劉紀云，盧 葦，陳 漢，王 穎，徐 昆，許 浩

（廣西大學 化學化工學院，廣西 南寧 530004）

丙烯腈生產工藝低品位能量回收系統(tǒng)及其性能的研究

劉紀云，盧 葦，陳 漢，王 穎，徐 昆，許 浩

（廣西大學 化學化工學院，廣西 南寧 530004）

為回收利用丙烯腈生產投料段液態(tài)原料的冷能及吸收塔尾氣焚燒爐排放的 低溫煙氣余熱，設計了一種噴射式制冷循環(huán)與低溫有機朗肯循環(huán)復合的低品位能量回收系統(tǒng)。結合某年產200 kt丙烯腈項目，利用Matlab建模對所設計的系統(tǒng)進行仿真。試驗結果表明，在滿足工藝冷量需求的前提下，噴射式制冷機組較原工藝中的螺桿制冷機組可節(jié)電110.65 kW；由于利用了液態(tài)原料蒸發(fā)過程的冷能，該系統(tǒng)中有機朗肯循環(huán)在較低的冷凝溫度下運行，較常規(guī)有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)熱效率提高52.4%；該系統(tǒng)的熱效率和 效率分別為19.1%和49.8%；提高熱源發(fā)生壓力和循環(huán)工質過熱度及降低循環(huán)工質冷凝溫度，均有利于提高系統(tǒng)的性能。

丙烯腈；低品位能量回收；有機朗肯循環(huán)；噴射制冷循環(huán)

丙烯腈是一種重要的有機化工原料，在合成樹脂、合成纖維、合成橡膠等高分子材料的生產中廣泛應用［1］。應用最廣的丙烯腈生產技術是丙烯氨氧化法，我國已建丙烯腈生產裝置全部采用該方法，但不同裝置的實際原料消耗和能耗水平相差很大，大多數(shù)裝置節(jié)能降耗的潛力巨大［2-3］。

丙烯腈裝置正常生產過程會產生大量廢水、廢氣，為防止污染環(huán)境，一般需進行焚燒處理。焚燒過程余熱回收技術主要針對廢水焚燒爐與丙烯腈吸收塔尾氣焚燒爐（AOGI）。廢水焚燒爐余熱回收技術在國內開展研究較早，已在如齊魯石化丙烯腈廠、吉林化學工業(yè)公司、大慶煉化公司聚合物一廠等企業(yè)應用并取得較好效果［4-6］。而AOGI余熱回收技術國內應用較少，僅上海石化等少數(shù)企業(yè)采用了國產化的AOGI煙氣余熱回收技術［7-8］。但AOGI煙氣余熱回收利用后的排放溫度仍然較高（175 ℃左右），應合理利用這部分煙氣余熱，進一步提高能源利用率、降低系統(tǒng)綜合能耗。此外，丙烯腈生產所需的原料氨和丙烯一般以液態(tài)形式儲存于廠內大球罐（儲存方式為常溫壓力儲存），經蒸發(fā)器汽化后進入預熱器過熱到66 ℃，之后送入流化床反應器［9］。原料在蒸發(fā)器內蒸發(fā)會釋放大量的冷能，而在傳統(tǒng)工藝流程中這部分冷能并沒有得到有效利用。而將低品位冷能與低溫煙氣余熱聯(lián)合利用可獲得良好的能量綜合利用效果［10-15］。

本工作結合某年產200 kt丙烯腈項目，針對丙烯腈生產的原料冷能及低溫煙氣余熱，構建一種結合噴射式制冷循環(huán)與有機朗肯循環(huán)復合的低品位能量回收系統(tǒng)，并對其性能進行分析。

1 能量回收系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)設計

低品位能量回收系統(tǒng)的原理圖見圖1，T-S圖見圖2。該系統(tǒng)采用AOGI煙氣作為熱源，由于液態(tài)原料在冷凝蒸發(fā)器內的汽化過程中會吸收大量熱能，故將其作為冷源。通過中間換熱器（即冷凝蒸發(fā)器）H1回收原料冷能，螺桿膨脹機K1回收循環(huán)工質膨脹產生的可用能；此外，利用噴射制冷循環(huán)系統(tǒng)替代常規(guī)丙烯腈裝置中的蒸氣壓縮式制冷機組。

低品位能量回收系統(tǒng)的工作流程：循環(huán)工質在發(fā)生器內被煙氣余熱加熱至過熱（狀態(tài)1）；過熱的循環(huán)工質分為兩路：一路進入膨脹機K1做功，另一路作為工作流體進入噴射器引射來自蒸發(fā)器的低溫低壓蒸氣（狀態(tài)7）。從膨脹機K1出來的循環(huán)工質（狀態(tài)2）與從噴射器出來的循環(huán)工質（狀態(tài)3）進入中間換熱器冷卻至液態(tài)（狀態(tài)4）。從儲液罐出來的循環(huán)工質分為兩路：一路經工質泵加壓（狀態(tài)5）后進入發(fā)生器；另一路經膨脹閥節(jié)流降壓為兩相流體（狀態(tài)6），進入蒸發(fā)器蒸發(fā)吸熱變?yōu)闅鈶B(tài)（狀態(tài)7），之后作為引射流體進入噴射器。

圖2 低品位能量回收系統(tǒng)的T-S圖Fig.2 T-S chart of the combined low-grade energy recovery system.

