李志超(內(nèi)蒙古大唐國(guó)際克什克騰旗煤制天然氣有限公司，內(nèi)蒙古 赤峰 025350)

0 引言

我國(guó)化工行業(yè)余熱資源的情況，余熱資源回收率相對(duì)較低，資源分布比較分散，各化工行業(yè)倡導(dǎo)節(jié)能減排，回收低位熱能加以利用的經(jīng)濟(jì)性非?？陀^(guān)。眾所周知，煤化工是我國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的一門(mén)行業(yè)，傳統(tǒng)的煤化工具有三高一低的特點(diǎn)：三高分別指的是能耗量、排放量以及污染量；一低指的是效益低，嚴(yán)重制約著我國(guó)煤化工業(yè)的發(fā)展。由此可見(jiàn)，關(guān)于煤化工低位熱能的回收利用研究是至關(guān)重要的，是當(dāng)前發(fā)展過(guò)程中必須解決的重點(diǎn)問(wèn)題和難點(diǎn)問(wèn)題。對(duì)此，相關(guān)領(lǐng)域必須予以充分的重視?，F(xiàn)階段，我國(guó)也在不斷摸索的過(guò)程中前進(jìn)，不斷積累經(jīng)驗(yàn)和總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題，形成了一種現(xiàn)代煤化工的形式，主要針對(duì)余熱回收利用問(wèn)題著手進(jìn)行，旨在進(jìn)一步提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，使得資源得到最大化的利用，降低能耗，加快實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的步伐[1]。

1 煤化工低位熱能的回收利用項(xiàng)目背景

1.1 硫回收裝置擬進(jìn)行改造的系統(tǒng)或設(shè)備情況

某天然氣公司硫回收裝置三級(jí)冷凝冷卻器(W05)自產(chǎn)0.22 MPa低壓飽和蒸汽，因壓力低不滿(mǎn)足蒸汽并網(wǎng)條件。故三級(jí)冷凝冷卻器(W05)配備一臺(tái)蒸汽空冷器，三級(jí)冷凝冷卻器(W05)自產(chǎn)的0.22 MPa低壓飽和蒸汽進(jìn)入蒸汽空冷器，通過(guò)變頻風(fēng)機(jī)將蒸汽冷卻為液態(tài)水返回三級(jí)冷凝冷卻器(W05)殼程循環(huán)使用。

1.1.1 改造方案及示意圖

現(xiàn)擬將蒸汽空冷器改為蒸汽冷凝器，蒸汽冷凝器為板式換熱器，0.22 MPa低壓飽和蒸汽進(jìn)入蒸汽冷凝器后，在冬季可與采暖水回水換熱，冷卻為液態(tài)水返回三級(jí)冷凝冷卻器(W05)殼程循環(huán)使用(圖1)。

圖1 硫回收裝置擬進(jìn)行改造示意圖

1.1.2 改造方案及示意圖

此改造可停用蒸汽空冷器降低電耗，并利用這部分熱量給硫回收采暖回水加熱，達(dá)到節(jié)約Q235b換熱站低壓蒸汽的用量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗回收低位余熱的目的，并大大降低冬季極寒天氣時(shí)，空冷器管束凍堵的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 甲烷化裝置擬進(jìn)行改造的系統(tǒng)或設(shè)備情況

甲烷化裝置是某天然氣公司的主要生產(chǎn)裝置之一，該裝置將上游低溫甲醇洗工段來(lái)的合格凈化氣通過(guò)精脫硫、大量甲烷化和補(bǔ)充甲烷化反應(yīng)，合成甲烷含量大于95%的合成氣并送往下游首站進(jìn)行壓縮和脫水，同時(shí)回收甲烷化反應(yīng)放出的熱量用于產(chǎn)生中壓蒸汽和低壓蒸汽并外送蒸汽管網(wǎng)。

