李供法

(中海石油寧波大榭石化有限公司,浙江 寧波 315800)

隨著人類生產(chǎn)活動(dòng)和社會(huì)活動(dòng)的增加,特別是工業(yè)革命以來,由于大量燃料的燃燒、工業(yè)廢氣和汽車尾氣的排放,使得大氣環(huán)境質(zhì)量日趨惡化[1]。節(jié)能減排是國(guó)家“十四五”規(guī)劃的重要任務(wù)。各個(gè)企業(yè)成立“碳達(dá)峰、碳中和”工作領(lǐng)導(dǎo)小組,認(rèn)真落實(shí)關(guān)于做好“碳達(dá)峰、碳中和”工作要求,全面推動(dòng)公司綠色低碳轉(zhuǎn)型。

石化行業(yè)存在大量90～150 ℃中等溫位的低溫余熱[2-5]并且大部分被水冷或空冷冷卻掉?；厥諢捰蛷S低溫余熱具有巨大的節(jié)能潛力和良好的經(jīng)濟(jì)效益。隨著國(guó)內(nèi)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、加強(qiáng)環(huán)保與清潔能源等政策的實(shí)施,設(shè)法提高能源利用效率是目前我國(guó)節(jié)能減排的工作重點(diǎn)。石油化工在加工過程中,產(chǎn)生大量的低品位熱源(溫度一般小于120 ℃),這部分熱量因品味較低而無法有效利用,只能通過空冷或是循環(huán)水冷卻,造成熱量的極大浪費(fèi)和煉廠裝置能耗的升高。煉廠低溫?zé)崃康睦煤蛢?yōu)化也有不少研究。通過探討煉廠低溫?zé)岱植记闆r,結(jié)合煉廠對(duì)不同品味熱源的需求狀況,通過采用二類熱泵機(jī)組技術(shù)提升煉廠低溫?zé)岬钠肺?匹配全廠工藝裝置熱量需求,降低煉廠的能耗,從而減少煉廠的碳排放,為煉油廠低溫余熱利用提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 存在問題

如圖1是煉油廠典型的分餾塔頂流程圖,分餾塔頂溫度106.3 ℃,壓力為0.8 MPa,塔頂油氣經(jīng)過空冷冷卻至42 ℃之后,一部分作為冷回流返回分餾塔頂,控制分餾塔頂溫度,另外一部分送至下游作為其他單元的進(jìn)料。塔頂油氣溫度經(jīng)過空冷由106 ℃降低為42 ℃,大量的低溫?zé)岜豢绽淅鋮s,造成熱量的浪費(fèi)。

圖1 分餾塔頂氣相冷凝流程圖

對(duì)某煉廠芳烴聯(lián)合裝置塔頂空冷熱負(fù)荷進(jìn)行調(diào)研,初步統(tǒng)計(jì)裝置塔頂?shù)蜏責(zé)嶝?fù)荷,如表1所示。

表1 芳烴聯(lián)合裝置冷卻負(fù)荷分布

表1(續(xù))

如上圖1和表1所示,煉廠裝置內(nèi)存在大量的低溫?zé)?這些熱量溫度從90～160 ℃不等,塔頂?shù)牡蜏責(zé)嵛吹玫匠浞掷?只能通過空冷或循環(huán)水冷卻掉。以表1所示的某煉廠芳烴聯(lián)合裝置的低溫?zé)岷嫌?jì)有320 MW的低溫?zé)岜豢绽淅鋮s,熱量即沒有回收又浪費(fèi)了很多電能,造成裝置能耗的升高。

2 技術(shù)分析及措施

目前大量應(yīng)用于工業(yè)的主要熱水余熱回收技術(shù)主要有:低溫?zé)崴l(fā)電、低溫?zé)崴a(chǎn)低壓蒸汽及熱水余熱制冷等[6]。

