程延，何正

（1.中國(guó)石化北京燕山分公司，北京 102500；2.北京清華同衡規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100084）

早期，工業(yè)余熱主要是應(yīng)用在發(fā)電領(lǐng)域，通過(guò)循環(huán)工質(zhì)驅(qū)動(dòng)透平發(fā)電，具有低排放、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。發(fā)達(dá)國(guó)家十分重視這項(xiàng)技術(shù)，如日本在海洋溫差熱發(fā)電技術(shù)方面已居世界領(lǐng)先地位[1]。文章案例中工業(yè)余熱首次應(yīng)用于煉油領(lǐng)域的供暖。在基于吸收式換熱的集中供熱技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行了深度優(yōu)化，提出了基于吸收式換熱的石化余熱供暖新工藝，并應(yīng)用于某石化廠生活區(qū)。

1 項(xiàng)目背景及技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1.1 項(xiàng)目背景

根據(jù)《北京市2013—2017年加快壓減燃煤和清潔能源建設(shè)工作方案》的目標(biāo)要求，2017年全面停止使用燃煤。而某石化公司生活區(qū)采用燃煤供暖面積達(dá)88.4萬(wàn)m2，使用型煤鍋爐和工業(yè)蒸汽供暖，污染物排放量大，燃料能耗成本高，在整個(gè)采暖季能耗成本（包括燃煤、蒸汽、水、電）可達(dá)2 135.6萬(wàn)元，高于24元/m2。并且一旦停用燃煤后，蒸汽用量將會(huì)大幅提升，供暖成本也會(huì)顯著上升。因此，利用大溫差熱泵技術(shù)進(jìn)行余熱供暖，就成為了有效解決該石化公司供暖問(wèn)題的關(guān)鍵。

1.2 石化行業(yè)余熱特點(diǎn)

石化行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中消耗的能源轉(zhuǎn)換為不同品位的余熱，在現(xiàn)有技術(shù)下，中高品位（溫度高于120℃）的余熱資源已得到較好地回收利用，而低溫余熱（溫度低于120℃）因位置分散、溫度低、長(zhǎng)距離輸送難度大等因素導(dǎo)致回收利用率低，未能得到較好利用[2]。某石化公司煉廠余熱分布情況見(jiàn)表1。

表1 某煉廠余熱分布

由表1可知，80%的余熱量集中在100℃以下，而62%的余熱為循環(huán)水余熱，溫度為35℃左右，熱量大，品位低。

1.3 吸收式換熱技術(shù)

為回收利用工業(yè)低溫余熱，解決供回水溫差小，難于長(zhǎng)距離輸送等難題[3]，清華大學(xué)于2007年首次提出基于吸收式換熱的集中供熱技術(shù)[4]。該技術(shù)獲得了國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利（專(zhuān)利號(hào)200810101065.X），并獲得國(guó)家發(fā)明二等獎(jiǎng)。大溫差吸收式換熱機(jī)組是由熱水型吸收式熱泵和水—水換熱器組成（吸收式熱泵原理見(jiàn)圖1）。一次網(wǎng)高溫供水首先作為驅(qū)動(dòng)熱源進(jìn)入吸收式熱泵，然后進(jìn)入水—水換熱器加熱二級(jí)網(wǎng)熱水，最后再返回吸收式熱泵，在熱泵蒸發(fā)器中降溫至25℃左右后返回一次網(wǎng)回水管。

圖1 吸收式熱泵原理

該技術(shù)充分利用一次高溫?zé)崴刑N(yùn)藏的高位熱能做功能力，在吸收式換熱裝置中產(chǎn)生熱泵效應(yīng)，吸收低溫?zé)嵩吹臒崃?，借助設(shè)置在用戶(hù)熱力站處的大溫差吸收式換熱機(jī)組，顯著降低一次水回水溫度至25℃左右，提高了供回水溫差。由于一次水供回水溫差增加約1倍，提高了供熱管網(wǎng)的輸送能力，在供熱量相同時(shí)，流量減少約50%，減小了管網(wǎng)管徑，降低輸配能耗，為長(zhǎng)距離輸送創(chuàng)造條件[5-7]。