在甲烷化反應(yīng)中，第一補(bǔ)充甲烷化反應(yīng)器C104出口工藝氣溫度大約為449 ℃，經(jīng)過(guò)原料氣預(yù)熱器的換熱溫度降至254 ℃，再進(jìn)入鍋爐給水加熱器W109冷卻至168 ℃，然后進(jìn)入第一補(bǔ)充甲烷化反應(yīng)器1#氣液分離器B303中分離工藝?yán)淠?，分離器頂部出來(lái)的工藝氣進(jìn)入空冷器W201再進(jìn)一步冷卻至109 ℃，并在第一補(bǔ)充甲烷化反應(yīng)器2#氣液分離器B304中分離掉冷凝液后送往第二補(bǔ)充甲烷化反應(yīng)器C105進(jìn)行終極甲烷化反應(yīng)。工藝空冷器W201(設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示)采用工藝氣與空氣的換熱方式，設(shè)有16臺(tái)空冷風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)工藝空冷器出口工藝氣溫度。根據(jù)設(shè)計(jì)條件計(jì)算，甲烷化工藝空冷器滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的換熱負(fù)荷為36 471 kW，具有極高的回收價(jià)值。

表1 甲烷化工藝空冷器設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2.1 改造方案

在實(shí)際運(yùn)行中甲烷化裝置不能長(zhǎng)期滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，要需要考慮各個(gè)負(fù)荷下工藝空冷器的換熱負(fù)荷。工藝空冷負(fù)荷與甲烷化系統(tǒng)負(fù)荷成正比，所以折算甲烷化裝置在70%、80%、90%、100%工況運(yùn)行時(shí)，工藝空冷的換熱負(fù)荷如表2所示。

表2 工藝空冷的換熱負(fù)荷參數(shù)表

為了將甲烷化工藝空冷的熱量進(jìn)行回收，在臨近裝置區(qū)尋找可以進(jìn)行熱量回收的物流介質(zhì)，在低溫甲醇洗裝置區(qū)發(fā)現(xiàn)可以用于進(jìn)行換熱的介質(zhì)。

低溫甲醇洗裝置是某天然氣公司的主裝置之一，將變換裝置送來(lái)的變換氣進(jìn)行選擇性的吸收，除去粗煤氣中的CO2、H2S等酸性氣體以及焦油0#、水、烴類(lèi)等雜質(zhì)，制得CO2≤1.5%，總S≤0.2 mg/L的合格凈化氣，送往甲烷化裝置。

低溫甲醇洗再沸器有熱再生塔再沸器W018、共沸塔再沸器W022、甲醇水塔再沸器W023，其設(shè)計(jì)負(fù)荷和換熱面積如表3所示。

表3 工藝空冷的換熱負(fù)荷參數(shù)表

由于實(shí)際運(yùn)行時(shí)，裝置不能長(zhǎng)時(shí)間處于滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)實(shí)際工況，查閱SIS系統(tǒng)，分別統(tǒng)計(jì)出低溫甲醇洗裝置在70%、80%、90%、100%符合下各個(gè)再沸器的蒸汽消耗(表4)。

表4 工藝空冷的換熱負(fù)荷參數(shù)表

考慮傳熱溫差的需要，甲烷化工藝空冷負(fù)荷可以滿(mǎn)足低溫甲醇洗熱再生塔再沸器蒸汽熱量的需求，共沸塔和甲醇水塔塔釜溫度偏高，共沸塔塔釜操作溫度116 ℃左右，甲醇水塔塔釜操作溫度130 ℃左右，甲烷化工藝空冷器的工藝氣溫度難以滿(mǎn)足其換熱需求?，F(xiàn)考慮回收甲烷化空冷器余熱，用于低溫甲醇洗裝置區(qū)熱再生塔K005的再沸器，該塔釜溫度要求相對(duì)較低，只有94～96 ℃，0.3 MPa飽和蒸汽溫度在143 ℃，為熱再生塔K005塔釜提供加熱蒸汽。為了保證熱再生塔的穩(wěn)定運(yùn)行，需要額外增加一臺(tái)再沸器，與現(xiàn)有的再沸器并聯(lián)運(yùn)行。最終建立甲烷化-低溫甲醇洗0.3 MPa蒸汽循環(huán)加熱系統(tǒng)(詳細(xì)情況如圖2所示)。

