郜光偉，樊祥芳，李云艷，孟金波

（河北鯤能電力工程咨詢有限公司石家莊市分布式能源設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究中心，石家莊 050000）

國投集團(tuán)計(jì)劃在湖北省洪湖市投資建設(shè)燃料乙醇項(xiàng)目，項(xiàng)目擬建于洪湖市臨港工業(yè)區(qū)，建設(shè)年產(chǎn)10萬t燃料乙醇，10.96萬t稻谷DDGS飼料、5萬t液體二氧化碳。除主體工藝外，擬建設(shè)二氧化碳液化車間。項(xiàng)目生產(chǎn)需要提供大量的蒸汽、電力和冷凍水等。

燃料乙醇項(xiàng)目配套建設(shè)能源站向其供能，根據(jù)以熱定電、自發(fā)自用、余電上網(wǎng)的原則，能源站采用燃?xì)饴?lián)合循環(huán)冷熱電聯(lián)供CCHP技術(shù)，裝機(jī)方案為1×24.5 MW燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組+1×68 t/h補(bǔ)燃式雙壓余熱鍋爐+1×B5-4.9/0.981背壓汽輪發(fā)電機(jī)組，同時設(shè)1×75 t/h備用低壓燃?xì)忮仩t，配套有天然氣調(diào)壓站和制冷站。

1 項(xiàng)目概況

1.1 項(xiàng)目用能分析

根據(jù)設(shè)計(jì)資料，按具備一定的超負(fù)荷產(chǎn)能分析，年滿負(fù)荷運(yùn)行時間8 000 h計(jì)，主要用能數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表1所示。

1.2 余能利用思路

項(xiàng)目配套的二氧化碳液化站、天然氣調(diào)壓站、制冷站，三個系統(tǒng)有余熱、余冷、余壓等能量產(chǎn)生和需求?？紤]余能互補(bǔ)效應(yīng)，為提高綜合用能效率和經(jīng)濟(jì)效益，在安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的條件下，對三個系統(tǒng)之間的冷熱能利用進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)合理的技術(shù)方案，據(jù)此提出以下利用思路[1-2]。

表1 用能數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

一是對于CO2液化站，其CO2經(jīng)壓縮后產(chǎn)生高溫，可利用其熱能生產(chǎn)熱水，既可以加熱能源站除鹽補(bǔ)給水以降低燃?xì)夂牧?，也可以為制冷站熱水型溴冷機(jī)提供熱水制冷；二是對于天然氣調(diào)壓站，由于來氣為高壓管道天然氣，可采用高轉(zhuǎn)速增壓透平膨脹機(jī)，高壓天然氣經(jīng)膨脹機(jī)深度減壓后產(chǎn)生低溫，冷能供到CO2液化站，用于CO2液化冷卻，而膨脹后的天然氣再經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后供至燃?xì)廨啓C(jī)，既利用冷能又提高了燃機(jī)進(jìn)氣溫度；三是對于溴化鋰制冷站產(chǎn)生的冷凍水，部分用于CO2液化的各級普冷冷卻，其他還用于燃料乙醇生產(chǎn)車間的工藝?yán)鋮s、能源站燃機(jī)用空氣冷卻、辦公區(qū)空調(diào)等。根據(jù)技術(shù)思路，相關(guān)的余能利用示意圖如圖1所示。

圖1 燃料乙醇項(xiàng)目的余能利用思路

2 二氧化碳液化車間

2.1 常規(guī)系統(tǒng)概況

燃料乙醇項(xiàng)目設(shè)有二氧化碳液化車間，根據(jù)項(xiàng)目規(guī)模，按年產(chǎn)5萬t食品級液體二氧化碳配置。根據(jù)設(shè)備廠家江氨科技的技術(shù)方案，二氧化碳液化采用低溫精餾工藝，利用各組分的沸點(diǎn)差提純二氧化碳。

