基于變壓吸附的余壓利用研究

李偉杰 趙俊霞 朱亞萍 李文龍（鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院， 河南 鄭州 450001）

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基于變壓吸附的余壓利用研究

李偉杰 趙俊霞 朱亞萍 李文龍（鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院， 河南 鄭州 450001）

摘要：變壓吸附技術(shù)在空分領(lǐng)域擁有非常廣泛的應(yīng)用，但常規(guī)變壓吸附工藝中存在一部分壓力能被浪費(fèi)。本文利用透平將這一部分壓力能置換出來(lái)進(jìn)行回收利用，使用ASPEN PLUS軟件對(duì)實(shí)際工況條件的流程進(jìn)行了模擬和分析，在分析的基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)的成本進(jìn)行估算，最后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的效益進(jìn)行分析，結(jié)果表明：該余壓利用系統(tǒng)每年可節(jié)約電費(fèi)38.3萬(wàn)元，投資回收期約為1.83年，節(jié)能與經(jīng)濟(jì)效益顯著。

關(guān)鍵詞：變壓吸附；余壓利用；Aspen Plus；經(jīng)濟(jì)性分析

變壓吸附作為一種化工氣體分離技術(shù)，因其產(chǎn)品純度高，耗能小的特點(diǎn)在石油化工、制氫制氧等多個(gè)領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用［1］。但根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，變壓吸附工藝中存在較高的吸附余壓，目前在國(guó)內(nèi)尚未得到充分的利用，以至于造成了能源浪費(fèi)。

時(shí)值目前國(guó)家能源緊缺、大力提倡生產(chǎn)過(guò)程的節(jié)能降耗的關(guān)鍵時(shí)期，作為“十一五”期間國(guó)家十大重點(diǎn)節(jié)能工程和建設(shè)節(jié)約型社會(huì)重點(diǎn)工程之一的“余熱余壓利用工程”及其相關(guān)應(yīng)用得到了廣泛的推廣。

國(guó)內(nèi)余壓能的利用研究多集中于高爐煤氣余壓透平發(fā)電［2］、天然氣管網(wǎng)余壓回收利用工藝［3］、二級(jí)加壓水站的余壓能回收［4］等方面，關(guān)于變壓吸附余壓利用少見(jiàn)報(bào)道。本文著眼于變壓吸附中的余壓利用，在綜合前人研究和設(shè)計(jì)余壓利用系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合目前變壓吸附領(lǐng)域的現(xiàn)狀，擬設(shè)計(jì)出一套余壓利用系統(tǒng)，來(lái)綜合利用變壓吸附工藝中的余壓，在達(dá)到節(jié)能目的同時(shí)創(chuàng)造一定經(jīng)濟(jì)效益。

1 余壓利用系統(tǒng)研究

（1）方案選擇 目前國(guó)際范圍內(nèi)氣體余壓能利用的主要方法就是余壓發(fā)電，而且在多年的實(shí)踐中已經(jīng)證明了，余壓能利用的最有效形式就是發(fā)電。綜合前人研究確定利用變壓吸附的余壓通過(guò)透平發(fā)電的初步方案，并充分利用高壓流體在膨脹后產(chǎn)生的冷量，產(chǎn)生的電力可以直接輸送至當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)，也可以在需要的情況下增加電解制氫裝置進(jìn)行進(jìn)一步的利用。系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

（2）透平主機(jī)系統(tǒng) 透平主機(jī)系統(tǒng)為余壓利用系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其性能的優(yōu)劣決定了整個(gè)利用系統(tǒng)的效率。

透平主機(jī)系統(tǒng)主要包括：機(jī)殼、排氣室、危安保安器轉(zhuǎn)子，一、二級(jí)靜葉及其伺服調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)、密封、油封、軸承、軸承箱、盤車裝置、軸頭泵等部件，其連接形式如圖2所示。

（3）數(shù)值模擬 使用Aspen Plus軟件建立模型，并進(jìn)行數(shù)值模擬，如圖3所示。

2 結(jié)果與分析

（1）節(jié)能效果分析 原有流程與添加余壓利用流程單位液化功耗對(duì)比如圖4所示。

可以看出余壓回收后單位產(chǎn)品液化功耗降低約1/3，節(jié)能效果明顯。

（2）經(jīng)濟(jì)性分析 所需換熱面積4×5=20 m2，根據(jù)管殼式換熱器一般成本為10000元每平方，換熱器投入為20×1=20萬(wàn)元。

取附件投資5萬(wàn)元，則系統(tǒng)的總成本大致約為45+20+5=70萬(wàn)元。

按年運(yùn)行時(shí)間t=7920小時(shí)（330天）計(jì)算，透平膨脹機(jī)發(fā)電機(jī)組（含五臺(tái)吸附塔）功率P=16.8×5=84 kW，算得年發(fā)電量為665280 kW?h；與此同時(shí)，膨脹后的流體可供回收的冷量為Q=12.068×5=60 kW，按照目前電網(wǎng)平均銷售電價(jià)0.576元?［kW?h］-1計(jì)算，每年可節(jié)約電費(fèi)38.3萬(wàn)元。

根據(jù)估算，該系統(tǒng)初投資約為70萬(wàn)元，投資回收期約為1.83年，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

圖1 余壓利用系統(tǒng)流程圖

圖2 透平主機(jī)系統(tǒng)示意圖

圖3 余壓利用系統(tǒng)模型圖

圖4 原有流程與余壓流程對(duì)比圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的余壓利用系統(tǒng)，利用透平回收變壓吸附過(guò)程中余壓能，具有良好的節(jié)能效果，同時(shí)也能夠帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

［1］黃星，曹文勝.變壓吸附PSA凈化天然氣技術(shù)［J］.低溫與特氣，2014，32（3）：6-9.

［2］郭玲麗，陳勇.大型高爐煤氣余壓透平發(fā)電裝置（TRT）的開發(fā)［R］.2010年全國(guó)能源環(huán)保生產(chǎn)技術(shù)會(huì)議，江西九江，2010.

［3］周建，羅敏，李翔，等.川渝管網(wǎng)高低壓分輸壓力能回收利用技術(shù)分析［J］.天然氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì)，2014，（4）：40-44.

［4］楊奎奎.熱網(wǎng)余壓驅(qū)動(dòng)二級(jí)網(wǎng)循環(huán)水泵的水輪機(jī)試驗(yàn)與應(yīng)用研究［D］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)供熱、供燃?xì)狻⑼L(fēng)及空調(diào)工程，2012.