2.1 低溫余熱發(fā)電

低溫?zé)岚l(fā)電技術(shù)原理是利用有機(jī)朗肯循環(huán),利用液態(tài)有機(jī)工質(zhì)沸點(diǎn)低的原理,低品位的熱流在換熱器中放熱給有機(jī)工質(zhì),有機(jī)工質(zhì)蒸發(fā)為飽和蒸汽,推動(dòng)膨脹機(jī)做功, 將品味較低的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電或拖動(dòng)其他轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械。熱水發(fā)電技術(shù)能量利用率低,綜合利用率在8%～10%左右。發(fā)電系統(tǒng)由余熱鍋爐換熱器、透平、冷凝器和工質(zhì)泵四大部套組成。余熱流在換熱器中放熱給有機(jī)工質(zhì),工質(zhì)由于吸熱而成蒸汽。這種蒸汽通過透平膨脹做功, 從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電或拖動(dòng)其他轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械。從透平排出的蒸汽在冷凝器中向冷卻水放出熱量而凝結(jié)成液體,從而借助工質(zhì)泵重新泵回?fù)Q熱器,如此不斷循環(huán)就能發(fā)電或產(chǎn)生動(dòng)力。由于系統(tǒng)技術(shù)簡(jiǎn)單、熱回收性能好及透平尺寸小、無濕蒸汽區(qū)等特點(diǎn),特別適用于低溫和中、小容量的能量回收。

2.2 低溫?zé)嶂评渌?/h3>

余熱制冷是一種以工業(yè)余(廢)熱為熱源制取7 ℃以上冷凍水,用于空調(diào)或工業(yè)冷卻,或?qū)⒌陀?00 ℃的低溫?zé)嵩吹臏囟忍嵘?0～60 ℃,再用于工業(yè)生產(chǎn),是一種能大幅度提高企業(yè)能源利用率,達(dá)到節(jié)能、節(jié)水、減少溫室氣體排放、減少熱排放目的的高新技術(shù)。余熱制冷系統(tǒng)耗電只占制冷機(jī)輸出功率的2%～3%,比電制冷節(jié)電70%～80%,可節(jié)約大量一次能源。大幅度提高一次能源的利用率,提高幅度約10%。減少煤、石油的使用,可減少CO2、NOX等有害氣體及溫室氣體的排放,改善環(huán)境條件。

低溫?zé)嶂评浼夹g(shù)是利用工業(yè)余熱制取7～12 ℃的冷水,用于裝置使用。制冷劑以溴化鋰作為制冷劑。目前低溫?zé)嶂评湓跓捇髽I(yè)用途較多,技術(shù)較為成熟,能夠很好地利用煉廠的余熱,實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。低溫余熱制冷效率相對(duì)較高,但煉廠對(duì)制冷水的需求各不同。

2.3 低溫?zé)釤岜糜酂峄厥占夹g(shù)

如圖2低溫余熱熱泵回收技術(shù)是采用二類熱泵[7]作為低溫?zé)峄厥赵O(shè)施,二類熱泵機(jī)組以溴化鋰溶液為吸收劑,水為制冷劑,通過在蒸發(fā)器和發(fā)生器中吸收低品位余熱的能量,由吸收器產(chǎn)生高品位蒸汽或熱水的設(shè)施。

圖2 第二類溴化鋰吸收式熱泵工作原理

熱泵運(yùn)行過程基本原理:水的沸點(diǎn)隨壓力的不同而發(fā)生變化以及水蒸發(fā)吸熱、冷凝放熱的特性,將水作為傳熱的中間介質(zhì),通過循環(huán)具有強(qiáng)吸濕性的溴化鋰溶液實(shí)現(xiàn)熱量傳遞的物理過程。

2.3.1 熱量平衡

對(duì)于熱泵機(jī)組而言,中溫?zé)嵩词菧囟葹?08 ℃的熱水,低溫冷卻熱量輸出即被循環(huán)水帶走的熱量Q2,高溫?zé)崾侵苽涑龅恼羝麩崃縌1～Q2。熱泵的性能系數(shù)(COP)定義為得到的有用熱量與消耗的驅(qū)動(dòng)熱量之比,即COP=(Q1-Q2)/Q1。