CO2精制能耗取決于液化壓力的選擇，其功耗=壓縮功+液化功。按液化壓力分為高壓（6.5～7.0 MPa）、中壓（3.5～4.5 MPa）及低壓（1.5～2.4 MPa）三種。高壓法雖然液化功少，但壓縮能耗高，已很少采用。中壓法能耗與低壓法相當(dāng)，且中壓法操作穩(wěn)定，但非冷凝氣體溶解度大于低壓流程，產(chǎn)品CO2純度只能做到工業(yè)級≥99.5%。低壓法壓縮功小，但液化功大、液體產(chǎn)品中非冷凝氣體溶解度小，純度相對較高，缺點(diǎn)是：當(dāng)原料氣中CO2含量偏低時，液化率低；所需冷量等級更高（溫度更低）。

本裝置所用的原料為燃料乙醇發(fā)酵尾氣。流程分為壓縮、活性炭脫硫、低溫精餾洗、液化精餾、冰機(jī)系統(tǒng)等幾個部分。原料氣（二氧化碳?xì)怏w）由二氧化碳壓縮機(jī)三級壓縮升壓至2.5 MPa（g），然后通過水冷后經(jīng)活性炭脫硫塔脫除H2S，再去低溫精餾洗，脫除其中的醇、重?zé)N、水和異味。從低溫精餾洗出來的二氧化碳?xì)怏w，在液化器中被冷凝為液體。進(jìn)入分離器，液體二氧化碳經(jīng)調(diào)節(jié)閥組控制進(jìn)入產(chǎn)品儲罐，不凝氣及部分揮發(fā)的二氧化碳?xì)怏w減壓后去換熱器回收冷量后放空[3]。在液化器中吸收熱量揮發(fā)出來的氣體去冰機(jī)系統(tǒng)循環(huán)利用。液化后的二氧化碳經(jīng)低溫精餾除去其中不凝氣體。工藝流程簡圖如圖2所示。

按照常規(guī)思路，二氧化碳通過壓縮機(jī)壓縮后成為高溫高壓氣體，需要冷卻水將其溫度降至常溫，常溫高壓的二氧化碳液化過程需要的低溫冷能由冰機(jī)制冷提供，此過程也需要大量冷卻水，總計(jì)需要循環(huán)冷卻水量為300 t/h，溫度32℃/40℃。二氧化碳三級壓縮機(jī)耗電最大，總電功率為575 kW，電能通過壓縮機(jī)后全部轉(zhuǎn)化為二氧化碳?xì)怏w的熱能和壓力能。同時，冰機(jī)制冷也需要消耗大量的電能，采用R22作為冷媒，其中壓縮機(jī)電功率為265 kW，循環(huán)機(jī)電功率為41 kW，預(yù)冷機(jī)電功率為57 kW。綜上分析，二氧化碳液化裝置出力為6.5 t/h，單位液化冷卻水耗為46 m3/tCO2，電耗為144 kW·h/tCO2。

2.2 用能優(yōu)化分析

2.2.1 二氧化碳壓縮余熱

根據(jù)能源站配置方案，二氧化碳壓縮熱能有兩種可行的利用途徑。一是加熱余熱鍋爐補(bǔ)充除鹽水，由于燃料乙醇車間用汽冷凝水回水率在80%左右，需要能源站設(shè)置鍋爐除鹽水車間向熱力系統(tǒng)持續(xù)補(bǔ)充20%的除鹽水，考慮余熱鍋爐正常排污、系統(tǒng)汽水損失后，補(bǔ)充水量為18 t/h，水溫按常溫平均為20℃，可被高溫二氧化碳加熱到47℃，然后再回至能源站凝結(jié)水箱，回收余熱577 kW。余熱利用可減少除氧器加熱除氧用蒸汽量，按天然氣熱值8 400 kcal/m3、單價2.4元/m3算，最終減少補(bǔ)燃式余熱鍋爐耗天然氣量65 m3/h，可節(jié)約費(fèi)用156元/h。二是加熱吸收式冷水機(jī)組用熱水，制冷用熱水供回水溫度按85℃/60℃，可供熱水量為19.8 t/h，回收余熱577 kW，制冷量為300 kW，按冷價50元/GJ算，可增加收入54元/h。