圖2 甲烷化裝置擬進(jìn)行改造示意圖

1.2.2 改造解決的問(wèn)題和必要性

甲烷化空冷器的設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為36 471.9 kW，其熱量很可觀(guān)，若將其全部回收每小時(shí)可以副產(chǎn)約0.5 MPa低壓蒸汽50t。根據(jù)W201設(shè)計(jì)運(yùn)行負(fù)荷折算實(shí)際運(yùn)行的負(fù)荷在27 365.8～29 868.5 kW之間，每小時(shí)可以副產(chǎn)0.5 MPa低壓蒸汽37～41 t，若將此部分蒸汽用于其他裝置的換熱設(shè)備進(jìn)行熱量回收，按低壓蒸汽單價(jià)80元/t計(jì)算，預(yù)計(jì)每年可以節(jié)約2 400～2 600萬(wàn)元。

2 關(guān)于煤化工低位熱能的回收利用研究

低位熱能的回收利用研究是當(dāng)前煤化工當(dāng)前發(fā)展的重點(diǎn)方向之一。為了進(jìn)一步提高低位熱能的回收和利用效率，一方面需要對(duì)本公司各裝置的工藝流程反復(fù)研究，對(duì)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的冷熱源進(jìn)行統(tǒng)籌梳理并進(jìn)行分析比對(duì)；另一方面按能源品級(jí)對(duì)應(yīng)利用，即高品位高用、低品位低用原則，調(diào)整部分工藝裝置的用能形式，以實(shí)現(xiàn)全廠(chǎng)整體能效最優(yōu)，從而最大化的保障余熱的利用，提高效率[2]。

2.1 熱交換技術(shù)

熱交換技術(shù)是當(dāng)前常用的技術(shù)之一，應(yīng)用范圍廣泛，局限性小，應(yīng)用效果十分顯著，故而受到了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注與支持，特別是針對(duì)石油化工領(lǐng)域的發(fā)展有著極大的推動(dòng)作用。而熱交換技術(shù)的核心就在于高溫介質(zhì)，通過(guò)各種換熱設(shè)備與低溫工藝物料進(jìn)行換熱，從而實(shí)現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)化，整個(gè)過(guò)程相對(duì)直接、簡(jiǎn)單，且熱效率高。在工藝設(shè)計(jì)過(guò)程或技改技措中，強(qiáng)化裝置間熱聯(lián)合和熱集成，將余熱資源直接與低溫的工藝物料換熱，大大減少了蒸汽和燃料的用量，降低了成本[3]。

2.2 熱泵技術(shù)

眾所周知，煤化工生產(chǎn)是一項(xiàng)系統(tǒng)性的工程，整個(gè)流程相對(duì)復(fù)雜，具有一定的難度性，近幾年來(lái)隨著我國(guó)社會(huì)的不斷發(fā)展，煤化工生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，需求量不斷增加。因此，在煤化工生產(chǎn)的過(guò)程中，對(duì)燃料和蒸汽能量的消耗是不可估量的，與此同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生大量的低品位能量。例如70～90 ℃的低壓飽和蒸汽或50 ℃左右的熱水等，而從目前的發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，這些低品位能量未能得到科學(xué)有效的處理，大多數(shù)情況下會(huì)以廢熱的形式進(jìn)行排放，故而會(huì)對(duì)環(huán)境造成極大的威脅。隨著熱泵技術(shù)的不斷推進(jìn)與應(yīng)用，一方面避免了這一問(wèn)題的發(fā)生，另一方面實(shí)現(xiàn)了余熱的回收利用，提高了資源利用效率。熱泵技術(shù)從大體上可以分為吸熱式熱泵和壓縮式熱泵兩大類(lèi)，這二者各有各的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，首先吸收式熱泵對(duì)熱源的品位的局限性相對(duì)較小，具有直接性的特點(diǎn)，運(yùn)用于各種熱能的驅(qū)動(dòng)，為進(jìn)一步提高能量回收有著積極的意義和深遠(yuǎn)的影響。而壓縮式熱泵在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生熱力循環(huán)，對(duì)熱能的消耗量相對(duì)較大。例如使用熱泵技術(shù)將進(jìn)入鍋爐的除氧水溫度由20～25 ℃提高到50 ℃以上，通常熱泵系統(tǒng)利用電能驅(qū)動(dòng)制冷劑循環(huán)，制冷劑經(jīng)蒸發(fā)器、冷凝器等部件進(jìn)行相變，將低溫介質(zhì)的熱量輸送到高溫介質(zhì)中，回收低溫介質(zhì)的熱量提高高溫介質(zhì)的溫度[4]。