如第二類吸收式熱泵COP=0.3,即回收1份中溫廢熱熱量,產(chǎn)生0.3份高品位熱,可見第二類吸收式熱泵能夠產(chǎn)生比中溫廢熱品味高的熱媒,產(chǎn)生的高品位熱可以用于廠內(nèi)工藝,具有較顯著的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。吸收式熱泵的熱量平衡圖如圖3所示。

圖3 吸收式熱泵的熱量平衡圖

2.3.2 機(jī)組特點(diǎn)

第二類吸收式熱泵能回收30%～50%左右的低品位余熱的熱量,主要有以下特點(diǎn):

1)可發(fā)生低低壓蒸汽,也可制取高溫?zé)崴?。二類熱泵機(jī)組可以根據(jù)企業(yè)用戶的需求不同,通過回收低溫?zé)岬臒崮苡脕碇迫〉偷蛪赫羝蚴菬崴?/p>

2)不消耗高品位能源。第二類吸收式熱泵消耗的是低品位余熱或是廢熱,不消耗高品位能源?？梢岳脽崴蚴枪に嚱橘|(zhì)。

3)回收成本周期短。第二類吸收式熱泵消耗低品位的熱量,這些熱量在煉廠中一般是空冷或是水冷冷卻,節(jié)能效果顯著,且設(shè)備投資成本較低,回收成本周期較低。

4)環(huán)境效益顯著。二類熱泵機(jī)組消耗公共工程水電汽風(fēng)等較少,運(yùn)行時(shí)沒有任何污染和廢棄物,環(huán)境效益明顯。

5)自動(dòng)運(yùn)行。吸收式熱泵機(jī)組采用PLC自動(dòng)控制,可實(shí)現(xiàn)一鍵開停機(jī)功能,操作簡(jiǎn)單,運(yùn)轉(zhuǎn)部件較少,機(jī)組運(yùn)行簡(jiǎn)單可靠,維護(hù)費(fèi)用低,自動(dòng)控制程度高。

3 低溫?zé)峄厥占夹g(shù)應(yīng)用

3.1 某煉廠低溫?zé)岈F(xiàn)狀分析

以某煉油廠DMTO裝置為例,利用低溫?zé)釤岜糜酂峄厥占夹g(shù)對(duì)該煉廠的低溫?zé)徇M(jìn)行回收利用,計(jì)算經(jīng)濟(jì)效益和能耗節(jié)約量。如圖4～5所示,DMTO裝置部分工藝過程如下:

DMTO裝置水洗塔(T1202)塔底工藝水流量2 480 t/h,溫度為93 ℃,經(jīng)烯烴分離單元換熱后,溫度降至70.5 ℃,再經(jīng)空冷器(AE1202)冷卻至62 ℃,然后經(jīng)循環(huán)水冷卻器(WC1204)冷卻至53.6 ℃,最后工藝水分成兩路,一路1 898 t/h直接返回至水洗塔的中部,另一路581 t/h工藝水經(jīng)循環(huán)水冷卻器(WC1205)冷卻至36.6 ℃返回至塔頂部?？绽淦鰽E1202風(fēng)機(jī)消耗電量為254 kW工藝流程圖詳見圖4。

圖4 某煉廠水洗塔和急冷塔工藝流程簡(jiǎn)圖

DMTO裝置急冷塔(T1201)塔底急冷水抽出溫度108 ℃,流量770 t/h經(jīng)烯烴單元換熱后溫度降至102.4 ℃,再經(jīng)空冷器(AE1201)冷卻至68 ℃,然后分成兩路,一路93 t/h返回至塔底,另一路680 t/h返回至塔頂?？绽淦鰽E1201風(fēng)機(jī)消耗電量為316 kW。