兩種途徑技術(shù)均可行，初投資相當(dāng)，但在經(jīng)濟(jì)效益方面相差很大，因此推薦采用加熱鍋爐補(bǔ)充除鹽水方式。

2.2.2 二氧化碳液化用冷

二氧化碳液化用冷原方案采用冰機(jī)制冷，由于天然氣調(diào)壓站采用膨脹機(jī)減壓后，天然氣溫度可降至-75℃左右，完全可以代替冰機(jī)用于二氧化碳液化冷卻，因此將低溫天然氣引入二氧化碳液化裝置冷卻，不足部分仍由冰機(jī)制冷補(bǔ)充，將天然氣加熱到-16℃后再回至調(diào)壓站。同時，冰機(jī)冷凝器采用7℃/14℃的冷凍水冷卻，冰機(jī)壓縮機(jī)電功率可從363 kW降至73 kW。

2.2.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

二氧化碳液化系統(tǒng)完成用能優(yōu)化后，可產(chǎn)生577 kW的余熱用于能源站熱力系統(tǒng)，低溫天然氣323 kW用于二氧化碳液化冷卻，原300 t/h、32℃/40℃的冷卻水改為51 t/h、7℃/14℃的冷凍水，原938 kW的總電耗降低到635 kW，單位液化冷凍水耗變?yōu)?.8 m3/t CO2，電耗變?yōu)?7.7 kW·h/tCO2，節(jié)能效益非常明顯。

3 天然氣調(diào)壓站

3.1 常規(guī)系統(tǒng)概況

能源站配套建設(shè)天然氣調(diào)壓站，根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)、補(bǔ)燃式余熱鍋爐、備用燃?xì)忮仩t對進(jìn)氣壓力的要求，需要將管道高壓天然氣降低到不同的壓力。

管道天然氣流量9 716 Nm3/h、壓力6.1 MPa（a）、溫度20℃，經(jīng)過減壓后形成三路供氣，其中兩路為正常運(yùn)行工況，包括燃?xì)廨啓C(jī)用氣流量為7 506 Nm3/h、壓力2.6 MPa（a），補(bǔ)燃余熱鍋爐用氣流量為2 210 Nm3/h、壓力0.4 MPa（a）；另外一路為備用工況，待燃機(jī)及余熱鍋爐停運(yùn)后由燃?xì)忮仩t運(yùn)行，用氣流量為5 400 Nm3/h、壓力0.15 MPa（a）。

到廠的管道天然氣壓力高，而設(shè)備用氣壓力低，因此天然氣調(diào)壓站具有較高的壓力能可供利用。常規(guī)方案可采用節(jié)流減壓再加熱到常溫，產(chǎn)生冷卻水用于其他用途。設(shè)備采用先減壓后換熱結(jié)構(gòu)，利用氣體減壓后冷能給冷卻水降溫，由于屬于節(jié)流膨脹，屬于等焓過程，壓力能損失很大。經(jīng)聯(lián)系設(shè)備廠家天津華旭，只能產(chǎn)生7℃/14℃的冷凍水不到10 t/h，利用價值很小。工藝流程簡圖如圖3所示。