基于吸收式換熱的供暖新工藝設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖2。從圖2看出，針對(duì)石化廠低溫余熱特點(diǎn)，基于吸收式換熱的集中供熱技術(shù)，末端大溫差換熱機(jī)組將一次網(wǎng)回水溫度降至20℃左右，低溫的一次水回水進(jìn)入石化廠，根據(jù)廠內(nèi)余熱的品位，通過(guò)換熱器以及熱泵聯(lián)合，梯級(jí)回收循環(huán)水、工藝物料等的余熱，通過(guò)計(jì)算余熱回收過(guò)程中的熱平衡確定一次水的流量，若換熱后的一次網(wǎng)水溫度未達(dá)到設(shè)計(jì)的一次水供水溫度，則需新增一臺(tái)汽—水換熱器進(jìn)行升溫，溫度升至約120℃后，輸送至換熱站末端。

圖2 基于吸收式換熱的供暖新工藝設(shè)計(jì)流程

2 石化煉油廠余熱利用項(xiàng)目工藝方案設(shè)計(jì)

2.1 余熱量情況分析

煉油廠的主要工藝裝置為常減壓蒸餾、催化裂化、延遲焦化以及加氫裝置，其工藝余熱約占全廠工藝余熱的73.5%[8]。根據(jù)某煉油廠的余熱調(diào)研數(shù)據(jù)（見(jiàn)表2），結(jié)合余熱特點(diǎn)及余熱需求，選取催化裝置和加氫裝置的部分工藝余熱供暖，熱量不足部分利用汽—水換熱器進(jìn)行補(bǔ)熱。

表2 某石化廠設(shè)計(jì)可利用余熱

2.2 技術(shù)方案

1）改造前供暖情況

改造的對(duì)象為某石化廠生活區(qū)的4個(gè)換熱站，其中，A站供熱熱媒為余熱＋蒸汽，B站供熱熱媒為蒸汽，C和D站供熱熱媒為型煤。

2）新工藝方案流程

方案設(shè)計(jì)溫度為30℃的一網(wǎng)回水分成3路進(jìn)行取熱（見(jiàn)圖3）。

圖3 新工藝系統(tǒng)總流程

其中一路流量為60 t/h，與催化裂化裝置穩(wěn)定塔底汽油換熱后溫度由30.0℃提高至80.0℃；第二路流量為360 t/h，先后與催化裂化裝置分餾塔頂油氣、頂循油、0#和–10#柴油進(jìn)行換熱取熱，溫度由30.0℃提高至94.0℃；第三路流量為120 t/h，先后與航煤產(chǎn)品、脫硫汽油產(chǎn)品進(jìn)行換熱取熱，溫度由30.0℃提高至98.0℃。三路混合后由蒸汽加熱至130℃供出。余熱取熱40 MW，整個(gè)采暖季極寒天氣所需負(fù)荷為59.9 MW，需用蒸汽補(bǔ)熱19.9 MW，即28.4 t/h。保留原有蒸汽管線，既可以解決廠內(nèi)蒸汽不足問(wèn)題，又能確保裝置故障停車(chē)時(shí)的應(yīng)急供暖。

新工藝應(yīng)用中需要新增一些大溫差換熱機(jī)組以及循環(huán)水泵、補(bǔ)水箱、除污器等配套設(shè)備（見(jiàn)表3）。

2.3 方案運(yùn)行工況分析

根據(jù)石化廠所在地供暖季期間室外溫度相關(guān)數(shù)據(jù)，方案初期得到熱負(fù)荷及一次網(wǎng)供水溫度變化曲線（見(jiàn)圖4）。在供暖初末期，一次網(wǎng)供水溫度為78℃即可達(dá)到室內(nèi)供暖需求，熱負(fù)荷為28.7 MW，而此時(shí)需開(kāi)啟航煤加氫原空冷、水冷系統(tǒng)，來(lái)冷卻多余的余熱。隨著氣溫降低，余熱量在不足以滿(mǎn)足供熱需求時(shí)，需開(kāi)啟蒸汽補(bǔ)熱換熱器，通過(guò)蒸汽換熱來(lái)滿(mǎn)足系統(tǒng)供熱需求，見(jiàn)圖5。

表3 某石化煉廠余熱利用和蒸汽補(bǔ)熱所需設(shè)備

圖4 一次網(wǎng)供水、熱負(fù)荷隨室外溫度變化

圖5 整個(gè)供暖季供熱量

由圖5可知，整個(gè)供暖季需供熱量總計(jì)46萬(wàn)GJ，其中余熱量39.5 GJ，蒸汽補(bǔ)熱量6.5 GJ，余熱占供熱總量的86%。因此新工藝的應(yīng)用可以充分回收利用廠內(nèi)的低溫余熱，大大減少蒸汽使用量，完全取締了原型煤的消耗。

