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        煤化工低位熱能回收利用的研究

        2022-11-21 07:35:20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
        化工管理 2022年31期
        關(guān)鍵詞:工藝

        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。

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