3.2 用能優(yōu)化分析

為提高天然氣壓力能利用價值，經(jīng)研究建議采用透平膨脹壓縮機(jī)方案。6.1 MPa（a）、20℃、9 716 Nm3/h的高壓天然氣經(jīng)過預(yù)冷器降為-7℃，再經(jīng)增壓透平膨脹機(jī)膨脹到1.7 MPa（a）、-75℃，冷量264 kW提供給CO2液化站，升溫到-16℃。正常運(yùn)行工況，1.7 MPa（a）天然氣分兩路：一路7 506 Nm3/h和預(yù)冷器換熱到17℃，經(jīng)增壓機(jī)提高到2.8 MPa（a）、67℃后供至燃?xì)廨啓C(jī)；一路2 210 Nm3/h經(jīng)低壓膨脹機(jī)進(jìn)一步降低到0.4 MPa（a）、-79℃后，冷量59 kW提供給CO2液化站，升溫到-16℃，再和預(yù)冷器換熱到17℃進(jìn)增壓機(jī)增到0.6 MPa（a）、64℃供至補(bǔ)燃式余熱鍋爐。燃機(jī)停機(jī)備用工況時，2.8 MPa（a）、67℃的天然氣引出一路5 400 Nm3/h經(jīng)節(jié)流進(jìn)一步減壓到0.15 MPa（a）、62℃后供至備用燃?xì)忮仩t。系統(tǒng)流程如圖4所示。

采用增壓透平膨脹機(jī)方案，既將膨脹后的低溫天然氣冷量提供給二氧化碳液化，總共可替代二氧化碳冰機(jī)制冷量323 kW，同時換熱后的低壓天然氣經(jīng)壓縮后溫度提高用于燃燒，又能夠提高燃機(jī)和鍋爐燃燒效率，一舉兩得，提高了系統(tǒng)能源利用效率。增壓后進(jìn)燃機(jī)和補(bǔ)燃式余熱鍋爐的天然氣溫度分別為67℃、64℃，流量分別為7 506 m3/h、2 210 m3/h，相比常規(guī)調(diào)壓方式出口天然氣溫度25℃（按冷卻水全年平均溫度考慮），分別提高了42℃、39℃，甲烷定壓比熱容為1.545 kJ/（m3·K），則燃料焓值共提高620 MJ/h，折燃料量為17 m3/h，則燃料成本減少41元/h。

圖3 常規(guī)方案工藝流程簡圖

圖4 透平膨脹壓縮機(jī)方案系統(tǒng)流程

根據(jù)設(shè)備廠家杭氧膨脹機(jī)的分析，透平膨脹增壓機(jī)組為天然氣調(diào)壓站的核心設(shè)備，主要用于天然氣減壓，為CO2液化站提供冷能。設(shè)備主要由膨脹機(jī)主機(jī)（含增壓機(jī)）、供油系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、冷卻器、過濾器及相關(guān)管道閥門組成。當(dāng)壓縮氣體通過膨脹機(jī)噴嘴和葉輪時，氣體絕熱膨脹，對外輸出機(jī)械功，產(chǎn)生冷量，從而達(dá)到為系統(tǒng)提供滿足溫度要求的低溫氣體的目的。增壓機(jī)是膨脹機(jī)的逆向機(jī)械，主要用于消耗膨脹機(jī)工作對外輸出的機(jī)械功并提高氣體壓力，維持機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。冷卻器主要用于冷卻增壓機(jī)前后的氣體，為膨脹機(jī)組提供滿足工藝溫度要求的氣體，從而有效提升膨脹機(jī)的工作效率。

設(shè)備核心部件是軸承，廠家核算后軸承轉(zhuǎn)速到79 000～80 000 r/min，根據(jù)國產(chǎn)軸承反饋的數(shù)據(jù)，軸承成熟性和可靠性沒有問題，廠家做過線速度差不多的軸承，實(shí)際應(yīng)用中沒有出現(xiàn)問題。