3 石化煉油廠項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行情況分析

3.1 采暖季供熱負(fù)荷情況

采暖季從2016年11月開(kāi)始到2017年3月結(jié)束，初末期的熱負(fù)荷為25 MW，在嚴(yán)寒期供熱負(fù)荷為38 MW。

3.2 實(shí)際余熱量情況分析

方案設(shè)計(jì)余熱量為43.5 MW，但由于催化裂化裝置減產(chǎn)（減產(chǎn)約30%）以及一網(wǎng)回水溫度高于設(shè)計(jì)值（設(shè)計(jì)30℃，實(shí)際38℃），導(dǎo)致實(shí)際余熱量為28 MW，相比設(shè)計(jì)大幅減少，但并不影響實(shí)際供熱需求。余熱量的計(jì)算公式為：

式中，Q為熱量，C為比熱容，M為質(zhì)量流量，ΔT為溫度差。

各裝置實(shí)際產(chǎn)生的余熱量見(jiàn)表4。

因?qū)嶋H余熱量只有28 MW，在初寒期（11月）需要少量補(bǔ)充蒸汽量。嚴(yán)寒期（1月）最冷天需要補(bǔ)充蒸汽量為18 t/h，平均大約需要補(bǔ)充蒸汽熱量為8 MW。到了供暖末期（2月下旬），所需蒸汽補(bǔ)充量基本為0。從供暖初期到末期余熱提供量以及補(bǔ)充蒸汽量見(jiàn)圖6。

3.3 一次網(wǎng)供回水參數(shù)情況分析

供暖季一次網(wǎng)水流量見(jiàn)圖7。由圖7可知，一次網(wǎng)水流量在調(diào)試階段及供暖初期（11月），水流量為580 t/h左右，調(diào)試后，整個(gè)采暖季（從12月到2月下旬）一網(wǎng)水流量基本穩(wěn)定在430 t/h。

表4 煉廠設(shè)計(jì)以及實(shí)際可利用余熱位置及利用量

圖6 供暖季供熱量與時(shí)間關(guān)系

圖7 供暖季一次網(wǎng)水流量

在整個(gè)供暖季，一次網(wǎng)水的供水溫度在82～113℃變化，經(jīng)過(guò)調(diào)試階段以及采暖初期回水溫度變化基本穩(wěn)定在40～45℃，采暖嚴(yán)寒期及末期回水溫度變化基本穩(wěn)定在35～40℃，達(dá)到了大溫差換熱的目的（見(jiàn)圖8）。

3.4 典型月分析

以2016年12月1—31日為依據(jù)，整月供暖過(guò)程中，一次網(wǎng)水的供水量從開(kāi)始的577 t/h逐漸穩(wěn)定在430 t/h，供水溫度在87～106℃變化，回水溫度在31～41℃變化。整月平均蒸汽補(bǔ)充量為6.3 t/h，余熱平均產(chǎn)生量為25.6 MW，供暖平均供熱量為29.5 MW，補(bǔ)充熱量為3.9 MW，余熱量占總供熱量的86%。

3.5 單一站點(diǎn)分析

圖8 供暖季一次網(wǎng)供回水溫度波動(dòng)范圍

B站在應(yīng)用新工藝改造后，一網(wǎng)供水溫度在77～107℃波動(dòng)，一網(wǎng)回水溫度在35～50℃波動(dòng)，采暖期間穩(wěn)定在40～45℃（見(jiàn)圖9），改造后一網(wǎng)供回水溫度基本達(dá)到大溫差換熱的需求。其次是二網(wǎng)供水溫度在50～63℃變化，二網(wǎng)回水溫度在45～55℃變化，根據(jù)二網(wǎng)的供回水溫度變化范圍，B站改造后的余熱利用量以及配合蒸汽補(bǔ)充供暖能力基本達(dá)到了設(shè)計(jì)初期的效果。在改造調(diào)試穩(wěn)定后（從2016年12月5日后），B站的二網(wǎng)水流量基本穩(wěn)定在140 t/h。最冷天所需熱負(fù)荷為10.5 MW，采熱初末期所需熱負(fù)荷分別為5.0 MW和6.5 MW，利用余熱量配合蒸汽補(bǔ)充可以充分滿(mǎn)足B站的供暖需求。