自水洗塔底、急冷塔底、烯烴分離、氣壓機(jī)凝液及廢甲醛罐來的污水合計(jì)230 t/h左右,進(jìn)入污水罐V1202,經(jīng)過換熱器E1206A-D與污水汽提塔底液換熱后溫度108.7 ℃進(jìn)入污水汽提塔T1203。污水汽提塔塔頂壓力0.19 MPa,溫度129.6 ℃,塔底溫度136.5 ℃;凈化水自污水汽提塔底抽出,抽出量220 t/h,溫度136 ℃,經(jīng)過換熱器E1206A-D和E1104AB后溫度降為105 ℃,再經(jīng)過空冷AE-1240A-F和循環(huán)水冷卻器WC-1209AB溫度降為60～70 ℃出裝置,流程如下圖5所示。

DMTO裝置中水洗塔塔底工藝水(流量2 480 t/h,溫度70.5 ℃)和急冷塔底急冷水(流量770 t/h,溫度108 ℃)的熱量被循環(huán)水或空冷直接冷卻;污水汽提塔底凈化水(流量220 t/h,溫度105 ℃),熱量被循環(huán)水或空冷直接冷卻。這些熱量因品味相對(duì)較低,無法得到充分利用。

圖5 凈化水工藝流程簡(jiǎn)圖

該煉廠鍋爐動(dòng)力發(fā)生蒸汽系統(tǒng)主要有:

1#、2#、3#高壓鍋爐(2開1備),以水煤漿為燃料,發(fā)生9.0 MPa蒸汽,送入高壓蒸汽管網(wǎng);

一臺(tái)CO余熱鍋爐,發(fā)生4.0 MPa蒸汽;

一臺(tái)燃?xì)忮仩t,以裝置內(nèi)燃料氣作為燃料,發(fā)生1.0 MPa蒸汽。

鍋爐給水配置兩臺(tái)(1#、2#)高壓除氧器,除氧器的操作壓力為0.5 MPa,給1#、2#、3#高壓鍋爐(2開1備)供水。正常操作條件下,除氧器的除鹽水進(jìn)水溫度為43 ℃,流量315 t/h,現(xiàn)用1.0 MPa蒸汽作為除氧器驅(qū)動(dòng)蒸汽,蒸汽用量為46.6 t/h。工藝流程圖詳見圖6。

圖6 除氧器流程簡(jiǎn)圖

低溫余熱通過熱泵機(jī)組發(fā)生蒸汽的技術(shù),可以充分實(shí)現(xiàn)低溫余熱的高效回收利用。煉油廠的余熱資源巨大,為低溫余熱發(fā)生蒸汽技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供了空間。

從能量利用的本質(zhì)出發(fā),著重從源頭入手解決問題。依次對(duì)煉化企業(yè)的能量利用、回收和轉(zhuǎn)換三個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化[8-9],即依次對(duì)能量利用環(huán)節(jié)的設(shè)備結(jié)構(gòu)改善和運(yùn)行參數(shù),對(duì)能量回收環(huán)節(jié)(換熱網(wǎng)絡(luò)和換熱流程)進(jìn)行建模、分析和優(yōu)化,對(duì)能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的運(yùn)行參數(shù)及設(shè)備結(jié)構(gòu)形式改進(jìn)。通過對(duì)對(duì)象的全方位診斷、分析及優(yōu)化,從而達(dá)到能源循環(huán)利用、降低能耗,提升效益。

DMTO的工藝水、急冷水屬于低溫位熱量,可回收潛力巨大,目前利用效果不好。如何高效率利用好低溫?zé)?與現(xiàn)有工藝裝置、公用工程充分結(jié)合,是優(yōu)化方案的關(guān)鍵點(diǎn)。從現(xiàn)場(chǎng)情況分析,急冷水溫位較高,可以利用二類熱泵機(jī)組技術(shù),回收低溫余熱發(fā)生低壓蒸汽,效率最高可達(dá)30%～50%。同時(shí)考慮將工藝水和急冷水與動(dòng)力系統(tǒng)除氧器進(jìn)行聯(lián)合,回收工藝水和急冷水的低溫?zé)?降低除氧器1.0 MPa蒸汽消耗。