4 吸收式制冷站

4.1 常規(guī)系統(tǒng)概況

能源站采用冷熱電聯(lián)供方案，設(shè)有吸收式制冷站，利用多余蒸汽、低溫余熱水等制備低溫冷凍水，供燃料乙醇生產(chǎn)、辦公生活設(shè)施用冷。生產(chǎn)用冷凍水負(fù)荷平均為10 170 kW，最大為13 222 kW，水溫15℃/22℃，辦公空調(diào)用冷凍水負(fù)荷為800 kW，水溫7℃/14℃。經(jīng)核實(shí)生產(chǎn)用冷凍水溫度要求，為簡化系統(tǒng)，水溫統(tǒng)一采用7℃/14℃，總負(fù)荷平均為10 970 kW，最大為14 022 kW。

根據(jù)燃料乙醇項(xiàng)目蒸汽負(fù)荷，最大汽量相比平均汽量高出約9 t/h，若此部分蒸汽不考慮其他用途，能源站供熱負(fù)荷會按燃料乙醇用汽量變化而波動，不利于能源站的運(yùn)行控制和效率最優(yōu)。因此，結(jié)合燃料乙醇項(xiàng)目需要大量冷能的情況，有必要考慮多余蒸汽供溴化鋰制冷機(jī)制冷，以實(shí)現(xiàn)能源站按最大負(fù)荷穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行。因此，多采用以蒸汽型溴化鋰吸收式冷水機(jī)組為主，再配以離心式電制冷水機(jī)組為輔的常規(guī)方案。

4.2 用能優(yōu)化分析

制冷站采用的溴化鋰吸收式冷水機(jī)組，制冷熱源應(yīng)以多余蒸汽為主，并盡可能利用能源站和燃料乙醇站產(chǎn)生的余熱，實(shí)現(xiàn)能源梯級利用最大化。經(jīng)過分析，余熱熱源包括三路熱水，分別為燃料乙醇蒸餾和干燥用蒸汽加熱后的冷凝熱水（溫度80℃，流量47.2 t/h），蒸汽溴冷機(jī)產(chǎn)生的冷凝熱水（85℃，流量9 t/h）、余熱鍋爐煙氣冷凝器產(chǎn)生的熱水（溫度80℃，流量85.5 t/h）。制冷站設(shè)置熱水型溴冷機(jī)組，三路80℃以上熱水共141.7 t/h進(jìn)入凝液罐混合后進(jìn)入熱水型溴冷機(jī)，制冷后溫度降為60℃再經(jīng)分水器回至各自系統(tǒng)，共有3 839 kW的熱量用于制冷。

熱水型溴化鋰吸收式冷水機(jī)組設(shè)置1臺，電功率10 kW，制冷量約2 153 kW，能效比0.56，冷水進(jìn)出口溫度14℃/7℃，流量264 t/h，機(jī)組冷量調(diào)節(jié)范圍20%～100%；蒸汽型溴化鋰吸收式冷水機(jī)組設(shè)置2臺，每臺電功率15 kW，合計(jì)蒸汽最大耗量9 t/h，蒸汽壓力0.8 MPa（g），凝結(jié)水為85℃飽和水，共有6 057 kW的熱量用于制冷，制冷量為9 220 kW，能效比1.52，冷水進(jìn)出口溫度14℃/7℃。

蒸汽及熱水型溴冷機(jī)總制冷量為11 373 kW，能夠滿足項(xiàng)目平均負(fù)荷10 970 kW，再配套離心式電制冷機(jī)組制冷量為3 100 kW，總制冷量為14 473 kW，能夠滿足項(xiàng)目最大負(fù)荷14 022 kW。根據(jù)與制冷設(shè)備廠家雙良集團(tuán)溝通落實(shí)的結(jié)果，形成的能量系統(tǒng)如圖5所示。

按上述分析，余熱回收利用包括余熱鍋爐煙氣冷凝器熱水、燃料乙醇蒸餾和干燥用蒸汽冷凝水、蒸汽溴冷機(jī)冷凝水，總制冷量為2 153 kW，冷價按50元/GJ計(jì)，折增加供冷收入387元/h。