2.3 余熱制冷技術(shù)

余熱制冷技術(shù)主要是通過(guò)外力作用進(jìn)行壓縮制冷，整個(gè)環(huán)節(jié)所消耗的能耗相對(duì)較大，通常適用于一些民用傳統(tǒng)煤化工生產(chǎn)。而余熱制冷技術(shù)從大體上可以分為吸收式和吸附式兩種，通常適用于回收一些廉價(jià)的能源和低品位熱能。而溴化鋰-水、氨-水，是當(dāng)前余熱制冷技術(shù)中常用的兩種天然制冷劑，一方面這些制冷劑把它降低了對(duì)臭氧層的破壞作用，另一方面具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢(shì)。從吸收式和吸附式兩種余熱制冷技術(shù)角度來(lái)分析，整個(gè)工作流程都會(huì)經(jīng)歷蒸發(fā)、吸收、解析、冷凝、蒸發(fā)五個(gè)環(huán)節(jié)。但是，從實(shí)際成效來(lái)看，吸收式制冷技術(shù)取得的效果更為理想，應(yīng)用范圍更加廣泛，其沸點(diǎn)相對(duì)較低。因此，蒸發(fā)汽化的速度相對(duì)較快，流動(dòng)性能更好。

2.4 低溫制冷技術(shù)

低溫制冷技術(shù)是一種新型技術(shù)，應(yīng)用該技術(shù)的同時(shí)，對(duì)設(shè)備的高效性有著更高層次的要求和標(biāo)準(zhǔn)，且對(duì)工作人員操作的專(zhuān)業(yè)性有著嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。低溫制冷技術(shù)，通過(guò)利用制冷機(jī)產(chǎn)生冷凍水冷卻精餾塔頂溫度，大大降低了塔頂排放氣的溫度以及高附加值產(chǎn)品損耗。其中，溴化鋰吸收式制冷是當(dāng)前低溫制冷技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新的發(fā)展方向，可以更好地實(shí)現(xiàn)低溫余熱的利用。

2.5 余熱發(fā)電技術(shù)

有機(jī)朗肯循環(huán)低溫余熱發(fā)電技術(shù)具有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，通常情況下，沸點(diǎn)低的有機(jī)物作為循環(huán)介質(zhì)具有更好的功能和成效。循環(huán)有機(jī)工質(zhì)被余熱介質(zhì)加熱在蒸發(fā)器蒸發(fā)汽化，氣相有機(jī)工質(zhì)進(jìn)入汽輪機(jī)或螺桿機(jī)膨脹做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，整個(gè)工藝流程簡(jiǎn)單，布局緊湊。在整個(gè)技術(shù)應(yīng)用的過(guò)程中，有機(jī)工作流體和廢棄物沒(méi)有進(jìn)行直接性的接觸，且由于有機(jī)工作流的密度高、體積小，因此透平所需的工藝管道尺寸較小和流體流量較低，對(duì)溫度較低的低品位熱源效率更高[5]。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文從煤化工的相關(guān)概述作為出發(fā)點(diǎn)，分析和闡述了煤化工低位熱能的回收利用項(xiàng)目背景，重點(diǎn)從熱交換技術(shù)、熱泵技術(shù)、低溫制冷技術(shù)、余熱制冷技術(shù)和發(fā)電技術(shù)五個(gè)角度探究了煤化工低位熱能的回收利用，旨在更好地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，分析問(wèn)題和解決問(wèn)題，提高回收和利用效率。