3.2 某煉廠低溫?zé)崂眉夹g(shù)方案

低溫?zé)崂梅桨笧?如下圖7所示,從裝置來的急冷水,流量770 t/h,溫度89 ℃,先進(jìn)入熱泵機(jī)組發(fā)生0.35 MPa蒸汽。急冷水溫度由89 ℃降至75 ℃,回收這部分急冷水的熱量發(fā)生0.35 MPa蒸汽供裝置使用。整個(gè)系統(tǒng)可以回收2.25 MW的熱量,發(fā)生0.35 MPa蒸汽3.22 t/h。

進(jìn)除氧器的除鹽水(溫度43 ℃,流量315 t/h),先與經(jīng)過換熱器E1001(除鹽水-凈化水換熱器)與溫度75 ℃,770 t/h的急冷水換熱,換熱后,除鹽水的溫度升高至55 ℃;之后除鹽水經(jīng)過換熱器E1002/E1003(除鹽水-凈化水換熱器)與溫度為105 ℃,200 t/h的凈化水換熱,凈化水的溫度由105 ℃降低為65 ℃,除鹽水的溫度由55 ℃升高至80 ℃,經(jīng)升溫后的除鹽水再分別進(jìn)入1#和2#除氧器,可節(jié)省除氧器1.0 MPa蒸汽11.67 t/h。急冷水節(jié)約空冷電量316 kW,凈化水空冷節(jié)約電量60 kW,表2為E1001、E1002和E1003除鹽換熱器參數(shù)表,表3為二類熱泵機(jī)組參數(shù)表。

表2 E1001、E1002和E1003除鹽換熱器參數(shù)表

圖7 凈化水-急冷水換熱流程簡(jiǎn)圖

表3 二類熱泵機(jī)組參數(shù)表

3.3 某煉廠低溫?zé)崂梅桨感Ч?/h3>

通過對(duì)某煉廠低溫?zé)崂梅治?工藝水、急冷水和凈化水的熱量得到了充分利用,即節(jié)約了一部分1.0 MPa蒸汽,又產(chǎn)生0.35 MPa蒸汽。整體上全廠降低1.0 MPa蒸汽消耗11.67 t/h,產(chǎn)生0.35 MPa蒸汽3.22 t/h,產(chǎn)生的低低壓蒸汽通過平衡全廠的蒸汽系統(tǒng),避免蒸汽放空。急冷水返回空冷前溫度為70 ℃,大大降低了空冷的負(fù)荷,節(jié)約了電能。凈化水出裝置溫度降低為65 ℃,關(guān)閉了凈化水空冷和循環(huán)水冷卻器,節(jié)約了空冷電量和循環(huán)水的消耗。

方案實(shí)施后,裝置能耗和收益見表4～5所示:

表4 能耗變化表

表5 收益表

4 結(jié)論

(1)在節(jié)能降耗大背景下,煉廠的低溫?zé)峋哂泻艽蟮墓?jié)能空間,如何利用煉廠的低溫?zé)崾侵档蒙钊胙芯康恼n題。

(2)低溫?zé)岬睦眯枰Y(jié)合煉廠本身的實(shí)際情況,尋找合適的熱源和熱阱,采用合適的低溫?zé)峄厥辗椒?并結(jié)合工程實(shí)際得到可行的最終方案。

(3)采用二類熱泵機(jī)組技術(shù),提高煉廠低溫?zé)岬钠肺?能夠提升煉廠低溫?zé)岬目衫每臻g。

(4)產(chǎn)生的低低壓蒸汽,需通過平衡全廠的蒸汽系統(tǒng),避免蒸汽存在放空現(xiàn)象。