1.2 低品位能量回收系統(tǒng)的性能評估

根據(jù)系統(tǒng)原理圖和T-S圖，可推導出低品位能量回收系統(tǒng)的凈輸出功為：

噴射制冷循環(huán)子系統(tǒng)的性能系數(shù)為：

有機朗肯循環(huán)子系統(tǒng)的熱效率為：

低品位能量回收系統(tǒng)的熱效率為：

2 案例研究

2.1 低品位能量回收系統(tǒng)的性能分析

以廣西某在建年產200 kt丙烯腈項目為例，其丙烯腈裝置工藝為丙烯氨氧化法，年操作8 000 h，液態(tài)原料丙烯和氨的規(guī)格按100%計，表1為丙烯腈原料投料段參數(shù)及AOGI煙氣參數(shù)。采用噴射制冷機組替代該項目丙烯腈裝置中的螺桿乙二醇制冷機組（制冷量為374 kW，載冷劑出口溫度為-10 ℃，取載冷劑進出口溫差為5 ℃）。循環(huán)工質的選取應綜合考慮工質的環(huán)保性、汽化潛熱、循環(huán)性能、有毒性、安全性等因素，同時工質在循環(huán)過程中應盡量處于正壓狀態(tài)［16-17］，受運行壓力的限制，故選用丙烷作為該系統(tǒng)的循環(huán)工質。以不破壞丙烯腈生產工藝參數(shù)要求為原則，該系統(tǒng)性能分析的部分輸入參數(shù)可按表2設定。為比較低品位能量回收系統(tǒng)及其子系統(tǒng)的性能，以常規(guī)有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)及丙烷螺桿制冷機組［18］作對照（見表2）。應用Matlab進行仿真計算，其中，原料及循環(huán)工質的物性參數(shù)通過NIST REFPROP 9.0獲?。粸楹喕嬎?，忽略管路壓降損失、系統(tǒng)和環(huán)境之間的散熱損失、膨脹機泄漏及機械損失，且噴射器的噴射系數(shù)為最大噴射系數(shù)［19］。此外，假定低品位能量回收系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)運行。計算結果見表3。

表1 液態(tài)原料及AOGI煙氣參數(shù)Table 1 Parameters of liquid raw materials and AOGI gas

表2 用于復合能量回收系統(tǒng)和對照系統(tǒng)性能分析的部分輸入參數(shù)Table 2 Some input parameters for the performance analysis of the combined energy recovery system and a compared system

a) Since the temperature difference between the condensing temperature and cooling water inlet temperature was generally in 10-20 ℃ in the water-cooled condenser［20］，the condensing temperature of conventional organic Rankine cycle was assumed to be 35 ℃.

表3 系統(tǒng)性能模擬結果Table 3 Simulating results of several systems

由表1和表3可知，發(fā)生器耗熱量小于煙氣余熱最大可用量，所設計的低品位能量回收系統(tǒng)在滿足工藝冷量需求的前提下，可獲得935.4 kW的凈功率。該系統(tǒng)的熱效率為19.1%、效率為49.8%。與螺桿制冷機組相比，雖然噴射制冷機組的性能系數(shù)較低，但噴射制冷機組消耗的是低品位的煙氣余熱，而螺桿制冷機組消耗的是高品位的電能，采用噴射制冷機組較原有的螺桿制冷機組可節(jié)電110.65 kW。此外，由于利用了液態(tài)原料蒸發(fā)過程的冷能，該系統(tǒng)中的有機朗肯循環(huán)冷凝溫度降低，較普通有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)熱效率提高了52.4%， 效率提高了9.5%。且由于該系統(tǒng)在滿足制冷需求的同時，盡可能多地利用有機朗肯循環(huán)子系統(tǒng)回收低品位能量，雖然噴射制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)較低，但低品位能量回收系統(tǒng)的總效率仍然較高。

2.2 循環(huán)工質熱源發(fā)生壓力對系統(tǒng)的影響

循環(huán)工質熱源發(fā)生壓力的變化會影響噴射器及膨脹機的膨脹比，進而對低品位能量回收系統(tǒng)的性能產生影響（見圖3）。由圖3（a）可看出，在其他參數(shù)不變時，隨熱源發(fā)生壓力的升高，噴射系數(shù)（u）增大，但噴射系數(shù)的增幅減小。由圖3（b）可看出，該系統(tǒng)的熱效率和效率隨熱源發(fā)生壓力的升高而增大，這是由于隨熱源發(fā)生壓力的升高，噴射器的膨脹比及膨脹機的膨脹比均增大，使噴射制冷循環(huán)與有機朗肯循環(huán)子系統(tǒng)的性能同時提高。

圖3 熱源發(fā)生壓力對低品位能量回收系統(tǒng)的影響Fig.3 Effects of heat generation pressure(pg) on the combined system.