圖9 B站供暖季一網(wǎng)和二網(wǎng)供回水溫度變化

4 應(yīng)用效果分析

該案例中利用30～40℃的低溫一網(wǎng)回水，進(jìn)入煉油廠利用余熱取熱以及蒸汽補(bǔ)熱后，可以完全關(guān)停物料空冷環(huán)節(jié)，降溫過(guò)程改造為閉式系統(tǒng)后，也解決了石化行業(yè)現(xiàn)有工藝物料降溫過(guò)程中失水量大的問(wèn)題。生活區(qū)增加了大溫差吸收式熱泵機(jī)組換熱，使得二次網(wǎng)供回水溫度完全滿(mǎn)足供暖標(biāo)準(zhǔn)需求。

利用大溫差吸換熱技術(shù)回收了煉油廠余熱，使換熱站末端蒸汽等能耗顯著降低，煉廠工藝物料冷卻環(huán)節(jié)的電耗水耗也有所降低，關(guān)停燃煤鍋爐減少了每年排污費(fèi)的支出。

4.1 減少燃煤鍋爐排污費(fèi)

C站和D站改造前均通過(guò)燃煤供暖，改造后關(guān)停燃煤鍋爐，每年減少排污費(fèi)79.5萬(wàn)元。

4.2 煉廠空冷節(jié)約電費(fèi)

催化裂化裝置、加氫裝置以及汽油吸附脫硫裝置的總余熱量為28.2 MW。如原料油加工量按照1 000萬(wàn)t計(jì)算，熱輸出對(duì)煉油系統(tǒng)能耗貢獻(xiàn)為1.91個(gè)單位。

1）催化裂化裝置

關(guān)停8臺(tái)功率為18.5 kW風(fēng)機(jī)；1臺(tái)功率為36 kW風(fēng)機(jī)；1臺(tái)功率為36 kW風(fēng)機(jī)。整個(gè)采暖季節(jié)約電量：

（18.5×8＋36×1＋36×1）×120×24＝63.4（萬(wàn)kW·h）。

2）加氫裝置

關(guān)停2臺(tái)功率為18 kW風(fēng)機(jī)。整個(gè)采暖季節(jié)約電量：

18×2×120×24＝10.4（萬(wàn)kW·h）

3）汽油吸附脫硫裝置

關(guān)停2臺(tái)功率為22 kW風(fēng)機(jī)。整個(gè)采暖季節(jié)約電量：

22×2×120×24＝12.7（萬(wàn)kW·h）

改造后，煉廠整個(gè)采暖季節(jié)電量達(dá)86.5萬(wàn)kW·h，按照電價(jià)0.42元/（kW·h）計(jì)算，節(jié)電費(fèi)用可達(dá)36.3萬(wàn)元。

4.3 換熱站末端

改造后，換熱站末端加入了大溫差吸收式換熱器以及其他一些換熱設(shè)備，整個(gè)采暖季節(jié)約蒸汽54 737 t，熱量折算間接節(jié)約天然氣425萬(wàn)m3，節(jié)約除鹽水13 369 t，節(jié)能效益顯著。

4.4 減排效果

2016年11月至2017年3月供暖季期間削減燃煤使用量10 982 t，節(jié)省蒸汽54 737.28 t，總節(jié)電量209.13萬(wàn)kW·h，實(shí)現(xiàn)了煉廠熱輸出29萬(wàn)GJ，項(xiàng)目總節(jié)能量11 605噸標(biāo)煤；實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排3.3萬(wàn)t，二氧化硫減排72.35 t，煙塵減排3.68 t，氮氧化合物減排59.03 t，大溫差吸收式換熱技術(shù)在石油化工領(lǐng)域的應(yīng)用推廣具有示范意義。

5 結(jié)論

1）采用余熱替代型煤爐供暖，對(duì)比天然氣供暖改造方案，節(jié)省了天然氣資源的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了煉油裝置的余熱外送，節(jié)省了裝置空冷電耗，實(shí)現(xiàn)了將民用采暖作為工藝低溫余熱利用熱阱的技術(shù)突破，具有良好的節(jié)能收益和減排效果。

2）采用該技術(shù)，在不增加投資的前提下提高了原有供熱管網(wǎng)的熱能輸送能力，將原33萬(wàn)m2的供熱能力提高到89萬(wàn)m2。

3）目前，石化生活區(qū)的民用供暖面積總量約301萬(wàn)m2，未進(jìn)行改造的供暖面積約有40萬(wàn)m2，現(xiàn)用蒸汽供暖。石化余熱加廢熱（低于90℃的熱源）總量約1 500 MW，其中90%為循環(huán)水廢熱，可以為約5 000萬(wàn)m2的面積供暖。由此看來(lái)，石化余熱外輸?shù)臐摿薮螅摷夹g(shù)具有推廣價(jià)值。