氣，同時，減少了裂解爐溫度波動的情況。

（3）控制裂解爐負壓及含氧量，減少天然氣消耗

VCM 裂解爐為自然通風型，負壓過大，會造成空氣進入過多，帶走熱量。 通過減小裂解爐風門，控制裂解爐負壓，減少含氧量，避免熱量損失。

（4）合理調整裂解爐燒嘴分布

通過對裂解爐燒嘴分布的調整，盡可能保證其熱量均勻分布，使熱量充分利用，減少燃氣消耗。

（5）控制合理的裂解度

裂解爐運行過程中， 裂解度過低會造成大量EDC 未裂解進入到循環EDC 中， 重新精餾及裂解會造成能源浪費。 因此在保證產品質量及裂解爐使用周期情況下，適當提高裂解度，增加產量，能夠降低燃氣消耗。

3.2.3 生產電節能措施

氯乙烯裝置用電設備較多，大型機組共有12 臺，用電量較大的主要設備有冷凍機、 乙烯壓縮機等，其節能優化主要措施如下。

（1）使用變頻電機

VCM 裝置循環系統風機采用變頻電機，根據溫度變化及時調整， 冬季溫度低時可以停部分風機，降低電耗。

（2）低氣溫時，停用冷凍機

每套氯乙烯裝置均有3 臺冷凍機制冷，由于冬季氣溫較低， 冷凍機負荷較低， 可使用2 臺冷凍機制冷，減少冷凍機用電量。每臺冷凍機1760 kW，電量折標煤系數為0.1229 kgce/（kW·h），按照冬季90 天低溫天氣計算，每年可節省19.47 t 標煤。

（3）合理利用系統壓力，減少機泵開啟

氯乙烯裝置HCl 汽提塔壓力為0.78 MPa，塔釜氯乙烯產品依靠塔釜泵輸送至氯乙烯罐區，系統壓力可直接輸送至生產罐區，因此可停用塔釜泵。 每臺機泵25 kW，開工量按照每年8000 h 計算，電量折標煤系數為0.1229 kgce/（kW·h）， 每年可節省24.58 t 標煤。

3.2.4 生產水節能措施

氯乙烯裝置生產水主要供機泵機封沖洗使用，部分用于系統內添加。 采取的節能措施有3 種：一是對機泵機封沖洗水進行了工藝改造，增加機泵機封沖洗水罐，改造機泵機封水管道結構，使機泵沖洗水可循環使用，從而降低生產水的消耗；二是工藝水管道增加電伴熱， 以減少冬季防凍長流水量；三是對冬季不常使用的生產水管道進行排空處理，以避免管路凍凝或防凍長流水。

4 APC 先進控制技術的應用

先進控制（APC）技術的應用使生產過程控制實現革命性的突破，由原來的常規控制過渡到多變量模型預估控制，工藝生產控制更加合理、優化。 先進控制技術采用科學、 先進的控制理論和控制方法，以工藝過程分析和數學模型為核心，以工廠控制網絡和管理網絡為信息載體，充分發揮DCS 和常規控制系統的潛力， 保障生產裝置始終運轉在最佳狀態， 通過多變量協調和約束控制降低裝置能耗，實現卡邊操作，以獲取最大的經濟利益，是企業節能增效的有效手段之一。

天津渤化化工發展有限公司氯乙烯裝置優先使用了中智軟創先進控制技術， 使上述節能措施中的控制手段均能實現自動優化調整。

5 結語

天津渤化化工發展有限公司從氯乙烯裝置的節能措施入手，提出了氯乙烯生產上的節能優化方向及所采取的節能措施，但仍存在一定的節能優化空間，如裂解氣的熱量利用不夠充分，裂解爐煙氣的熱量回收，氧氯化單元開車后的乙烯回收等。 后續將進一步優化調整， 以促進裝置安穩長滿優運行，同時實現節能降耗的目標。