5 結(jié)論

根據(jù)上述分析，本文提出以下綜合用能優(yōu)化方案：二氧化碳液化車間壓縮后的高溫二氧化碳?xì)怏w余熱577 kW回收利用，用于能源站補(bǔ)充除鹽水的加熱，節(jié)約燃?xì)庀牧?5 m3/h，折燃料成本減少156元/h；天然氣調(diào)壓站膨脹后的低溫天然氣余冷323 kW用于二氧化碳液化車間液化的制冷，節(jié)約二氧化碳液化電耗303 kW，折電耗成本減少172元/h，同時增壓后的高溫天然氣余熱151 kW用于能源站燃機(jī)和補(bǔ)燃式余熱鍋爐的燃料供應(yīng)，相當(dāng)于燃料焓值提高620 MJ/h，節(jié)約燃?xì)庀牧繛?7 m3/h，折燃料成本減少41元/h；吸收式制冷站制備的冷凍水余冷414 kW用于二氧化碳液化冰機(jī)用冷卻水，替代了二氧化碳液化系統(tǒng)循環(huán)冷卻水耗量，節(jié)約電耗；能源站富余的蒸汽6 057 kW用于制冷站蒸汽型溴冷機(jī)制冷凍水，余熱鍋爐煙氣冷凝器產(chǎn)生的熱水、蒸汽冷凝水共3 839 kW用于制冷站熱水型溴冷機(jī)制冷凍水，余熱制冷按3 839 kW計(jì)，可產(chǎn)生冷凍水冷量2 153 kW，考慮二氧化碳液化用冷凍水414 kW后，折增加供冷收入313元/h。

圖5 能源系統(tǒng)

綜上所述，針對燃料乙醇項(xiàng)目及配套能源站，結(jié)合二氧化碳液化、天然氣調(diào)壓、吸收式制冷三大系統(tǒng)，對用能進(jìn)行綜合優(yōu)化，可在節(jié)約燃料、減少電耗、增加供冷三大方面產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效益，其中節(jié)約燃料側(cè)為197元/h，減少電耗側(cè)為172元/h，增加供冷側(cè)為313元/h，共計(jì)為682元/h，按年額定負(fù)荷運(yùn)行8 000 h計(jì)算，年增加收益545.6萬元。后續(xù)可針對二氧化碳減排爭取碳排放指標(biāo)交易，據(jù)了解目前指標(biāo)價格在20～40元/tCO2范圍，若爭取成功，每年可額外增加最低100萬元的碳減排收益。

經(jīng)過三大系統(tǒng)余能利用的綜合優(yōu)化，這樣既增加了項(xiàng)目收益，同時又能實(shí)現(xiàn)機(jī)組在額定負(fù)荷狀態(tài)下穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行，避免了能源站負(fù)荷受燃料乙醇站用能需求波動而經(jīng)常變化的缺點(diǎn)，因此其具有效率最優(yōu)、發(fā)電最多、設(shè)備損耗最低以及固定資產(chǎn)價值最大化的優(yōu)勢。同時，其對燃料乙醇系統(tǒng)的熱能耦合沒有造成任何影響，不增加原有系統(tǒng)的任何能耗，具有很大的推廣意義。

下一階段，人們要進(jìn)一步完善如下工作：聯(lián)合設(shè)備成套廠家進(jìn)一步分析落實(shí)，利用Aspen軟件進(jìn)行聯(lián)合模擬，結(jié)合工程應(yīng)用、設(shè)備成熟可靠等方面，形成切實(shí)可行的工程方案；針對天然氣采用透平膨脹增壓機(jī)設(shè)備，其中接近80 000 r/min的軸承部件，進(jìn)一步提升國產(chǎn)或進(jìn)口供應(yīng)商的成熟可靠性；根據(jù)后續(xù)的冷凍水計(jì)算，若存在富余量，可考慮用于燃機(jī)壓氣機(jī)前空氣的預(yù)冷，進(jìn)一步提高燃機(jī)效率。