2 甲烷氧化偶联制乙烯工艺的能量利用
2.1 能量利用思路
甲烷氧化偶联制乙烯工艺的能量利用研究是目前一个热点。有人建议[21]把OCM反应工艺与乙烷脱氢制乙烯工艺相联，以利用OCM反应放出的热量或者把热量用于甲烷重整制合成气。同样地，OCM反应放出的热量也可用于发电，对此Penninger[22]和Swanenberg 有过较深入的研究[18]。
图1是甲烷氧化偶联制乙烯工艺的能量利用简图。图中OCM反应器是流化床反应器，反应温度为800 ℃，压力为1bar，催化剂是Na+/CaO，OCM反应器需要通过发生蒸汽等手段取出反应热以保持反应温度在800 ℃。离开OCM反应器的反应产物通过能量回收等措施降温到40℃以实现H2O、CO2和C2H4的分离。然后把反应产物加压至11 bar，以实现水份的凝结移出和后续工作中CO2和C2H4的吸收分离。接着用—乙醇氨吸收CO2，富液降压至1.5bar解吸，回收的CO2纯度达98.6％；用AgNO3吸收C2H4，富液降压至1.5 bar解吸，回收的C2H4纯度为95.4％。剩下的反应产物甲烷化，把其中的CO，H2变为甲烷，然后解压至1 bar，回到OCM反应器继续反应。从反应器内部和反应产物移走的热量用于生产高温高压蒸汽。
图1 甲烷氧化偶联制乙烯工艺的能量利用简图
2.2 能量的研究利用方案
2.2.1 反应产物
本文以年（8500小时）产乙烯106 kt/a工艺为例[18]，说明甲烷氧化偶联制乙烯的能量利用。原料：甲烷211 kt/a，空气2408 kt/a（从空气中制取纯氧）。每年所用的一乙醇氨、AgNO3各少于1 kt/a。表1是反应物的年产量。
2.2.2 热量的利用
如上分析可知，OCM工艺的热量分两部分，一部分是为了保持反应温度800 ℃，在反应器内部取走的热量；另一部分是从800 ℃产物移走的热量。通过PRO/II计算得出，OCM反应器放出的热量△H1＝98.70×106 kcal/h；反应产物相对于0 ℃来说焓值为△H2＝48.90×106 kcal/h。
表1 反应产物的年产量
项目
C2H4
CO2
H2O
年产量/kt·a
106
244
343
OCM反应器的温度大于或等于800 ℃，且需要控制反应温度在800 ℃，所以直接向OCM反应器的排热管输入8.83 MPa，302 ℃的饱和水，生产8.83 MPa，535 ℃的过热蒸汽，可生产过热蒸汽为189 t/h（反应产物的热量不足以生产189 t/h，8.83 MPa，302 ℃的饱和水，所以这样的饱和水通过其他工艺生产。用34 ℃除盐水生产189 t/h，8.83 MPa，302 ℃的饱和水需要热量49.05×106 kcal/h）。
为了高效利用能量，对反应产物（温度大概为800 ℃）的热量实行逐级回收。首先，40 t，34 ℃，8.83 MPa除盐水升温至104 ℃，再实施热力分解变成除氧水，然后升温至302℃，继续用反应产物将302 ℃饱和水加热变成饱和蒸汽，再将302 ℃饱和蒸汽升温至535 ℃。反应产物由800 ℃加热过热蒸汽降至653℃，再加热302℃饱和水后降至347℃，后经加热除氧水及除盐水降至128 ℃和84℃；工艺回收反应产物的热量为32.28×106 kcal/h，并产生8.83 MPa，535 ℃的过热蒸汽为40 t/h。图2是反应产物热量的逐级利用简图。所以反应热和反应产物热的热力学第一定律能量利用效率达到了88.7％。
图2 反应产物热量的逐级利用简图
生产所得高温高压蒸汽（8.83 MPa，535℃，229 t/h）可用B25－8.83/1.2型号的汽轮机发电，可发电11.5 MW。从气轮机排除的蒸汽温度为296.5℃左右，压力1.275 MPa左右，所以完全可以用于供热制冷供生活或生产所用，如图3 所示。
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