2.3 循環(huán)工質過熱度對系統(tǒng)的影響

由于循環(huán)工質丙烷的發(fā)生溫度為90 ℃，而AOGI煙氣溫度為177 ℃，因此為合理利用煙氣余熱，丙烷在發(fā)生器出口有一定程度的過熱。過熱度對低品位能量回收系統(tǒng)的影響見圖4。由圖4可看出，隨過熱度的增加，噴射系數(shù)增大，同時該系統(tǒng)的熱效率及效率也增大。其原因是隨過熱度的增大，在系統(tǒng)制冷功率及中間換熱器吸熱量不變的情況下，循環(huán)工質在膨脹機內的做功功率增加、在發(fā)生器內的吸熱量減小。

圖4 過熱度對低品位能量回收系統(tǒng)的影響Fig.4 Effects of superheat temperature on the combined system.

2.4 循環(huán)工質冷凝溫度對系統(tǒng)的影響

循環(huán)工質在中間換熱器內的冷凝溫度對低品位能量回收系統(tǒng)有顯著的影響，見圖5。由圖5可看出，當其他參數(shù)不變時，隨冷凝溫度的升高，噴射系數(shù)、系統(tǒng)熱效率及效率均減小，系統(tǒng)的性能降低。這是由于循環(huán)工質冷凝溫度的升高導致噴射器壓縮比增大，使噴射系數(shù)減小，降低了噴射制冷循環(huán)的性能；與此同時，膨脹機的膨脹比也會減小，使得有機朗肯循環(huán)的輸出功減小。因此，為保證低品位能量回收系統(tǒng)在較高效率下運行，應在滿足中間換熱器最小換熱溫差的前提下，選取盡可能小的冷凝溫度。

圖5 冷凝溫度對低品位能量回收系統(tǒng)的影響Fig.5 Effects of condensing temperature(Tc) on the combined system.

3 結論

1）以某在建年產200 kt丙烯腈項目為例進行分析，發(fā)現(xiàn)當循環(huán)工質熱源發(fā)生壓力為3.75 MPa、循環(huán)工質在發(fā)生器出口溫度為120 ℃時，所提出的低品位能量回收系統(tǒng)不僅可滿足工藝過程冷量需求，同時還可獲得935.4 kW的凈功率；該系統(tǒng)的熱效率為19.1%，效率為49.8%。

2）進一步分析了循環(huán)工質熱源發(fā)生壓力、循環(huán)工質過熱度和循環(huán)工質冷凝溫度對所提出的低品位能量回收系統(tǒng)性能的影響。

3）在滿足低品位能量回收系統(tǒng)工藝要求的前提下，為提高系統(tǒng)的工作性能，應盡可能提高循環(huán)工質在發(fā)生器內的發(fā)生壓力、增大循環(huán)工質在發(fā)生器出口的過熱度、減小中間換熱器的換熱溫差。

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（編輯 楊天予）

Design and Performance Analysis of a Low-Grade Energy Recovery System for Acrylonitrile Production

Liu Jiyun，Lu Wei，Chen Han，Wang Ying，Xu Kun，Xu Hao
（School of Chemistry and Chemical Engineering，Guangxi University，Nanning Guangxi 530004，China）

A low-grade energy recovery system combining the ejector refrigeration cycle with the low temperature organic Rankine cycle was established to utilize the cold energy of liquid raw materials in acrylonitrile production and the waste heat in low temperature exhaust gas from absorber off gas incinerator. In a 200 kt/a acrylonitrile production unit，the established system was simulated by means of the Matlab software. The results revealed the ejector refrigeration unit could save electricity of 110.65 kW compared to the screw refrigeration unit in the existing process. Due to the utilization of cold energy in the liquid feed evaporation，the organic Rankine cycle in the established system could operate at lower condensing temperature，which enhanced the thermal eff ciency of 52.4% higher than that of the conventional organic Rankine cycle. The thermal eff ciency and the exergy eff ciency of the established system were 19.1% and 49.8%，respectively. In addition，it was shown that increasing generation pressure，increasing superheat and decreasing condensing temperature were benef cial to improving the performance of the established system.

acrylonitrile；low-grade energy recovery；organic Rankine cycle；ejector refrigeration cycle

1000 - 8144（2015）12 - 1512 - 06

TQ 226.6

A

2015 - 07 - 24；［修改稿日期］ 2015 - 09 - 08。

劉紀云（1990—），男，山東省濰坊市人，碩士生，電郵 yunlj123@163.com。聯(lián)系人：盧葦，電話 15078819474，電郵 luwei@ gxu.edu.cn。

國家自然科學基金項目（51366001）；廣西自然科學基金項目（2013GXNSFAA019292）。